本發(fā)明屬于視頻圖像增強(qiáng)領(lǐng)域，具體涉及一種CMOS探測器的非均勻性校正方法。

背景技術(shù)：

科學(xué)發(fā)展的同時(shí)也推動著人們向更精細(xì)更微妙世界的探索步伐。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、控制和科學(xué)研究中，對各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸并處理已是必不可少的組成部分。以前受限于普通攝像技術(shù)的“凍結(jié)”能力不夠，在觀察研究具有一定速度的變化過程時(shí)常出現(xiàn)圖像歪斜甚至拖尾等模糊不清的現(xiàn)象，速度越高，這種不足就越明顯。在諸如爆炸分析、汽車碰撞分析、化學(xué)反應(yīng)分析、金屬焊接狀態(tài)分析、生物運(yùn)動分析等持續(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性強(qiáng)、規(guī)律性差的試驗(yàn)場合，傳統(tǒng)攝影技術(shù)已經(jīng)完全不能滿足需求，必須通過高速攝影來獲得有價(jià)值的信息。

高速攝影系統(tǒng)發(fā)展過程中最重要的飛躍之一是引入了CMOS圖像傳感器作為光器件。CMOS 圖像傳感器在80年代發(fā)展的初期受到了當(dāng)時(shí)低制造工藝的限制，商品化的過程很慢，一直無法打入高端市場。隨著近年來集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝水平的發(fā)展，CMOS在分辨率、靈敏度以及噪聲等影響畫面質(zhì)量的劣勢因素方面得到了很大程度的改進(jìn)，而其自身固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無法比擬的，這使得CMOS傳感器再次成為研究熱點(diǎn)。CMOS除了諸如集成度高、驅(qū)動簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)之外，其最大特點(diǎn)就是高速性。通常CCD 傳感器的分辨率與幀頻不可兼得，在追求高速拍攝時(shí)必然會損失畫質(zhì)，且提高了制造成本、增加了器件功耗。而由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和讀出方式的不同，CMOS傳感器并不存在幀頻與分辨率的折衷問題，可以在較高分辨率下達(dá)到比CCD高出幾十倍的輸出速度，為高速攝影領(lǐng)域提供了更合適的傳感器選擇。

但是，任何類型的圖像傳感器，都存在著不同程度的不均勻性問題。在理想情況下，當(dāng)圖像傳感器受均與光照時(shí)，輸出的視頻信號幅度應(yīng)該完全相同，但實(shí)際上，由于制作器件的半導(dǎo)體材料不均勻、掩膜誤差、缺陷以及工藝條件等客觀因素的影響，必然造成器件中光生電荷擴(kuò)散長度的差異，光子吸收深度的差異以及像元光敏面尺寸大小的差異，讀出電路的差異，同時(shí)圖像CMOS探測器本身也具有非線性特性。CMOS圖像傳感器同其他光電轉(zhuǎn)換器件一樣，存在著圖像的非均勻性問題。CMOS響應(yīng)的不均勻性對圖像的成像質(zhì)量有著很大的影響，特別是高精度的測量系統(tǒng)中顯得更加明顯。

目前關(guān)于圖像的非均勻性校正國內(nèi)外已有大量的報(bào)道，尤其是對紅外圖像存在的不均勻性校正問題早就有文獻(xiàn)記載，方法也比較多，總結(jié)起來提出的算法也比較多，應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中且常用的非均勻性校正方法包括：一點(diǎn)定標(biāo)法，兩點(diǎn)定標(biāo)法，多點(diǎn)定標(biāo)法。一點(diǎn)定標(biāo)法實(shí)質(zhì)上只是對器件的暗電流作了補(bǔ)償，并沒有對增益作校正，僅能在某一光輻照度下把各個(gè)像元的輸出信號校正為一致。兩點(diǎn)定標(biāo)法是在光敏單元的輸出與輻照度成線性關(guān)系的前提下建立的，它以某一直線為標(biāo)準(zhǔn)，通過選擇合適的斜率和偏置校正系數(shù)，將所有光敏單元的轉(zhuǎn)換特性均校正為與標(biāo)準(zhǔn)直線重合（即相同的線性函數(shù)），從而使所有的光敏單元在相同的輻照度下，有相同的輸出。多點(diǎn)定標(biāo)法是將圖像傳感器的光響應(yīng)區(qū)間分為若干個(gè)子區(qū)間，在每個(gè)子區(qū)間采用兩點(diǎn)定標(biāo)的線性校正算法。進(jìn)行分段線性校正要考慮子區(qū)間個(gè)數(shù)以及區(qū)間怎么劃分的問題。劃分的子區(qū)間越多，則分段線性校正的結(jié)果越好，但是實(shí)時(shí)存儲參數(shù)越多、計(jì)算復(fù)雜度越大、耗費(fèi)的時(shí)間越多，所以對于硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)非均勻性校正一般無法選取太多的分段區(qū)間。

