CN101635782A - 一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法及器件 - Google Patents

Abstract

一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法及器件，由CCD/CMOS感光元件和TDI－CCD组成图像获取器件，通过对CCD/CMOS感光元件所读图像的分析控制TDI－CCD的积分时间，在图像未Blooming之前读出，最后进行图像处理得出景物图像。本发明根据景物图像的实际情况控制TDI－CCD的积分时间，使图像在未Blooming之前读出而不造成图像质量损失，最大限度保证TDI－CCD的积分时间，较好的保留了TDI－CCD的积分时间长的优势，并且得出的图像与景物光强成正比，因此本发明既能防止图像产生Blooming现象，保证图像不失真，又可以提高图像的信噪比。

Description

一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法及器件

技术领域

本发明属于图像获取技术领域，涉及时间延迟积分TDI(Time-Delayed Integration)技术，在此之上提出一种动态时间延迟积分DTDI(Dynamic Time-Delayed Integration)技术，为一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法及器件。

背景技术

TDI-CCD(Time-Delayed Integration CCD)，即时间延迟积分CCD，是近几年发展起来的一种新型光电传感器，主要应用于遥感相机。TDI(Time-Delayed Integration)技术利用将扫描景物的速度和TDI-CCD中电荷搬运速度相匹配的方式来增加CCD的积分时间的技术。将TDI技术应用到CCD上就形成了TDI-CCD，它主要运用于景物和相机之间有着较快相对移动的情况，具有高信噪比、动态范围宽等优点，特别是在景物辐射强度较低的情况下也能输出一定信噪比的信号，可以显著提高输出图像质量。因此TDI-CCD器件一出现，便在工业检测、空间探测、航天遥感、微光夜视探测等领域中得到了广泛的应用。

由于TDI技术显著提高了CCD的积分时间，TDI-CCD的信噪比SNR会显著增强，但同时景物的某些辐射强度很强的点会使得TDI-CCD的对应像素处达到饱和状态，产生高光溢出Blooming现象，使得TDI-CCD得出的图像质量显著降低。

现有的Blooming的几种解决办法(Anti-Blooming技术)，其基本思想是将Blooming产生的过量电子除去，但是会使得CCD输出与景物光强呈非线性，所得的图像不适用于遥感等方面的科学研究。

发明内容

本发明要解决的问题是：如何获取未Blooming而且有较高SNR的未失真的景物图像。

本发明的技术方案为：一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法，利用由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成图像获取器件，由CCD/CMOS感光元件首先读入图像，通过对所读图像的分析得出TDI-CCD各像点产生高光溢出Blooming现象的时间，在TDI-CCD扫描的过程中根据产生Blooming现象的时间对TDI-CCD的积分时间进行控制，在图像未Blooming之前读出，不造成图像质量的损失，再根据TDI-CCD读图的实际时间序列对读出的图像数据进行处理，得出实际图像。

本发明方法包括以下步骤：

a)、进行CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD的校准，得出CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD响应率之间的关系；

b)、CCD/CMOS感光元件首先进行拍摄并得出景物图像，定义图像的列方向为垂直于景物扫描读取的方向，求出CCD/CMOS感光元件图像每列光强的极大值；

c)、根据每列光强的极大值和CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD响应率的关系计算各列图像的像点在TDI-CCD中产生Blooming现象前最长的积分时间，得到由各列最长积分时间组成的积分时间序列E₀；

d)、由积分时间序列E₀控制TDI-CCD的积分时间，得到不产生Blooming现象的景物图像：TDI-CCD利用将扫描景物的速度和TDI-CCD中电荷搬运速度相匹配的方式增加CCD的积分时间，在TDI-CCD的读入端读入新一列图像的同时，在另一侧的读出端读出已完成时间延迟积分的一列图像，所完成的积分时间T取决于TDI-CCD的积分级数以及扫描景物的速度；在TDI-CCD读出端读出一列图像数据后，将TDI-CCD中各列图像当前完成的积分时间加上读出端相邻列读出的时间间隔，与E₀中该列的数值进行比较，如果小于E₀中对应的最长积分时间，则依照TDI-CCD原本的工作方式将完成TDI-CCD积分的各列图像依次读出；如果大于或等于E₀中对应的最长积分时间，则将当前位于TDI-CCD中的所有列图像数据全部同时读出；然后再开始扫描读入新一列景物的图像，这样可以在不产生Blooming现象的前提下得到景物的图像；

e)、根据积分时间序列E₀和TDI-CCD的积分级数，利用计算机程序进行步骤g)中描述的TDI-CCD工作过程的模拟，得到TDI-CCD对每列图像实际完成的积分时间，由各列图像实际完成的积分时间组成实际积分时间序列E；

f)、由TDI-CCD所得图像和实际积分时间序列E恢复景物图像：将TDI-CCD所得的各列图像数据除以其在实际积分时间序列E中对应的实际的积分时间，再乘以TDI-CCD积分时间T，得到景物图像。

