專利名稱：快速高精度電子倍增ccd自動增益系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于針對高速實時電子倍増CCD微光成像系統(tǒng)特點提出的ー種快速高精度的電子倍増CCD自動增益控制技術，特別是ー種快速高精度電子倍増CCD自動增益系統(tǒng)及方法。
背景技術：
電子倍増CCD是采用了電子倍增技術的CCD，所謂電子倍増技術是指信號在傳送到讀出寄存器前經(jīng)過采用特殊技術的增益寄存器獲得電荷倍増的技木。由于電子倍増CCD對信號進行電荷級別的放大，與普通CCD相比有更高的靈敏度，可以在低照度下清晰成像。目前以電子倍増CXD為核心的電子倍増CXD成像系統(tǒng)在微光監(jiān)視、航天探測微弱星光、航空及水下探測、復雜設備內部檢測、醫(yī)學和生物等重要國民經(jīng)濟領域得到越來越廣泛的應用，應用前景非常廣泛。 成像質量的好壞對電子倍増CXD成像系統(tǒng)是至關重要，對于電子倍増CXD成像系統(tǒng)曝光強度的調整，可以通過改變曝光時間，也可以通過信號増益G來實現(xiàn)。但在高速成像系統(tǒng)中，曝光時間受到幀頻的限制，如1800幀的高速相機，曝光時間最長就不能超過1/lSOOs ;在某些對系統(tǒng)幀頻有特殊要求的情況下，實際的曝光時間可能很短，調整曝光時間就無法滿足幀頻的需要，這時候就需要通過自動増益技術調整增益值G來得到高質量的圖像。目前，在普通CXD成像系統(tǒng)中有相關的技術來實現(xiàn)增益的控制，但電子倍增CXD成像系統(tǒng)中的增益控制技術還不太成熟。同時電子倍増CCD成像系統(tǒng)的工作環(huán)境、成像特點與普通CCD成像系統(tǒng)有很大的區(qū)別，針對電子倍増CCD的成像特點，對成像質量的衡量標準需做修正。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供ー種快速高精度電子倍増CCD自動增益系統(tǒng)及方法，針對高速實時電子倍増CXD微光成像系統(tǒng)，通過AD芯片采集實時圖像信號，運用FPGA芯片對圖像信號進行快速計算分析得到最佳的增益調整值，由得到的增益值調整電子倍増CCD倍増極上的電壓值，實現(xiàn)對不同場景的自動增益，提高成像質量。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為ー種快速高精度電子倍増CCD自動增益系統(tǒng)，由EMCXD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路、增益電阻查找表以及時序電平轉化電路組成，其中所述的EMCXD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路依次相連，該FPGA芯片與時序電平轉化電路相連，該時序電平轉化電路與EMCCD芯片相連；EMCCD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號轉化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得出下一步調整所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅動EMCCD芯片的時序信號；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉化為倍增電路中的電阻值，調整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)脑霰峨娐冯娮柚担{整加載到EMCCD芯片端的驅動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調節(jié)。ー種快速高精度電子倍増CXD自動增益方法，EMCXD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號轉化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得到直接增益調節(jié)和逐次逼近增益調節(jié)所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅動EMCCD芯片的時序信號；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉化為倍增電路中的電阻值，調整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)谋对鲭娐冯娮柚?，調整加載到EMCCD芯片端的驅動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調節(jié)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點(I)電子倍増CCD成像系統(tǒng)主要在微光環(huán)境中使用。成像的光照條件相對簡單，所成的微光圖像對比度很低，圖像灰度范圍在直方圖上靠近低灰度值區(qū)域，隨著外界 光照強度的降低，得到的微光圖像的對比度和亮度也隨之下降，直方圖的灰度范圍隨之變小，中心向低灰度值方向偏移。(2)電子倍増CCD使用了片上增益技術，在使用増益時電子倍増C⑶將產(chǎn)生熱點噪聲，在圖像上這些噪聲表現(xiàn)為亮點，在直方圖上靠近高灰度區(qū)域。隨著增益值的増大，圖像的亮度増大，細節(jié)分辨率也隨之增加，但噪聲也隨之増大。噪聲的產(chǎn)生將影響圖像的質量，有時甚至淹沒圖像信息。因此在衡量電子倍増CCD成像系統(tǒng)的成像質量時既要考慮圖像的亮度，也要考慮圖像的噪聲。(3)該電子倍増CCD自動增益方法采用増益雙調節(jié)方式，分別是以加權均值作為調節(jié)標準的直接増益調節(jié)方式，和以熱點總像素比作為調節(jié)標準的逐次逼近增益調節(jié)方式。由直接増益調節(jié)完成増益的粗調節(jié)，粗調過后采用逐次逼近的方法完成増益的微調。粗調保證増益調節(jié)的快速，微調提高増益調節(jié)的精度。下面結合圖對本發(fā)明作進ー步詳細描述。圖說明圖I是電子倍増CXD自動增益成像系統(tǒng)設計框圖。圖2是直接増益調節(jié)流程圖。圖3是逐次逼近增益調節(jié)流程圖。圖4是整個系統(tǒng)自動增益流程圖。圖5增益值與倍增極電壓關系圖。圖6增益電阻查找表。圖7采用本技術得到的圖像。圖8未采用自動增益得到的圖像I。圖9未采用自動增益得到的圖像2。
