專利名稱：一種高分辨率ccd成像系統(tǒng)測(cè)光的加速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像信號(hào)處理技術(shù)，特別是一種高分辨率CCD成像系統(tǒng)測(cè)光的加速方法。
背景技術(shù)：
CCD(電荷耦合器件)被認(rèn)為是可見光成象領(lǐng)域最有前途的探測(cè)器件，這是因?yàn)樗哂幸韵峦怀鰞?yōu)點(diǎn)低噪聲輸出、動(dòng)態(tài)范圍大、量子效率高、電荷轉(zhuǎn)移效率高、光譜響應(yīng)范圍寬、幾何穩(wěn)定性好。CCD制造工藝的不斷發(fā)展，CCD的分辨率不斷提高，為CCD的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。在CCD成像過程中，曝光對(duì)圖像質(zhì)量的影響很大，如果曝光過度，則會(huì)使圖像過亮，失去圖像亮部細(xì)節(jié)；而如果曝光不足，則會(huì)導(dǎo)致圖像過暗，失去圖像暗部細(xì)節(jié)。CCD自動(dòng)曝光算法一般需要先從CCD取得當(dāng)前圖像，目前的成像系統(tǒng)自動(dòng)曝光算法首先使用曝光初始值獲得一幀圖像，通過該圖像判斷當(dāng)前的曝光時(shí)間是否為最佳曝光時(shí)間，如果是，則下次成像仍然使用該曝光值，否則，根據(jù)當(dāng)前圖像計(jì)算下一次成像使用的曝光值，然后再次成像，直至獲得最佳曝光時(shí)間。目前曝光時(shí)間算法判斷當(dāng)前曝光時(shí)間是否為最佳的依據(jù)是圖像的平均灰度和直方圖，因此，在保證圖像平均灰度和直方圖分布不變的情況下，成像的速度越快，則成像系統(tǒng)的測(cè)光過程就越快。當(dāng)前CXD傳感器的分辨率已經(jīng)超過了 5千萬像素，如此之高的分辨率付出的代價(jià)是幀速過慢，例如柯達(dá)公司生產(chǎn)的CXD芯片KAF50100，該芯片的信號(hào)讀出時(shí)間高達(dá)971ms， 加上曝光時(shí)間后幀速在Ifps左右，圖像獲得速度低，這就制約了成像系統(tǒng)的測(cè)光速度。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種高分辨率CCD成像系統(tǒng)測(cè)光的加速方法，可以對(duì)目前主要的成像系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)光方法進(jìn)行加速，并且不損失測(cè)光所需的圖像參數(shù)，如平均灰度和亮度直方圖等，操作簡(jiǎn)單且不需要增加額外的硬件設(shè)備。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種高分辨率CCD成像系統(tǒng)測(cè)光的加速方法，所述方法的執(zhí)行主體是CCD成像系統(tǒng)的控制軟件，從CCD成像系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)拍照狀態(tài)時(shí)開始，其具體方法包括以下步驟A、獲得CXD成像系統(tǒng)的最小曝光時(shí)間tsht min和縱向移行周期；B、獲得CXD成像系統(tǒng)自動(dòng)拍照的當(dāng)前曝光時(shí)間tint ；C、計(jì)算加速算法中的合并行數(shù)η η =
sht _minD、CXD成像系統(tǒng)使用最小曝光時(shí)間tsht min進(jìn)行曝光；E、使用像素合并的方法對(duì)CCD圖像傳感器施加縱向轉(zhuǎn)移時(shí)序，使CCD圖像傳感器中的η行像素電荷在輸出寄存器中累加，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)讀出；
