專利名稱：光學(xué)成像相機(jī)的中高頻mtf在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)成像相機(jī)的中高頻MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)成像相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，光、機(jī)、電、信號(hào)處理的設(shè)計(jì)具有相對(duì)較強(qiáng)的獨(dú)立性，其工作過(guò)程如下光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的并行光學(xué)圖像信息輸入到圖像傳感器后，圖像傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出離散的模擬圖像信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)電子學(xué)處理電路進(jìn)行低噪聲、小信號(hào)放大， 然后采用相關(guān)雙采樣(CDQ消除相關(guān)噪聲，再對(duì)去除相關(guān)噪聲的視頻圖像信號(hào)進(jìn)行增益放大和調(diào)整，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路對(duì)模擬圖像進(jìn)行數(shù)字量化，輸出量化后的數(shù)字圖像。根據(jù)傅里葉光學(xué)理論，經(jīng)典光學(xué)成像相機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)是一個(gè)低通濾波器，景物或目標(biāo)圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)后，其高頻信息嚴(yán)重丟失、中頻信息被衰減，使得獲取的圖像細(xì)節(jié)信息比較模糊，需要進(jìn)行光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)補(bǔ)償(Modulation Transfer Function, 縮寫為MTF)的圖像復(fù)原。中國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?00810191794.9的發(fā)明專利公開(kāi)了一種基于MTF補(bǔ)償?shù)膱D像復(fù)原方法，該發(fā)明通過(guò)指數(shù)調(diào)節(jié)MTF曲線的下降趨勢(shì)，并將奈奎斯特頻率處的MTF值調(diào)升到0.5左右，該發(fā)明能夠在增強(qiáng)圖像的紋理細(xì)節(jié)的同時(shí)不增大噪聲；中國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?201010543517. 7的發(fā)明專利公開(kāi)了一種基于最佳核形狀的小波MTF補(bǔ)償方法，可以為在軌動(dòng)態(tài)MTF較低的成像系統(tǒng)提供MTF提升，提高圖像質(zhì)量等級(jí)，改善系統(tǒng)性能。但以上方法均為傳統(tǒng)的后處理MTF增強(qiáng)或補(bǔ)償方法，需要大量計(jì)算和重新量化處理，無(wú)法兼顧補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性和原始數(shù)據(jù)保真性。因此，急需要提供一種對(duì)中高頻信息在線增強(qiáng)和補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)成像相機(jī)的中高頻MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法，本發(fā)明的方法根據(jù)光學(xué)成像相機(jī)中光學(xué)系統(tǒng)和圖像傳感器的低通濾波器特性，采用多級(jí)狀態(tài)可調(diào)中高頻圖像信息補(bǔ)償與增強(qiáng)的低通濾波技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的模擬圖像信號(hào)進(jìn)行中高頻信息在線增強(qiáng)和補(bǔ)償，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明的方法，是在光學(xué)成像相機(jī)的信號(hào)處理電路中，在視頻增益放大電路之后、 A/D電路之前增加不少于一個(gè)的MTF在線補(bǔ)償單元，所述的MTF在線補(bǔ)償單元由一個(gè)狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器和一個(gè)對(duì)應(yīng)的阻抗匹配電路構(gòu)成。上述的MTF在線補(bǔ)償單元的數(shù)目為兩個(gè)或以上。上述的MTF在線補(bǔ)償單元中的狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器，是由三個(gè)運(yùn)算放大器串行連接組成。所述的阻抗匹配電路，的放大倍數(shù)為1，輸入阻抗為無(wú)窮大，輸出阻抗為0。
本發(fā)明還涉及采用上述方法進(jìn)行中高頻MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)的光學(xué)成像相機(jī)本發(fā)明的方法可有效改善圖像中高頻細(xì)節(jié)信息，提高圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF和圖像信噪比SNR，獲取像質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)圖像，有利于圖像的視覺(jué)解釋、判讀或計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀和識(shí)別。同時(shí)，本發(fā)明的方法能夠提高光學(xué)成像相機(jī)電子學(xué)中高頻圖像信息增強(qiáng)和補(bǔ)償能力，從而實(shí)現(xiàn)在適當(dāng)降低的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)精度要求的情況下，仍然可以獲得像質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)數(shù)字圖像，實(shí)現(xiàn)真正的光、機(jī)、電、信號(hào)處理一體化光學(xué)成像相機(jī)的設(shè)計(jì)。