具體實施例方式圖I為電子倍増CXD自動增益成像系統(tǒng)設計框圖。整個系統(tǒng)由EMCXD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路、増益電阻查找表以及時序電平轉化電路組成，其中所述的EMCXD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路依次相連，該FPGA芯片與時序電平轉化電路相連，該時序電平轉化電路與EMCCD芯片相連。EMCXD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片；AD采集芯片將模擬圖像信號轉化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片；FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得出下一步調整所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表。除了計算増益值，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅動EMCCD芯片的時序信號(采樣信號以及配置信號、數(shù)字圖像信號、時序信號是分別在FPGA芯片芯片內通過寫入相應的模塊實現(xiàn)，具體的實現(xiàn)的方法為本領域技術人員的常規(guī)技術)；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉化為倍增電路中的電阻值，調整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)脑霰峨娐冯娮柚?，調整加載到EMCCD芯片端的驅動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調節(jié)。 作為系統(tǒng)的控制核心FPGA芯片內部主要由時序發(fā)生模塊、AD配置模塊、増益調節(jié)模塊以及數(shù)字圖像輸出模塊組成。時序發(fā)生模塊用于產(chǎn)生驅動EMCCD芯片的時序信號以及AD采集時序信號；AD配置模塊用于產(chǎn)生AD采集芯片所需的配置信息；增益調節(jié)模塊用于增益值計算以及增益值的調節(jié)；數(shù)字圖像輸出模塊將圖像數(shù)字信號輸出給外部的圖像輸出電路。EMCXD芯片的增益值由加載到EMCXD芯片倍增極上的電壓值決定，圖5為TI公司生產(chǎn)的TC253系列EMCCD芯片增益值與倍增極電壓關系圖，圖中CMG為倍增極電壓，CCMGain為增益值。倍增極電壓CMG與增益值CCM Gain——對應，倍增極電壓CMG的大小決定了增益值CMG Gain的大小。通過改變EMCXD芯片倍增極電壓可改變EMCXD芯片的增益值。倍增電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生加載到EMCCD芯片倍增極上的電壓，電壓值的大少由接入電路中的電阻值決定，通過改變電阻值的大小就可改變倍增極電壓，從而改變EMCCD芯片的增益值。整個增益調節(jié)可分為兩大步驟，第一歩直接増益調節(jié)，第二步為逐次逼近增益調節(jié)。第一歩直接増益調節(jié)直接增益調節(jié)是在EMCXD芯片采集完ー幀的圖像數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)中FPGA芯片對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理，得到當前幀的加權平均亮度值Yn ;計算出Gn+1，即系統(tǒng)需要調整到的增益值，計算出Gn+1后，F(xiàn)PGA芯片將Gn+1值發(fā)送到增益電阻查找表中得到倍増電路電阻值，系統(tǒng)按照電阻值調整電路參數(shù)改變系統(tǒng)的增益值，具體過程為采用加權灰度均值Y作為自動増益整體亮度的衡量標準，對于成像系統(tǒng)圖像的平均灰度Ya為
~YjnjxYjYa = ^1- (k = 0，1，2， ，2m) (I)
./=0式中Y〗代表圖像中第j級灰度，Iij是Y〗的數(shù)量，m是成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)位數(shù)；以Ya為圖像灰度值的分界點，計算出高于Ya的平均灰度值YaH，低于Ya的平均灰度值Yf a為Yas和Y&的分界點
權利要求
1.一種快速高精度電子倍增CCD自動增益系統(tǒng)，其特征在于由EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路、增益電阻查找表以及時序電平轉化電路組成，其中所述的EMCXD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路依次相連，該FPGA芯片與時序電平轉化電路相連，該時序電平轉化電路與EMCXD芯片相連；EM(XD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號轉化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得出下一步調整所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅動EMCCD芯片的時序信號；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉化為倍增電路中的電阻值，調整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)脑霰峨娐冯娮柚?，調整加載到EMCCD芯片端的驅動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調節(jié)。