F、重復(fù)步驟E，直至像素信號(hào)全部讀出，得到合并后的數(shù)字圖像；G、根據(jù)用戶自行使用的測(cè)光算法判斷當(dāng)前曝光時(shí)間是否為最佳曝光時(shí)間，如果是，則測(cè)光過程結(jié)束；否則根據(jù)用戶使用的測(cè)光算法計(jì)算并更新當(dāng)前曝光時(shí)間，之后重復(fù)步驟A-G，直至獲得最佳曝光時(shí)間，并使用最佳曝光時(shí)間進(jìn)行拍照。本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)及效果1、本發(fā)明根據(jù)CCD圖像傳感器的特點(diǎn)，在像素信號(hào)讀出前將信號(hào)在CCD圖像傳感器內(nèi)進(jìn)行合并，合并之后讀出，可以達(dá)到減少讀出像素的目的，且不會(huì)改變?cè)葓D像的平均灰度和亮度直方圖分布，從而實(shí)現(xiàn)在測(cè)光階段對(duì)CCD圖像傳感器讀出幀速的提高，以此來加速測(cè)光過程。2、本發(fā)明提出的測(cè)光加速方法為純軟件操作，不消耗硬件資源，不增加原算法的
計(jì)算量。3、本發(fā)明提出的測(cè)光加速方法根據(jù)系統(tǒng)自身的最小曝光時(shí)間和當(dāng)前的曝光時(shí)間來選擇合適的合并行數(shù)，在提高了讀出速度的同時(shí)，將曝光時(shí)間設(shè)定在系統(tǒng)的最小曝光時(shí)間上，同樣加速了曝光的速度。4、本發(fā)明根據(jù)當(dāng)前曝光時(shí)間和最小曝光時(shí)間計(jì)算合并行數(shù)，可以保證合并后的信號(hào)同樣能反映原圖像的整體及區(qū)域灰度均值和亮度直方圖，因此可以廣泛應(yīng)用在各種測(cè)光方法中。


本發(fā)明共有附圖6張，其中圖1是本發(fā)明的流程圖。圖2是CXD圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖(2X2像素)。圖3是CXD圖像傳感器縱向轉(zhuǎn)移示意圖。圖4是CXD圖像傳感器行合并示意圖。圖5是CXD圖像傳感器橫向轉(zhuǎn)移示意圖。圖6是CXD圖像傳感器列合并示意圖。圖中1、電荷存儲(chǔ)區(qū)，2、輸出寄存器，3、重置電路，4、輸出放大器，5、浮置擴(kuò)散二極管。
具體實(shí)施例方式如圖1所示為本發(fā)明的流程圖，本發(fā)明首先要獲得方法中所需要的加速參數(shù)，即加速過程中的合并行數(shù)，合并行數(shù)由當(dāng)前曝光時(shí)間和系統(tǒng)的最小曝光時(shí)間共同決定。獲得到合并行數(shù)之后即以系統(tǒng)的最小曝光時(shí)間進(jìn)行曝光，曝光之后CCD圖像傳感器的電荷在縱向移行時(shí)序的驅(qū)動(dòng)下向輸出寄存器2移動(dòng)，移動(dòng)的行數(shù)應(yīng)該為合并行數(shù)，在此期間不進(jìn)行像素信號(hào)的讀出操作。合并后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后被CCD成像系統(tǒng)讀出。當(dāng)所有的合并像素被讀取完成后，即可進(jìn)行用戶規(guī)定的測(cè)光算法，測(cè)光算法最終應(yīng)給出下一次拍照的曝光時(shí)間，該曝光時(shí)間將被更新為當(dāng)前曝光時(shí)間。如果當(dāng)前曝光時(shí)間并非最佳曝光時(shí)間，及當(dāng)前曝光時(shí)間并沒有使圖像的參數(shù)達(dá)到測(cè)光算法要求的最優(yōu)，則繼續(xù)進(jìn)行測(cè)光過程，否則測(cè)光過程結(jié)束。
本發(fā)明中像素合并的具體過程如圖2到圖6所示。像素合并是將CXD圖像傳感器上相鄰像素的電荷包在讀出前進(jìn)行合并的過程，該過程由CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序中的行轉(zhuǎn)移時(shí)序?qū)崿F(xiàn)。像素合并由兩種基本方式組成，行合并和列合并。為了敘述問題方便，首先假設(shè)一個(gè)僅有2X2個(gè)單元的簡(jiǎn)易面陣CCD圖像傳感器，該圖像傳感器由2X2電荷存儲(chǔ)組成，具有2單元的橫向輸出寄存器2、浮置擴(kuò)散二極管5、重置電路3和輸出放大器4。