专利名称：一种ccd相机图像信号处理方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明 涉及一种C⑶相机图像信号处理方法及系统，尤其适用于低照度、弱目标的CCD相机系统。
背景技术：
CCD相机的应用非常广泛，尤其在图像质量要求非常苛刻的领域，如医学、天文深空观测等领域，有着不可替代的地位。在CCD相机设计时最为关注的参数之一就是相机的信噪比(SNR)，而在低照度、弱目标的情形下，读出噪声是CCD相机噪声的主要来源。目前对读出噪声抑制方法还是上个世纪70年代提出的相关双采样法或基于此方法改进的模拟滤波方法，主要包括相关双采样法(CDS)、双斜积分法、开关指数滤波法、微分取样法、反射延迟法、相关四采样等。这些方法在使用时各有侧重，但它们在本质上是相同的，其原理都是利用复位噪声的缓变特性，采用相关处理技术，即都是通过将视频信号在一个像素周期内进行前后两次采样，然后分别送至差动放大器的两个输入端，在进行视频信号放大的同时消除复位噪声。由此可见，传统的CCD输出噪声处理技术都是在模拟域进行的。它有多种实现形式，但都是模拟电路实现，其频域特性对于CCD信号噪声特性而言不是最佳的。传统CCD相机视频信号处理链路框图如附图1所示。传统方法的不足之处在于1)在抑制噪声的同时，又由于自身电路的存在(如相关双采样电路)不可避免的引入电路噪声。2)虽然已经实现了具有相关双采样电路的集成芯片，但要想获得高性能的噪声效果，还是得利用分立元件搭建相关双采样电路，为此又降低了电路的可靠性。3)如图1所示，目前采用相关双采样技术在低读出速率时读出噪声限制在2e_水平，在IMHz读出速率时读出噪声通常为6e-水平，无法满足要求更高的低照度、弱目标天文观测的应用。因而，必须考虑进一步减小读出噪声的新思路和新途径，以提高光学探测器的动态范围尤其对弱光目标的探测能力。
发明内容
本发明的目的在于突破传统CCD相机噪声的抑制瓶颈，提出一种数字域滤波的新方案，具体为一种新的CCD相机图像信号处理方法及系统。本发明的技术思想是利用高速高分辨率模数转换器以远高于读出速率的采样频率直接将CCD视频信号数字化，然后针对CCD视频信号读出噪声的特性设计数字信号处理算法，将噪声抑制到亚电子水平。当前大规模集成电路技术尤其是高速高分辨率模数转换器技术和数字信号处理技术为这一新思路的实现提供了技术基础。该新技术相对EMCCD技术具有更强的通用性，不仅能减小CCD读出噪声，而且也为用高速低分辨率模数转换器(12bit)实现低速高分辨(16bit)的要求提供了一种技术途径。本发明的技术方案具体如下 一种CXD相机图像信号处理方法，包括以下步骤(I)CXD输出的像元信号经放大后，通过高速模/数转换电路对每个像元信号进行多点采样；采样得到的数据进行量化后输出数字信号；(2)数字信号进行锁存和同步处理；(3)通过高速传输接口将同步处理后的数字信号发送到采集/控制计算机，采集/ 控制计算机取得每个像元的所有采样点的样本信号；(4)在采集/控制计算机中对每个像元的所有采样点实施滤波算法，获得每个像元的像素值，最终得到一幅完整图像。上述高速传输接口采用Camera 1 ink接口协议。上述步骤(4)所述的滤波算法按照以下方法确定将包含有每个像元一个象元周期内所有采样点的样本信号的帧格式图像转换成二维数组，进行时域分析和频谱分析，从而确定合适的滤波算法。上述步骤(1)所述的多点采样优选采样120-200个采样点。上述步骤(4)所述滤波算法为数字域相关双采样、高斯权值滤波或各种频域滤波算法。本发明提供的一种CXD相机图像信号处理系统，包括通过数据传输线依次链接的 CCD、前置放大电路、高速模/数转换电路、时序驱动与数据处理电路、高速传输接口和采集 /控制计算机，其中，自时序驱动与数据处理电路、高速传输接口至采集/控制计算机，还建立有控制线链接。上述高速传输接口为Cameral ink接口电路。上述高速模/数转换电路是具有16位、160Msps的高速模/数转换器。本发明不仅可以降低噪声，提高相机信噪比，而且简化了相机系统的硬件设计，提高了系统的集成度和可靠性。同时随着大规模集成电路的不断发展，为继续优化噪声抑制算法和提高运算速度提供了技术基础。具体表现在以下优点1、系统的可靠性和集成度得以提高本发明所采用的噪声滤波方案是在数字域进行的，与传统设计方案相比省去了相关双采样电路，提高了系统的可靠性和集成度。2、噪声滤波算法设计灵活、实用性和通用性强本发明提出了一种CCD输出视频信号进行直接高速数字化的新技术方案。该方案能够针对CCD视频信号的噪声特性设计最佳的数字信号处理算法，从而获得更好的噪声抑制能力。其中时域滤波算法有数字域相关双采样、高斯权值滤波。另外，也可以采用各种频域滤波算法。3、为CCD相机系统设计提供一个新概念和通用平台，大大降低了开发成本和周期可基于软件来实现新算法和使用新技术，大大降低了开发成本和周期，使CCD相机系统能跟上技术发展的水平。而且该相机系统还可以根据需要，修改采集软件中的滤波算法及相机控制信号来改变相机系统功能。