圖1 光學(xué)成像系統(tǒng)中有MTF在線補(bǔ)償單元時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖；圖2 =MTF 二級(jí)在線補(bǔ)償單元的結(jié)構(gòu)流程圖；圖3 阻抗匹配電路的電路示意圖；圖4 狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)濾波器的電路圖；圖5 品質(zhì)因子Q較小時(shí)可調(diào)中高頻信息增強(qiáng)濾波器頻率特性圖；圖6 品質(zhì)因子Q較大時(shí)可調(diào)中高頻信息增強(qiáng)濾波器頻率特性圖；圖7 二級(jí)串聯(lián)中高頻信息增強(qiáng)處理后系統(tǒng)的頻率信息變化情況示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法是在光學(xué)成像相機(jī)的信號(hào)處理電路中，在視頻增益放大電路和A/D 量化電路單元之間加入了 MTF在線補(bǔ)償單元，所述的MTF在線補(bǔ)償單元由一個(gè)狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器和一個(gè)對(duì)應(yīng)的阻抗匹配電路構(gòu)成。上述的MTF在線補(bǔ)償單元中的狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器，是由三個(gè)運(yùn)算放大器按圖4電路串行連接組成(圖4，01-03代表運(yùn)算放大器)，具有如圖5所示的可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器的頻率特性，同時(shí)三個(gè)運(yùn)算放大器串行連接可以使電路系統(tǒng)的頻率特性在中高頻擁有較大的放大倍數(shù)，能夠?qū)ψ杩蛊ヅ淠K電路輸出的圖像中高頻信息進(jìn)行增強(qiáng)和補(bǔ)償，同時(shí)有效抑制高頻噪聲，即實(shí)現(xiàn)電路既能穩(wěn)定工作，避免電路產(chǎn)生振蕩、振鈴或反射，又能有效補(bǔ)償和增強(qiáng)中高頻圖像信息、抑制高頻噪聲。所述的阻抗匹配電路，采用單元增益放大器的電壓跟隨器，該匹配電路的放大倍數(shù)為1，輸入阻抗為無(wú)窮大，輸出阻抗為0。能夠有效的對(duì)電路系統(tǒng)模塊前后之間的阻抗進(jìn)行匹配，避免電路阻抗不匹配引起的電路反射、振鈴或振蕩，保證電路模塊之間圖像信號(hào)的有效、無(wú)失真?zhèn)鬟f，保證電路的穩(wěn)定性。光學(xué)成像相機(jī)的信號(hào)處理電路如圖1所示為光學(xué)成像系統(tǒng)所觀測(cè)的景物或目標(biāo) ①經(jīng)過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)②接收，處理后的光學(xué)圖像為圖像傳感器③(包括(XD、TDI(XD、I(XD、 CMQS或其他類型的光電轉(zhuǎn)換的面陣或線陣圖像傳感器)，它并行接收光學(xué)成像系統(tǒng)②輸出的光學(xué)圖像后，光電轉(zhuǎn)換輸出小信號(hào)模擬圖像信號(hào)；經(jīng)過(guò)低噪聲、小信號(hào)前放電路④對(duì)圖像傳感器③輸出的圖像信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大，輸出一次放大的圖像信號(hào)；把經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大的圖像信號(hào)輸入到相關(guān)雙采樣電路CDS⑤，對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)噪聲進(jìn)行差分去除相關(guān)噪聲處理，輸出的高信噪比圖像信號(hào)；對(duì)高信噪比圖像信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)視頻增益放大⑥，使圖像信號(hào)的幅度較好的適應(yīng)后續(xù)A/D處理的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)；視頻增益放大后的圖像視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)MTF在線補(bǔ)償單元⑦，對(duì)圖像的中高頻信息進(jìn)行的補(bǔ)償和增強(qiáng)處理，輸出細(xì)節(jié)信息豐富的視頻圖像信號(hào)；再經(jīng)過(guò)A/D量化單元量化⑧處理后，輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像。本發(fā)明所提出的MTF在線補(bǔ)償單元基于多級(jí)狀態(tài)可調(diào)中高頻信號(hào)補(bǔ)償與增強(qiáng)的濾波技術(shù)，圖2為一個(gè)二級(jí)狀態(tài)可調(diào)MTF中高頻在線補(bǔ)償與增強(qiáng)的電路結(jié)構(gòu)框圖，其中信號(hào)跟隨與阻抗匹配電路1 (具體見(jiàn)圖3)用于匹配各電路模塊之間的阻抗，同時(shí)能夠有效跟隨信號(hào)的變化；狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)與補(bǔ)償?shù)屯V波器2 (具體見(jiàn)圖4)為MTF補(bǔ)償環(huán)節(jié)的1、 2兩級(jí)。類似的可增加更多級(jí)狀態(tài)可調(diào)中高頻圖像信息增強(qiáng)的低通濾波器技術(shù)單元進(jìn)行串聯(lián)，對(duì)相關(guān)雙采樣輸出的模擬視頻圖像信號(hào)進(jìn)行中高頻增強(qiáng)與補(bǔ)償處理，這樣就能夠構(gòu)成多級(jí)MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)處理功能。