如圖 2所示，首先，CCD圖像傳感器的電荷存儲(chǔ)區(qū)1對(duì)入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后積累了光生電荷，假設(shè)積累的光生電荷量分別是30、20、25和45，共四個(gè)電荷包，這些電荷包在縱向移行時(shí)鐘的作用下移入輸出寄存器2中，如圖3。在正常操作模式下，輸出寄存器2的電荷包將在橫向轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的作用下逐一向浮置擴(kuò)散二極管5移動(dòng)，移至浮置擴(kuò)散二極管5的電荷包將被轉(zhuǎn)化成電壓，經(jīng)輸出放大器4后被A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后重置門打開，清空浮置擴(kuò)散二極管5上的電荷，至此讀出操作結(jié)束，該讀出操作將重復(fù)到該行電荷包被完全移出。然而，在縱向合并過程中，進(jìn)入輸出寄存器2的電荷包并未被直接讀出，而是在讀出以前進(jìn)行了另一次縱向移行操作，因此兩行電荷包同時(shí)存在于輸出寄存器2中，并且進(jìn)行了疊加，之前的電荷包25和45分別與30和20相加，變成了 55和65，至此縱向合并完成，如圖4。在完成縱向合并操作之后，將進(jìn)行橫向合并操作。輸出寄存器2中的電荷包在橫向轉(zhuǎn)移控制信號(hào)的作用下向輸出放大器4移動(dòng)，移動(dòng)到浮置擴(kuò)散二極管5上的電荷被轉(zhuǎn)化成電壓，如圖5，此時(shí)并不進(jìn)行讀出操作，而是再進(jìn)行一次橫向轉(zhuǎn)移操作，將后面的一個(gè)電荷包轉(zhuǎn)移到浮置擴(kuò)散二極管5上與當(dāng)前電荷包進(jìn)行疊加，疊加后的電荷包被放大器輸出后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被系統(tǒng)讀出。至此完成2X2面陣CXD圖像傳感器的像素合并操作。本發(fā)明適用于行間轉(zhuǎn)移和全幀型CXD圖像傳感器的測(cè)光加速，尤其適合大面陣高分辨率全幀型CCD測(cè)光的加速。實(shí)施例本實(shí)施例以柯達(dá)公司生產(chǎn)的KAF50100芯片作為CXD圖像傳感器芯片，闡明本發(fā)明對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)光方法的加速作用。實(shí)驗(yàn)成像系統(tǒng)使用快門的最小曝光時(shí)間為0. 25ms，初始曝光時(shí)間為10ms。傳統(tǒng)方法在使用當(dāng)前曝光時(shí)間曝光后，讀出KFA50100所有的像素電荷，之后進(jìn)入測(cè)光階段，判斷當(dāng)前曝光時(shí)間是否是最佳曝光時(shí)間，如果不是則計(jì)算出新的曝光時(shí)間并更新。KAF50100芯片的像素讀出時(shí)間tK由縱向轉(zhuǎn)移時(shí)間、和橫向轉(zhuǎn)移時(shí)間tH組成， 其中，tE = tv+tH
NvNt其中人’tH= T 錯(cuò)誤!未找到引用源。
JvJH X ^OUTNv和Nt分別是CXD圖像傳感器在讀出操作過程中實(shí)際轉(zhuǎn)移的行數(shù)和像素總數(shù)，fv 和fH分別是其縱向轉(zhuǎn)移時(shí)鐘頻率和橫向轉(zhuǎn)移時(shí)鐘頻率，Nott是輸出路數(shù)。由圖2-6可見，縱向合并將減少CCD圖像傳感器的讀出行數(shù)，而橫向合并沒有減少橫向轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的數(shù)量，因此像素合并會(huì)減小tH，因?yàn)樽x出的總像素?cái)?shù)減少了，而移行時(shí)間tv并沒有減少。KAF50100 芯片總像素?cái)?shù)為8304 (H) X 6220 (V) = 51. 6M，縱向轉(zhuǎn)移時(shí)鐘頻率為25KHz，橫向轉(zhuǎn)移時(shí)鐘頻