图1为传统方案CCD读出噪声和读出速率的典型关系图。
图2为传统CXD相机系统视频信号处理链路框图。图3为本发明所提供的CXD相机系统结构框图。图4为本发明所提供的CXD相机系统的时序接口电路。图5为本发明所提供的CCD相机系统采集软件功能框图。图6为本发明CXD读出噪声和读出速率的关系图。附图标号说明 1-前置放大电路，2-模/数转换电路，3-时序驱动及数据处理FPGA，4-Camera Link接口，5-采集/控制计算机。
具体实施例方式本发明是基于高速传输协议接口(如=Camera link接口协议)的相机系统，系统的结构示意图如附图3所示，CXD输出的像元信号经由前置放大电路后，直接通过高速模/ 数转换电路进行采样，为了满足后期算法对样本点的要求，每个像元采样120至200个点， 然后通过时序驱动和数据处理FPGA锁存同步处理，再经Camera Link接口发送到采集计算机，在采集计算机中利用采集软件对视频信号进行滤波处理，并显示图像。本发明提供的一种CXD相机视频信号处理方法，具体包括以下步骤0)(XD相机加电工作后，在驱动脉冲的作用下，CXD输出像元信号；1)对步骤0) CCD输出的视频信号进行隔直、放大，使输出的视频信号幅度与后续的模/数转换电路的输入信号量程相匹配；2)对经过步骤1)的每个像元信号进行多点采样(一般采样120-200个采样点)，
量化后输出数字信号；3)将步骤2)中获得的大量数据通过CameraLink接口电路发送到采集/控制计算机；4)在采集/控制计算机中对每个像元的样本信号实施滤波算法，获得每个像元的像素值，并显示和保存处理后得到的图像。滤波算法可以是数字域相关双采样、高斯权值滤波或各种频域滤波算法。下面为了能更好的说明本发明如何实现，结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。本发明提供的一种用于低照度、弱目标的CCD相机系统，参见图3，是基于本发明所提供的CCD相机系统功能框图，主要由前置放大电路1、模/数转换电路2、时序驱动与数据处理电路3，高速传输接口电路(本方案采用的是Camera Link接口，只要能满足数据传输速率的接口电路都可以)，以及采集控制计算机5组成，下面结合附图3、4、5，详细介绍各部分的功能前置放大电路1 对CCD读出放大器输出的视频信号进行隔直、放大，使输出视频信号的幅度与模/数转换电路2的输入信号量程相匹配；模/数转换电路2:对前置放大电路1输出的像元信号进行量化，输出数字信号；附图3中给出了一个模/数转换电路实例，本发明采用的是凌力而特公司(Linear Technology)的模数转换器LTC2209，LTC2209是具有16位、160Msps高性能高速模数转换器，具有卓越的77. IdB基带信噪比(SNR)性能和IOOdB基带无寄生动态范围(SFDR)。满足样本数目多以及精度高的要求。时序驱动与数据处理FPGA电路3 产生CXD驱动时序信号、对模/数转换电路2输出的数字视频信号数据按照一定的时序格式要求与相机系统的同步控制信号通过Camera link输出接口发送 给采集计算机。如附图4所示，时序驱动与数据处理FPGA电路将采集到的海量数据与帧头数据(帧头数据信号FHDATA) —起在控制信号(如帧有效信号 (FVAL)，行有效信号(LVAL))作用下按一定的格式发送给采集控制计算机。Cameralink接口电路4 通过该接口电路，将采集到海量数据经由采集卡高速传输到采集计算机。并将采集控制计算机发来的控制信号发送到时序驱动与数据处理电路3， 来改变相机的工作状态(如调整曝光时间，切换工作模式等)。附图3中给出了一个实例， 本发明采用是NI公司的PCIe-1429采集卡，它美国国家仪器公司(National Instruments, 简称NI)2005年1月推出的首款基于PCI Express的图像采集板卡，适用于高吞吐量的视觉应用，可以在Camera Link摄像头高速度、高分辨率和高像素深度的情况下采集图像，执行复杂的图像采集应用。采集控制计算机5:本发明的采集软件与传统采集软件的不同之处在于，本系统采集到的每帧数据不再是一幅图像，而是所有像元波形的样本点，必须对每个像元采样周期进行滤波处理才能得到该像元的真实像素值。