黃楠，提出了一種高幀頻CMOS圖像的非均勻性校正系統(tǒng)（《計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用》，2012,04期：170-172），采用了兩點(diǎn)定標(biāo)和一點(diǎn)定標(biāo)法相結(jié)合，先求得兩點(diǎn)定標(biāo)法的增益校正因子和偏置校正因子，再求一點(diǎn)定標(biāo)法的偏置校正因子，求得的一點(diǎn)定標(biāo)法的偏置參數(shù)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)來自前面求得的兩點(diǎn)校正之后的數(shù)據(jù)，也就是最后的校正結(jié)果是兩點(diǎn)校正后的再校正。此方法雖然一定程度上克服了空間噪聲問題和線性度差的問題，但計(jì)算量較大，定標(biāo)的時(shí)間復(fù)雜度較大，計(jì)算復(fù)雜度也較大，而且校正的數(shù)據(jù)都是探測器輸出的數(shù)據(jù)，并沒有對探測器內(nèi)部進(jìn)行校正處理，效果一般。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種CMOS探測器的非均勻性校正方法，克服了計(jì)算量大、定標(biāo)的時(shí)間復(fù)雜度較大，以及CMOS探測器內(nèi)部的不均勻帶來的影響。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種CMOS探測器的非均勻性校正方法，包括以下步驟：

步驟1）對16通道輸出的CMOS探測器進(jìn)行標(biāo)定：

步驟1-1）對于16通道輸出的CMOS探測器，將CMOS探測器內(nèi)部每個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的偏置都配置為0。

步驟1-2）使CMOS探測器工作在任意一個(gè)低照度環(huán)境，待CMOS探測器工作穩(wěn)定后，確定任意一幀的各通道的輸出灰度均值L0、L1、L2...L14、L15，并確定上述通道輸出灰度均值的平均值LA。

步驟1-3）改變CMOS探測器的每個(gè)通道的ADC的偏置，使每個(gè)通道的輸出灰度均值都為LA，記下此時(shí)的各個(gè)通道的ADC偏置參數(shù)OS0、OS1、OS2...OS14、OS15。

步驟1-4）使CMOS探測器工作在任意一個(gè)高照度環(huán)境，待CMOS探測器工作穩(wěn)定后，確定任意一幀各通道的輸出灰度均值H0、H1、H2...H14、H15，結(jié)合低照度環(huán)境16通道輸出灰度均值的平均值LA，確定每個(gè)通道的增益參數(shù)K0、K1、K2...K14、K15。

步驟1-5）將每個(gè)通道的增益參數(shù)K0、K1、K2...K14、K15乘以2048，得到每個(gè)通道的放大增益參數(shù)G0、G1、G2...G14、G15。

步驟1-6）將每個(gè)通道的放大增益參數(shù)G0、G1、G2...G14、G15和各個(gè)通道的ADC偏置參數(shù)OS0、OS1、OS2...OS14、OS15存儲。

步驟2）CMOS探測器采集圖像數(shù)據(jù)，將上述標(biāo)定的偏置參數(shù)OS0、OS1、OS2...OS14、OS15直接配置到CMOS探測器的每個(gè)通道的ADC。

步驟3）將上述標(biāo)定的放大增益參數(shù)G0、G1、G2...G14、G15先乘以此時(shí)每個(gè)通道的輸出值，再除以2048，獲得最終校正值。

上述步驟1-4）中，每個(gè)通道的增益參數(shù)K0、K1、K2...K14、K15計(jì)算方法為：

高照度下每個(gè)通道的輸出灰度均值H0、H1、H2...H14、H15與低照度環(huán)境16通道輸出灰度均值的平均值LA相減，得到均值差HL0、HL1、HL2...HL14、HL15，即