本发明图像获取方法的图像获取器件，由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成动态时间延迟积分CCD，即DTDI-CCD，CCD/CMOS感光元件放置在TDI-CCD的一侧，使得景物在扫描过程中首先在CCD/CMOS感光元件上成像，然后再输入TDI-CCD。

根据CCD/CMOS感光元件种类，DTDI-CCD分为两种硬件实施方式，一是CCD/CMOS感光元件为面阵CCD/CMOS，另一种是CCD/CMOS感光元件为线阵CCD/CMOS；对于面阵CCD/CMOS，使面阵CCD/CMOS和TDI-CCD的间距d＞vΔt，Δt为从CCD/CMOS感光元件获得图像，到计算出各列图像的像点在TDI-CCD中产生Blooming现象前最长积分时间这一处理过程的时间，v是图像在CCD/CMOS上的移动速度；对于线阵CCD/CMOS，使线阵CCD/CMOS和TDI-CCD的间距d＞vΔt+stage·s，stage为TDI-CCD的积分级数，s为线阵CCD/CMOS像素的在扫描景物方向上的长度。

本发明图像获取器件的CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD的间距提供足够的时间，保证在TDI-CCD开始扫描图像之前，已经得到确定的积分时间序列E₀，便于后面的积分时间控制。

本发明提出了一种基于动态时间延迟积分DTDI(Dynamic Time DelayedIntegration)技术，由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成的动态时间延迟积分CCD，即DTDI-CCD，可以根据景物图像的实际情况，控制TDI-CCD的积分时间，使得图像在未Blooming之前读出，不造成图像质量的损失。CCD/CMOS感光元件由于只起到确定发生Blooming的像点的积分时间的作用，其得到的图像并不会用来作为最终结果，因而可以采用较低分辨率的元件来降低成本。另外，图像信噪比 $\mathrm{SNR}=\frac{N_S}{\sqrt{N_S+N_{\mathrm{other}}}}\≈\frac{\mathrm{Rt}}{\sqrt{\mathrm{Rt}+N_{\mathrm{other}}}}\·\sqrt{t},$ 其中Ns是CCD接收到图像的光子数，R是每秒接收的光子数，N_other是CCD噪声，可见增长CCD积分时间可以显著增强景物的信噪比SNR。本发明可在在不产生Blooming现象的前提下最大限度保证原TDI-CCD技术的积分时间，较好的保留了TDI-CCD的积分时间长的优势，因此DTDI技术既能防止图像产生Blooming现象，又提高图像的信噪比SNR。同时，由目前anti-blooming技术得到的图像与景物的光强值的关系是非线性的，而这种DTDI技术得到的图像是正比于景物光照强度值，更加适合科学研究。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为本发明CCD/CMOS感光元件为面阵CCD/CMOS的实施方式。

图3为本发明CCD/CMOS感光元件为线阵CCD/CMOS的实施方式。

图4为本发明的流程图。

图5为TDI-CCD输出的Blooming图像。

图6为本发明得出的景物图像。

具体实施方式

本发明的DTDI-CCD由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成，CCD/CMOS感光元件首先进行拍摄并得出图像，通过对CCD/CMOS感光元件所得图像的分析得出各像点产生高光溢出Blooming现象的时间，据此对TDI-CCD的积分时间进行控制，在图像未Blooming之前读出，不造成图像质量的损失，再根据各列图像在TDI-CCD中实际完成的积分时间对读出的图像进行处理，得出实际图像。

