平列式彩色线阵CCD的自适应矫正算法及系统的制作方法

本发明涉及数字摄像技术领域，具体为平列式彩色线阵ccd的自适应矫正算法及系统。

背景技术：

ccd图像传感器作为一种新型光电转换器,是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片,集光电转换、光积分、扫描三种功能为一体。其基本部分由mos光敏元阵列和读出移位寄存器组成。ccd器件具有体积小、质量小、耐振动冲击、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量准确度高、成本低等优点,被广泛应用于工业检测、机器视觉、宇航遥感、微光夜视、成像制导、数字全息、自动监控等诸多领域。获取高质量的图像信号是这些应用领域对ccd传感器的共同要求。对于线阵ccd采集系统,当摄像机对光照绝对均匀的物体成像时,理论上所有的像素应该具有同样的灰度。而实际上并非如此,以下因素决定了图像的灰度非均匀性:1光源照明的非均匀性；2镜头边缘的cos4θ效应减少了光通量传输,造成边缘图像的光照度远低于中心图像照度；3传感器的像素光电响应非一致性；4固定模式噪声的影响。当采用等光量均匀照明时,如果每个像素点的响应灵敏度不同,就会在图像上形成纵向的条带图像,条带上像素与其邻域像素灰度值不同,这源于对于像素的fpn噪声和光电响应非一致性。

ccd是一种技术成熟、应用广泛的图像传感器，已成为高端数字摄像的主流器件。根据器件结构的不同，ccd器件可以分为线阵ccd和面阵ccd。一个理想的线阵ccd在被绝对均匀的光场照射时，各像素输出的灰度应该是完全相同的，但是实际情况并非如此。如果不经校正就投入使用，将在实际应用中产生不利影响，因此，需要对器件进行非均匀性校正，因此必须采用一定的校正算法消除以上因素带来的影响,以提高图像质量。

技术实现要素：

本发明针对光电响应不均匀性的特点,采用两点法对线阵ccd非均匀性噪声进行校正，解决了背景技术中所提出的问题。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方法：平列式彩色线阵ccd的自适应矫正算法及系统，包括摄像机硬件本体、校正系数算法、fpga硬件芯片和线阵ccd非均匀性检测系统，所述摄像机硬件本体包括a/d转换单元、校正实现单元、逻辑控制和双口ram，ccd视频数据进入所述a/d转换单元处理，所述a/d转换单元与校正实现单元、逻辑控制和双口ram数据连通；

所述校正系数算法是将摄像机的输出图像数据看作是摄像机输入的非线性函数,即g(x)＝n(f(x))，x---像素的图像帧存位置值，因此,g(x)可以在固定输入值f0(x)处,根据台劳级数展开得：

即，g(x)＝a0(x)+a1(x)f(x)+a2(x)f2(x)+…。其中,a0(x),a2(x),…为常系数，对于高质量的线阵传感器,二阶以上的高阶项可忽略不计，摄像机输入近似为：f＝g(x)-a0(x)a1(x),只要确定了常系数a0(x),a1(x),就可以对摄像机进行校正，为了实现校正算法,首先分析每个像素点的响应,而且每个ccd器件都不相同,并应考虑温度和曝光时间的影响,校正算法即求出校正因子和暗偏置，两点校正法如下进行：

a，在不曝光的情况下,测试ccd器件的每个像素输出,即测出像素的暗偏置的值，y(dn)＝x{n(dn)-a}式中:y(dn)———校正输出值,即g(x)；x———校正因子,即上面的a1(x)；n(dn)———原始数据值,即上面的f(x)；a———暗偏置的值；

b，将ccd曝光于已知的一定级别的均匀照明,并使之接近饱和曝光量,即让ccd输出接近vsat的饱和输出电压,两个极限点测量确定了校正因子,其它中间点的测量可以用作参考值,从而确立校正曲线；x＝vsat/{n(dn)100％-a}式中:vsat———饱和输出电压；n(dn)100％———接近100％曝光情况下像素输出灰度值；a———暗偏置的值；(-x＊a)＝a0(x)。在求解常系数a1(x)和a0(x)过程中,对于每个像素可以取多个定标点,得到的方程写成矩阵格式为

由于方程个数多于未知数的个数,因此可以采用最小二乘法来求解a1(x)和a0(x)的值,这样可以得到精确的校正系数。

优选的，所述a/d转换单元与所述逻辑控制采用像元同步和行同步。

优选的，所述fpga硬件芯片设为可编程，所述fpga硬件芯片可以适应各个ccd器件的校正参数灵活改变；所述fpga硬件芯片逻辑资源可满足校正算法及控制逻辑电路的实现；所述fpga硬件芯片的内部专有结构适合乘法器、数字信号处理等算法的实现。