如果只采用一個(gè)的MTF在線補(bǔ)償單元進(jìn)行圖像中高頻信息補(bǔ)償與增強(qiáng)處理時(shí)，單純的調(diào)整濾波系統(tǒng)的品質(zhì)因子Q，可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和圖像傳感器的低通濾波效應(yīng)造成的圖像中高頻信息衰減進(jìn)行增強(qiáng)和補(bǔ)償處理。但是，如圖6所示，較大的品質(zhì)因子Q會(huì)引起兩個(gè)問(wèn)題(1)較大的電路品質(zhì)因子Q值會(huì)使中高頻信息補(bǔ)償與增強(qiáng)處理的帶寬變窄，而其它更寬頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)將不能得到有效的增強(qiáng)和補(bǔ)償；( 品質(zhì)因子Q太大會(huì)引起電路振蕩或產(chǎn)生振鈴，導(dǎo)致補(bǔ)償后的圖像振鈴效應(yīng)影響明顯，從而導(dǎo)致圖像信號(hào)失真。為了克服單純提高狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)濾波器品質(zhì)因子Q值所產(chǎn)生的問(wèn)題，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)濾波電路多級(jí)串聯(lián)的方式進(jìn)行循序漸進(jìn)的中高頻補(bǔ)償與增強(qiáng)處理，采用較小品質(zhì)因子Q值。如圖7所示，采用兩級(jí)補(bǔ)償與增強(qiáng)技術(shù)的頻率特性。曲線I為光學(xué)成像系統(tǒng)無(wú)MTF在線補(bǔ)償和增強(qiáng)處理時(shí)的系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；曲線 II為光學(xué)成像系統(tǒng)增加了一級(jí)小品質(zhì)因子的中高頻信息補(bǔ)償?shù)腗TF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)的系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；曲線III為光學(xué)成像系統(tǒng)增加了二級(jí)小品質(zhì)因子的中高頻信息補(bǔ)償?shù)腗TF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)的系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。從三條調(diào)制傳遞函數(shù)曲線的變化趨勢(shì)可以看出，經(jīng)過(guò)狀態(tài)可調(diào)的中高頻補(bǔ)償?shù)屯V波技術(shù)能夠有效補(bǔ)償和增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)的中頻信息。上述的結(jié)果表明，本發(fā)明的方法可有效地對(duì)光學(xué)成像相機(jī)的中高頻MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)成像相機(jī)的中高頻MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法，其特征在于，所述的方法是在光學(xué)成像相機(jī)的信號(hào)處理電路中，在視頻增益放大電路之后、A/D電路之前增加不少于一個(gè)的MTF在線補(bǔ)償單元；所述的MTF在線補(bǔ)償單元由一個(gè)狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器和一個(gè)對(duì)應(yīng)的阻抗匹配電路構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法，其特征在于所述的MTF在線補(bǔ)償單元的數(shù)目為兩個(gè)。
3.如權(quán)利要求1所述的在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法，其特征在于所述的MTF在線補(bǔ)償單元中的狀態(tài)可調(diào)中高頻增強(qiáng)低通濾波器，是由三個(gè)運(yùn)算放大器串行連接組成。
4.如權(quán)利要求1所述的在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法，其特征在于所述的阻抗匹配電路的放大倍數(shù)為1，輸入阻抗為無(wú)窮大，輸出阻抗為0。
5.一種光學(xué)成像相機(jī)，所述的相機(jī)采用權(quán)利要求1所述的方法進(jìn)行中高頻MTF的在線補(bǔ)償與增強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像相機(jī)的中高頻MTF在線補(bǔ)償與增強(qiáng)方法，其特征在于，是在光學(xué)成像相機(jī)的信號(hào)處理電路中，在視頻增益放大電路之后、A/D電路之前增加不少于一個(gè)的MTF在線補(bǔ)償單元。本發(fā)明的方法可有效改善圖像中高頻細(xì)節(jié)信息，提高圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF和圖像信噪比SNR，獲取像質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)圖像，有利于圖像的視覺(jué)解釋、判讀或計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀和識(shí)別。同時(shí)，本發(fā)明的方法能夠提高光學(xué)成像相機(jī)電子學(xué)中高頻圖像信息增強(qiáng)和補(bǔ)償能力，從而實(shí)現(xiàn)在適當(dāng)降低的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)精度要求的情況下，仍然可以獲得像質(zhì)優(yōu)良的光學(xué)數(shù)字圖像，實(shí)現(xiàn)真正的光、機(jī)、電、信號(hào)處理一體化光學(xué)成像相機(jī)的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)H04N5/232GK102510444SQ201110376289
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者溫亞楠, 田維堅(jiān), 董會(huì) 申請(qǐng)人:青島市光電工程技術(shù)研究院