HL0=H0-LA

HL1=H1-LA

HL2=H2-LA

HL14=H14-LA

HL15=H15-LA

找出上述16個(gè)值中的最大值HLmax，然后再除以每個(gè)通道的均值差得到對應(yīng)每個(gè)通道的增益參數(shù)K0、K1、K2...K14、K15，即

K0=HLmax/HL0

K1=HLmax/HL1

K2=HLmax/HL2

K14=HLmax/HL14

K15=HLmax/HL15

步驟1-2）中的低照度環(huán)境是指CMOS探測器的每幀圖像像素的輸出均值在200以下的環(huán)境。

步驟1-4）中的高照度環(huán)境是指CMOS探測器的每幀圖像像素的輸出均值在3000以上的環(huán)境。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）采用了一點(diǎn)定標(biāo)法的偏置和兩點(diǎn)定標(biāo)法的增益對CMOS探測器進(jìn)行校正，計(jì)算量較??；（2）采用先標(biāo)定后存儲，節(jié)約了硬件資源，降低了系統(tǒng)功耗；（3）與傳統(tǒng)的兩點(diǎn)定標(biāo)法的數(shù)據(jù)先乘以增益再加偏置相比，此方法只需將CMOS探測器輸出數(shù)據(jù)乘以增益，而偏置則是直接配置進(jìn)ADC，精度更高，校正效果也更好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種CMOS探測器的非均勻性校正方法流程圖。

圖2是本發(fā)明16通道輸出的CMOS探測器非均勻圖。

圖3是本發(fā)明真實(shí)場景的序列圖像和CMOS探測器的非均勻性校正算法效果圖，其中圖（a）為CMOS探測器輸出未經(jīng)過非均勻性校正算法的圖像；圖（b）為為經(jīng)過非均勻性校正算法處理的圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的本實(shí)施例的CMOS探測器的非均勻性校正方法的原理和具體步驟。

結(jié)合圖2，CMOS圖像傳感器由于采用先進(jìn)的制造工藝，可以更方便地將諸如時(shí)序驅(qū)動、增益調(diào)節(jié)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能模塊集成到芯片內(nèi)部，從而在提高集成度的同時(shí)降低功耗。CMOS圖像傳感器將光電二極管陣列和晶體管電路集成在同一硅片上，整個(gè)傳感器不再是單純的光-電轉(zhuǎn)換器件，更是一個(gè)包括像元陣列、行列地址開關(guān)、模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器和時(shí)序發(fā)生器在內(nèi)的圖像系統(tǒng)，如圖2所示。CMOS圖像CMOS探測器完成光積分后的電荷經(jīng)過模擬信號處理后達(dá)到CMOS探測器內(nèi)部的16路模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，由于制作工藝的差異、半導(dǎo)體材料的不均勻等原因使得16路ADC不完全一致，加上信號往這16路ADC傳輸路徑的差異使得信號經(jīng)過ADC后產(chǎn)生了非均勻性，具體表現(xiàn)為在均勻亮度下，某個(gè)或某幾個(gè)通道的輸出值與其他通道輸出值差異較大。

CMOS探測器內(nèi)部ADC的偏置是可以通過配置CMOS探測器寄存器來調(diào)節(jié)的，結(jié)合一點(diǎn)定標(biāo)法和兩點(diǎn)定標(biāo)法的思想，先將16路ADC的偏置都?xì)w零，在低照度時(shí)通過調(diào)節(jié)ADC的偏置將16路信號調(diào)至相同值，使得低照度時(shí)各路均勻，然后在高照度時(shí)取各路均值，與低照度均值計(jì)算出各路的增益參數(shù)，即可校正掉ADC所產(chǎn)生的圖像非均勻性問題。

結(jié)合圖1，本發(fā)明是一種CMOS探測器的非均勻性校正方法，具體方法步驟如下：

步驟1）對16通道輸出的CMOS探測器進(jìn)行標(biāo)定：

步驟1-1）首先，CMOS探測器上電工作后，將CMOS探測器內(nèi)部的16路模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的偏置都置為0，保證初始條件相同；