优选的，所述线阵ccd非均匀性检测系统由led光源、线阵ccd、信号处理电路、图像采集系统、亮度计构成，检测步骤包括如下：

s1，借助亮度计按线性调整led的亮度；

s2，借助图像采集系统读出ccd此时的数值，反复几次，即可利用数据求出ccd的校正系数；

s3，在上位机上存储此系数，在每次使用色选机时，通过上位机发送此系数至fpga通道板，fpga可以通过前面阐述过的算法，输出校正过后的数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过此校正系统使ccd的输出数值和光的亮度变化成线性关系，接近人眼的感知，提高色选机的精度，同时相比以往的校正算法和系统，本算法使用采用最小二乘法来进行校正，同时借助fpga来进行实时校正，校正精度高并且速度非常快，可以满足色选机的使用要求，校正系数在机器出厂前校正几次即可，大大方便了用户的使用。

附图说明

图1为本发明平列式彩色线阵ccd的自适应矫正算法及系统的像素光电响应曲线示意图；

图2为本发明平列式彩色线阵ccd的自适应矫正算法及系统的摄像机硬件本体的结构框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本实用发明提供一种技术方法：平列式彩色线阵ccd的自适应矫正算法及系统，包括摄像机硬件本体、校正系数算法、fpga硬件芯片和线阵ccd非均匀性检测系统，所述摄像机硬件本体包括a/d转换单元、校正实现单元、逻辑控制和双口ram，ccd视频数据进入所述a/d转换单元处理，所述a/d转换单元与校正实现单元、逻辑控制和双口ram数据连通；

所述校正系数算法是将摄像机的输出图像数据看作是摄像机输入的非线性函数,即g(x)＝n(f(x))，x---像素的图像帧存位置值，因此,g(x)可以在固定输入值f0(x)处,根据台劳级数展开得：

即，g(x)＝a0(x)+a1(x)f(x)+a2(x)f2(x)+…。其中,a0(x),a2(x),…为常系数，对于高质量的线阵传感器,二阶以上的高阶项可忽略不计，摄像机输入近似为：f＝g(x)-a0(x)a1(x),只要确定了常系数a0(x),a1(x),就可以对摄像机进行校正，为了实现校正算法,首先分析每个像素点的响应,而且每个ccd器件都不相同,并应考虑温度和曝光时间的影响,校正算法即求出校正因子和暗偏置，两点校正法如下进行：

a，在不曝光的情况下,测试ccd器件的每个像素输出,即测出像素的暗偏置的值，y(dn)＝x{n(dn)-a}式中:y(dn)———校正输出值,即g(x)；x———校正因子,即上面的a1(x)；n(dn)———原始数据值,即上面的f(x)；a———暗偏置的值；

b，将ccd曝光于已知的一定级别的均匀照明,并使之接近饱和曝光量,即让ccd输出接近vsat的饱和输出电压,两个极限点测量确定了校正因子,其它中间点的测量可以用作参考值,从而确立校正曲线；x＝vsat/{n(dn)100％-a}式中:vsat———饱和输出电压；n(dn)100％———接近100％曝光情况下像素输出灰度值；a———暗偏置的值；(-x＊a)＝a0(x)。在求解常系数a1(x)和a0(x)过程中,对于每个像素可以取多个定标点,得到的方程写成矩阵格式为

由于方程个数多于未知数的个数,因此可以采用最小二乘法来求解a1(x)和a0(x)的值,这样可以得到精确的校正系数。

所述a/d转换单元与所述逻辑控制采用像元同步和行同步。

所述fpga硬件芯片设为可编程，所述fpga硬件芯片可以适应各个ccd器件的校正参数灵活改变；所述fpga硬件芯片逻辑资源可满足校正算法及控制逻辑电路的实现；所述fpga硬件芯片的内部专有结构适合乘法器、数字信号处理等算法的实现。

所述线阵ccd非均匀性检测系统由led光源、线阵ccd、信号处理电路、图像采集系统、亮度计构成，检测步骤包括如下：

s1，借助亮度计按线性调整led的亮度；

s2，借助图像采集系统读出ccd此时的数值，反复几次，即可利用数据求出ccd的校正系数；

s3，在上位机上存储此系数，在每次使用色选机时，通过上位机发送此系数至fpga通道板，fpga可以通过前面阐述过的算法，输出校正过后的数值。

综上述，本发明通过此校正系统使ccd的输出数值和光的亮度变化成线性关系，接近人眼的感知，提高色选机的精度，同时相比以往的校正算法和系统，本算法使用采用最小二乘法来进行校正，同时借助fpga来进行实时校正，校正精度高并且速度非常快，可以满足色选机的使用要求，校正系数在机器出厂前校正几次即可，大大方便了用户的使用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方法进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。