本发明的器件及图像获取具体实施如下：

a)、DTDI-CCD由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成，CCD/CMOS感光元件和放置在TDI-CCD的一侧，使得景物在扫描过程中首先在CCD/CMOS感光元件上成像；

b)、进行CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD的校准，得出CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD响应率之间的关系；

c)、DTDI-CCD根据CCD/CMOS感光元件选取种类的不同有两种硬件实施方式，一是CCD/CMOS感光元件部件选取面阵CCD/CMOS，如图2所示，另一种是CCD/CMOS感光元件部件选取线阵CCD/CMOS，如图3所示；

d)、对于面阵CCD/CMOS，使面阵CCD/CMOS和TDI-CCD的间距d＞vΔt，Δt为从CCD/CMOS感光元件获得图像，到计算出各列图像的像点在TDI-CCD中产生Blooming现象前最长积分时间这一处理过程的时间，可通过计算机模拟这一过程获得，v是图像在CCD/CMOS上的移动速度；对于线阵CCD/CMOS，使线阵CCD/CMOS和TDI-CCD的间距d＞vΔt+stage·s，stage为TDI-CCD的积分级数，s为线阵CCD/CMOS像素的在扫描景物方向上的长度；

e)、CCD/CMOS感光元件首先进行拍摄并得出景物图像，定义图像的列方向为垂直于景物扫描读取的方向，求出CCD/CMOS感光元件图像每列光强的极大值；

f)、根据每列光强的极大值和CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD响应率的关系计算各列图像的像点在TDI-CCD中产生Blooming现象前最长的积分时间，得到由各列最长积分时间组成的积分时间序列E₀；

g)、由积分时间序列E₀控制TDI-CCD的积分时间，得到不产生Blooming现象的景物图像：TDI-CCD利用将扫描景物的速度和TDI-CCD中电荷搬运速度相匹配的方式增加CCD的积分时间，在TDI-CCD的读入端读入新一列图像的同时，在另一侧的读出端读出已完成时间延迟积分的一列图像，所完成的积分时间T取决于TDI-CCD的积分级数以及扫描景物的速度；在读出端读出一列图像数据后，将TDI-CCD中各列图像当前完成的积分时间加上读出端相邻读出的时间间隔，与E₀中该列的数值进行比较，如果小于E₀中对应的最长积分时间，则依照TDI-CCD原本的工作方式将完成TDI-CCD积分的各列图像依次读出；如果大于或等于E₀中对应的最长积分时间，则将当前位于TDI-CCD中的所有列图像数据全部同时读出；然后再开始扫描读入新一列景物的图像，这样可以在不产生Blooming现象的前提下得到景物的图像，如图4所示；

h)、根据积分时间序列E₀和TDI-CCD的积分级数，利用计算机程序进行步骤g)中描述的TDI-CCD工作过程的模拟，得到TDI-CCD对每列图像实际完成的积分时间，由各列图像实际完成的积分时间组成实际积分时间序列E；由于TDI-CCD的积分时间与使用的积分级数成比例，确定其积分级数，即可确定积分时间T的大小，进而完成步骤g)的比较；

i)、由TDI-CCD所得图像和实际积分时间序列E恢复景物图像：将TDI-CCD所得的各列图像数据除以其在实际积分时间序列E中对应的实际的积分时间，再乘以TDI-CCD积分时间T，得到景物图像。

图1为本发明的原理图，本发明的图像获取器件由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成。CCD/CMOS感光元件首先进行拍摄并得出图像，然后通过分析计算得出由景物在TDI-CCD未Blooming之前每列图像最长的积分时间组成的积分时间序列E₀，并且通过计算机模拟得到由景物的实际每列图像的积分时间组成的实际积分时间序列E。通过对TDI-CCD读取图像时间的控制就可以得到未Blooming的TDI-CCD输出图像，通过对图像的后续处理就得到了景物的图像。图2和图3分别是CCD/CMOS感光元件部件选取面阵CCD/CMOS和线阵CCD/CMOS的情况。

实施例：

以卫星拍摄为例，由于大部分地面景物的辐射可能比较弱，CCD/CMOS感光元件由于积分时间远远短于TDI-CCD，因此拍摄得到的图像很暗，并且无法显示景物的细节；而TDI-CCD由于积分时间很长，对于某些辐射很强的景物来说，会造成拍摄图像出现Blooming的现象，如图5所示，严重影响了图像的质量，并且不能由图像处理技术复原。利用本发明方法，通过控制TDI-CCD的积分时间可以得出未Blooming的输出的图像；在本发明方法的时间控制下，这些会发生Blooming的点所处的图像列及当时同处于TDI-CCD上的所有图像会在Blooming之前读出，也就是其实际积分时间短于TDI-CCD的积分时间T，因此此时TDI-CCD直接输出的图像呈明暗相间的带状分布，还需要进一步处理；由本发明的实施步骤i)，根据各列图像的实际积分时间对受到积分时间控制的TDI-CCD图像数据进行处理，就可以得到清晰完整的图像，图6是按照图像每列实际积分时间序列E对TDI-CCD图像数据处理后的输出结果，也就是本发明的输出结果，可见图6图像清晰，无Blooming现象，图像质量比图5有明显的提高。