步驟1-2）使CMOS探測器工作在任意一個(gè)低照度環(huán)境（CMOS探測器的每幀圖像像素的輸出均值小于200）下，計(jì)算出每幀圖像16路各個(gè)通道的輸出灰度均值并實(shí)時(shí)觀察，待輸出穩(wěn)定后取出某一幀各個(gè)通道的輸出灰度均值L0、L1、L2...L14、L15，并計(jì)算出此16個(gè)灰度均值的平均值LA。

步驟1-3）通過配置CMOS探測器內(nèi)部寄存器來調(diào)節(jié)各路ADC的偏置，改變每路ADC偏置所對應(yīng)的寄存器值并實(shí)時(shí)觀察每幀圖像的每路輸出灰度均值，使得每路輸出灰度均值保持在16路灰度均值的平均值LA左右，記下每路ADC偏置所對應(yīng)的寄存器值OS0、OS1、OS2...OS14、OS15，此時(shí)CMOS探測器16路輸出值都在同一水平上。

步驟1-4）使CMOS探測器工作在任意一個(gè)高照度環(huán)境（CMOS探測器的每幀圖像像素的輸出均值大于3000），計(jì)算出每幀圖像16路各個(gè)通道的輸出灰度均值并實(shí)時(shí)觀察，待輸出穩(wěn)定后取出某一幀各個(gè)通道的輸出灰度均值H0、H1、H2...H14、H15，結(jié)合上述低照度下的各個(gè)通道輸出灰度均值，可以擬合出上述低照度條件到此高照度條件之間的各路通道的直線，由于低照度條件下CMOS探測器16路輸出值在同一水平上，即初始值相同，只需計(jì)算出各個(gè)通道直線的斜率即可。以高照度下每個(gè)通道的輸出灰度均值H0、H1、H2...H14、H15減去低照度環(huán)境16通道輸出灰度均值的平均值LA，得到均值差HL0、HL1、HL2...HL14、HL15，即

HL0=H0-LA

HL1=H1-LA

HL2=H2-LA

HL14=H14-LA

HL15=H15-LA

找出這16個(gè)值中的最大值HLmax，然后再除以每個(gè)通道的均值差得到對應(yīng)每個(gè)通道的增益參數(shù)K0、K1、K2...K14、K15，即

K0=HLmax/HL0

K1=HLmax/HL1

K2=HLmax/HL2

K14=HLmax/HL14

K15=HLmax/HL15

步驟1-5）上述計(jì)算出來的每個(gè)通道的增益參數(shù)K0、K1、K2...K14、K15均為1左右的小數(shù)，為提高精度并且易于硬件存儲，將此16個(gè)值乘以2048并取整數(shù)得到每個(gè)通道的放大增益參數(shù)G0、G1、G2...G14、G15。

步驟1-6）將每個(gè)通道的放大增益參數(shù)G0、G1、G2...G14、G15和各個(gè)通道的ADC偏置參數(shù)OS0、OS1、OS2...OS14、OS15存儲。

步驟2）CMOS探測器采集圖像數(shù)據(jù)，將上述偏置參數(shù)OS0、OS1、OS2...OS14、OS15直接配置到CMOS探測器的每個(gè)通道的ADC。

步驟3）將放大增益參數(shù)G0、G1、G2...G14、G15先乘以此時(shí)每個(gè)通道的輸出值，再除以2048，獲得最終校正值，至此便能完成對CMOS探測器模數(shù)轉(zhuǎn)換器差異所帶來的非均勻性的校正。

實(shí)施例1

采用LUXIMA公司LUX1310CMOS圖像CMOS探測器，16路數(shù)據(jù)輸出，分辨率為1280*1024，幀頻為1000幀每秒，采集到的圖像未經(jīng)過任何算法進(jìn)行處理，結(jié)合圖3，其中，圖3（a）為采集到的原始視頻中截取的一幀圖像，圖3（b）為經(jīng)過本發(fā)明提出的方法校正后的效果圖，在圖3（a）中由于CMOS探測器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的差異圖片上有大量豎條紋噪聲，經(jīng)過本發(fā)明提出的非均勻性校正方法處理后，豎條紋得到了良好的消除，圖像也平滑了許多，圖像質(zhì)量得到明顯提升。