2.一種快速高精度電子倍增CCD自動增益方法，其特征在于EMCCD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號轉化為數(shù)字圖像信號傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號后進行實時計算得到直接增益調節(jié)和逐次逼近增益調節(jié)所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號以及配置信號，同時產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號，以及驅動EMCCD芯片的時序信號；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號；增益對照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉化為倍增電路中的電阻值，調整系統(tǒng)的倍增值；時序電平轉化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時序信號以及增益對照表傳輸?shù)谋对鲭娐冯娮柚?，調整加載到EMCCD芯片端的驅動信號時序與信號電壓值來實現(xiàn)增益的自動調節(jié)。
3.根據(jù)權利要求2所述的快速高精度電子倍增CCD自動增益方法，其特征在于直接增益調節(jié)是在EMCCD芯片采集完一幀的圖像數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)中FPGA芯片對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理，得到當前幀的加權平均亮度值Yn;計算出Gn+1，即系統(tǒng)需要調整到的增益值，計算出Gn+1后，F(xiàn)PGA芯片將Gn+1值發(fā)送到增益電阻查找表中得到倍增電路電阻值，系統(tǒng)按照電阻值調整電路參數(shù)改變系統(tǒng)的增益值，具體過程為 采用加權灰度均值Y作為自動增益整體亮度的衡量標準，對于成像系統(tǒng)圖像的平均灰度之為
4.根據(jù)權利要求2所述的快速高精度電子倍增CCD自動增益方法，其特征在于經(jīng)過直接增益調節(jié)后，電子倍增CCD成像系統(tǒng)在當前增益下，成像的平均亮度達到圖像的理想亮度值Ytl,然后采用逐次逼近增益調節(jié)的方法，尋找最佳的增益值，使熱點總像素比N值最小，逐次逼近增益調節(jié)步驟如下1)計算出當前幀的倍增噪聲比Νη，
5.根據(jù)權利要求2所述的快速高精度電子倍增CCD自動增益方法，其特征在于在調節(jié)增益之前必須找到增益值與電阻值之間的對應關系，將增益值轉換為電阻值，通過調節(jié)電阻值來實現(xiàn)對增益值的控制，采用增益電阻查找表實現(xiàn)增益值與電阻值之間的轉換，增益電阻查找表中存放著與增益值相對應的電阻值，在FPGA芯片內部建立一張增益電阻查找表，將增益值和與之相對應的電阻值存放在查找表中，所述的增益電阻查找表是以直接調節(jié)增益值Gn作為查找表的地址，系統(tǒng)將直接調節(jié)增益值分為N檔，分別為GO、Gl......GN,對應的直接調節(jié)電阻值也分為N檔，分別為RO、Rl......RN,逐次逼近增益調節(jié)將直接增益調節(jié)電阻值Rn作為起始電阻，以△ R作為電阻最小分度值，將電阻分為M檔，分別為Rn、Rn+AR......Rn+MX Λ R ;直接增益計算得到下一步調整的增益值Gn+1，通過查找增益電阻查找表得到直接調節(jié)電阻值Rn+1，以Rn+1調整接入倍增電壓產(chǎn)生電路的電阻值，使系統(tǒng)增益達到Gn+1 ;直接增益完成后進入逐次逼近增益調節(jié)，在逐次逼近增益調節(jié)過程中，從Rn+1、Rn+1+ AR......Rn+1+MX ΔR逐次增加接入倍增電壓產(chǎn)生電路的電阻值，通過比較當前幀的Nn與上一幀的Nlri，得到最佳的增益值，經(jīng)逐次逼近增益調節(jié)得到的最佳增益值就是系統(tǒng)最終的增益值G。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速高精度電子倍增CCD自動增益系統(tǒng)及方法，由EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路、增益電阻查找表以及時序電平轉化電路組成，其中所述的EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路依次相連，該FPGA芯片與時序電平轉化電路相連，該時序電平轉化電路與EMCCD芯片相連。本發(fā)明是針對高速實時電子倍增CCD微光成像系統(tǒng)，通過AD芯片采集實時圖像信號，運用FPGA芯片對圖像信號進行快速計算分析得到最佳的增益調整值，由得到的增益值調整電子倍增CCD倍增極上的電壓值，實現(xiàn)對不同場景的自動增益，提高成像質量。
文檔編號H04N5/372GK102769723SQ20121010748
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者于雪蓮, 何偉基, 屈惠明, 張毅, 張聞文, 柏連發(fā), 路東明, 錢惟賢, 陸震熙, 陳錢, 隋修寶, 顧國華 申請人:南京理工大學