本方案的采集软件采用Labview编写，并在采集程序中嵌入MatLab程序以便于数据处理。采集软件功能框图如附图5所示，在采集软件中为了便于对像元采样信号的分析，将获得的帧格式图像转换成二维数组，对其进行时域分析和频谱分析，为滤波算法的编写提供依据。该采集软件除了可以很方便的控制相机工作状态以外，还具有以下优点1)可以方便的调用Labview已有的显示模块和数据分析控件(如波形显示，频谱分析等)，还可以根据需要扩展软件功能。2)利用Matlab强大的矩阵运算功能，通过Matlab编写的滤波算法从采集的样本点中快速复原出图像。并通过图像评价模块，对滤波算法进行改进，直至用户满意为止。下面对选定的高斯权值滤波算法作进一步描述通过分析CXD输出信号的特点，发现CXD输出信号在一个像元周期内，参考电平和像元输出附近采样数据的相关性明显比其两边较远处的高得多，也就是说，此处的采样点包含了更多的有用信息，所以对该处的采样数据赋予更大的权值可以有效抑制输出噪声。 这样对一个像元周期内的采样数据赋予的权值近似高斯概率分布函数的钟形，为了达到数字相关双采样的效果，其中前一半参考电平采样值的权值系数取负值，获取每个像元值的算法如式1所示
In-1η- X
Σ w Σ w Pix = ——^^ (式 υ
Σ Σ
i = η/ = 0 式中，Si是第i个采样值，α i为第i个采样点的加权系数，而且α i = α (2η+1_0, 一个像元周期内采样2η个样本点，其中前η个是参考电平的采样点数。由以上操作可以看出对CCD输出的像元数据直接采样，并进行权值滤波，既可以得到模拟电路中相关双采样的效果，又可以省去相关双采样电路引人的噪声，从而可以提高信号的信噪比。
权利要求
1.一种C⑶相机图像信号处理方法，包括以下步骤(1)CCD输出的像元信号经放大后，通过高速模/数转换电路对每个像元信号进行多点采样；采样得到的数据进行量化后输出数字信号；(2)数字信号进行锁存和同步处理；(3)通过高速传输接口将同步处理后的数字信号发送到采集/控制计算机，采集/控制计算机取得每个像元的所有采样点的样本信号；(4)在采集/控制计算机中对每个像元的所有采样点实施滤波算法，获得每个像元的像素值，最终得到一幅完整图像。
2.根据权利要求1所述的CCD相机图像信号处理方法，其特征在于所述高速传输接口采用Camera link接口协议。
3.根据权利要求1所述的CCD相机图像信号处理方法，其特征在于，步骤(4)所述的滤波算法按照以下方法确定将包含有每个像元一个象元周期内所有采样点的样本信号的帧格式图像转换成二维数组，进行时域分析和频谱分析，从而确定合适的滤波算法。
4.根据权利要求1所述的CCD相机图像信号处理方法，其特征在于步骤(1)所述的多点采样是采样120-200个采样点。
5.根据权利要求1所述的CCD相机图像信号处理方法，其特征在于步骤(4)所述滤波算法为数字域相关双采样、高斯权值滤波或各种频域滤波算法。
6.一种C⑶相机图像信号处理系统，其特征在于包括通过数据传输线依次链接的 CCD、前置放大电路、高速模/数转换电路、时序驱动与数据处理电路、高速传输接口和采集 /控制计算机，其中，自时序驱动与数据处理电路、高速传输接口至采集/控制计算机，还建立有控制线链接。
7.根据权利要求5所述的CCD相机图像信号处理系统，其特征在于所述高速传输接口 为 Cameral ink 接口电路。
8.根据权利要求5所述的CCD相机图像信号处理系统，其特征在于所述高速模/数转换电路是具有16位、160Msps的高速模/数转换器。
全文摘要
本发明为突破传统CCD相机噪声的抑制瓶颈，提出一种数字域滤波的新方案，具体为一种新的CCD相机图像信号处理方法及系统。本发明利用高速高分辨率模数转换器以远高于读出速率的采样频率直接将CCD视频信号数字化，然后针对CCD视频信号读出噪声的特性设计数字信号处理算法，将噪声抑制到亚电子水平。当前大规模集成电路技术尤其是高速高分辨率模数转换器技术和数字信号处理技术为这一新思路的实现提供了技术基础。该新技术相对EMCCD技术具有更强的通用性，不仅能减小CCD读出噪声，而且也为用高速低分辨率模数转换器(12bit)实现低速高分辨(16bit)的要求提供了一种技术途径。
文档编号H04N5/217GK102223470SQ20111015681
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者姚大雷, 文延, 江宝坦, 汶德胜, 王宏, 邱跃洪, 陈智, 高博 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所