率為18MHz，輸出路數(shù)為4路，因此其像素讀出時(shí)間應(yīng)該為
6220 8304x6220t =-+-= 966.17愿
25KHz ISMHzx 4
5
加上曝光時(shí)間10ms，系統(tǒng)獲得圖像的總時(shí)間為976. 17ms。在一個(gè)mXn像素合并操作中，合并了 η行像素之后，該行像素中的m個(gè)像素又進(jìn)
行了合并，因此，該操作下像素的讀出時(shí)間為
Nv NttR=-T + -,~TT——
U Ihx NomXn本實(shí)施例中當(dāng)前曝光時(shí)間為IOms，最小曝光時(shí)間為0. 25ms，則η = 40，因此讀出時(shí)間為266. 73ms，總像素讀取時(shí)間為266. 98ms,圖片獲得時(shí)間減小為原來的27. 3%，測(cè)光速度提高72. 7%。
權(quán)利要求
1. 一種高分辨率CCD成像系統(tǒng)測(cè)光的加速方法，其特征在于所述方法的執(zhí)行主體是 CCD成像系統(tǒng)的控制軟件，從CCD成像系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)拍照狀態(tài)時(shí)開始，其具體方法包括以下步驟A、獲得CCD成像系統(tǒng)的最小曝光時(shí)間tshtmin和縱向移行周期；B、獲得CXD成像系統(tǒng)自動(dòng)拍照的當(dāng)前曝光時(shí)間tint；C、計(jì)算加速算法中的合并行數(shù)ηη = tmt^sht _minD、CXD成像系統(tǒng)使用最小曝光時(shí)間tshtmin進(jìn)行曝光；E、使用像素合并的方法對(duì)CCD圖像傳感器施加縱向轉(zhuǎn)移時(shí)序，使CCD圖像傳感器中的 η行像素電荷在輸出寄存器(2)中累加，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)讀出；F、重復(fù)步驟Ε，直至像素信號(hào)全部讀出，得到合并后的數(shù)字圖像；G、根據(jù)用戶自行使用的測(cè)光算法判斷當(dāng)前曝光時(shí)間是否為最佳曝光時(shí)間，如果是，則測(cè)光過程結(jié)束；否則根據(jù)用戶使用的測(cè)光算法計(jì)算并更新當(dāng)前曝光時(shí)間，之后重復(fù)步驟 A-G，直至獲得最佳曝光時(shí)間，并使用最佳曝光時(shí)間進(jìn)行拍照。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高分辨率CCD成像系統(tǒng)測(cè)光的加速方法，其執(zhí)行主體是CCD成像系統(tǒng)的控制軟件，從CCD成像系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)拍照狀態(tài)時(shí)開始，通過最小曝光時(shí)間和當(dāng)前曝光時(shí)間計(jì)算加速算法中的合并行數(shù)n，使用像素合并方法對(duì)CCD圖像傳感器施加縱向轉(zhuǎn)移時(shí)序，使CCD圖像傳感器中的n行像素電荷在輸出寄存器中累加，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)讀出，得到合并后的數(shù)字圖像。本發(fā)明根據(jù)CCD圖像傳感器的特點(diǎn)，在像素信號(hào)讀出前將信號(hào)在CCD圖像傳感器內(nèi)進(jìn)行合并，合并之后讀出，可以達(dá)到減少讀出像素的目的，且不會(huì)改變?cè)葓D像的平均灰度和亮度直方圖分布，從而實(shí)現(xiàn)在測(cè)光階段對(duì)CCD圖像傳感器讀出幀速的提高，以此來加速測(cè)光過程。
文檔編號(hào)H04N5/372GK102497516SQ20111039627
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者吳厚德, 李瑛 , 董麗麗, 許文海 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)