Claims (4)

1、一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法，其特征是利用由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成图像获取器件，由CCD/CMOS感光元件首先读入图像，通过对所读图像的分析得出TDI-CCD各像点产生高光溢出Blooming现象的时间，在TDI-CCD扫描的过程中根据产生Blooming现象的时间对TDI-CCD的积分时间进行控制，在图像未Blooming之前读出，不造成图像质量的损失，再根据TDI-CCD读图的实际时间序列对读出的图像数据进行处理，得出实际图像。

2、根据权利要求1所述的一种基于动态时间延迟积分的图像获取方法，其特征是包括以下步骤：

a)、进行CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD的校准，得出CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD响应率之间的关系；

b)、CCD/CMOS感光元件首先进行拍摄并得出景物图像，定义图像的列方向为垂直于景物扫描读取的方向，求出CCD/CMOS感光元件图像每列光强的极大值；

c)、根据每列光强的极大值和CCD/CMOS感光元件与TDI-CCD响应率的关系计算各列图像的像点在TDI-CCD中产生Blooming现象前最长的积分时间，得到由各列最长积分时间组成的积分时间序列E₀；

d)、由积分时间序列E₀控制TDI-CCD的积分时间，得到不产生Blooming现象的景物图像：TDI-CCD利用将扫描景物的速度和TDI-CCD中电荷搬运速度相匹配的方式增加CCD的积分时间，在TDI-CCD的读入端读入新一列图像的同时，在另一侧的读出端读出已完成时间延迟积分的一列图像，所完成的积分时间T取决于TDI-CCD的积分级数以及扫描景物的速度；在TDI-CCD读出端读出一列图像数据后，将TDI-CCD中各列图像当前完成的积分时间加上读出端相邻列读出的时间间隔，与E₀中该列的数值进行比较，如果小于E₀中对应的最长积分时间，则依照TDI-CCD原本的工作方式将完成TDI-CCD积分的各列图像依次读出；如果大于或等于E₀中对应的最长积分时间，则将当前位于TDI-CCD中的所有列图像数据全部同时读出；然后再开始扫描读入新一列景物的图像，这样可以在不产生Blooming现象的前提下得到景物的图像；

e)、根据积分时间序列E₀和TDI-CCD的积分级数，利用计算机程序进行步骤g)中描述的TDI-CCD工作过程，得到TDI-CCD对每列图像实际完成的积分时间，由各列图像实际完成的积分时间组成实际积分时间序列E；

f)、由TDI-CCD所得图像和实际积分时间序列E恢复景物图像：将TDI-CCD所得的各列图像数据除以其在实际积分时间序列E中对应的实际的积分时间，再乘以TDI-CCD积分时间T，得到景物图像。

3、权利要求1或2所述的图像获取方法的图像获取器件，其特征是由CCD/CMOS感光元件和TDI-CCD组成动态时间延迟积分CCD，即DTDI-CCD，CCD/CMOS感光元件放置在TDI-CCD的一侧，使得景物在扫描过程中首先在CCD/CMOS感光元件上成像，然后再输入TDI-CCD。

4、根据权利要求3所述的图像获取器件，其特征是根据CCD/CMOS感光元件种类，DTDI-CCD分为两种硬件实施方式，一是CCD/CMOS感光元件为面阵CCD/CMOS，另一种是CCD/CMOS感光元件为线阵CCD/CMOS；对于面阵CCD/CMOS，使面阵CCD/CMOS和TDI-CCD的间距d＞vΔt，Δt为从CCD/CMOS感光元件获得图像，到计算出各列图像的像点在TDI-CCD中产生Blooming现象前最长积分时间这一处理过程的时间，v是图像在CCD/CMOS上的移动速度；对于线阵CCD/CMOS，使线阵CCD/CMOS和TDI-CCD的间距d＞vΔt+stage·s，stage为TDI-CCD的积分级数，s为线阵CCD/CMOS像素的在扫描景物方向上的长度。

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