CN101674398B

CN101674398B - 一种实时ccd数字图像数据暗电流校正方法

Info

Publication number: CN101674398B
Application number: CN2009100935501A
Authority: CN
Inventors: 李春梅; 李涛; 王琨; 雷宁
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: CN101674398A

Abstract

一种实时CCD数字图像数据暗电流校正方法，首先利用CCD器件的温度和积分时间信息计算CCD当前的平均暗电流，并使用暗电流像元响应不一致性系数分别计算每个像元的暗电流水平；然后利用当前成像电路的相对等效增益，计算成像图像中的暗电流数值，通过消除图像数据的暗电流信息，实现数字图像的暗电流校正。本发明解决了无暗像元CCD的暗电流校正问题，且消除了暗电流像元响应的非均匀性噪声，方法中只使用乘法和加法运算，有利于工程实现。

Description

一种实时CCD数字图像数据暗电流校正方法

技术领域

本发明属图像处理领域，涉及一种数字图像在线实时处理中提高CCD成像能力的图像暗电流校正方法。

背景技术

暗电流是指CCD晶片上因热运动而产生的电子在偏压下积累形成的电流，它的形成不需要曝光条件，因此有暗电流之称。暗电流信息是CCD输出图像数据重要的组成成分，它的存在一定程度上影响了CCD的成像质量，特别是低辐照度图像的分辨率和对比度，也影响了成像器件的动态范围。分离CCD数字图像数据中暗电流信息成分的技术，即图像的暗电流校正。

CCD数字图像暗电流校正技术具有通用性的关键是无论CCD是否有暗像元都能够实现暗电流矫正。现有的图像数据暗电流校正方法主要是借助于CCD自身的暗像元产生的暗电流信号消除感光像元的暗电流成分，从而实现暗电流的校正，但是对无暗像元的CCD暗电流校正就无法实现；其次是用暗像元的平均暗电流代替感光像元的平均暗电流进行计算比较粗糙，与实际情况的差异较大；最后是现有对CCD每个像元等量去除暗电流的方法，忽略了暗电流像元响应的差异，校正精度有限。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种校正精度高、通用性好的实时CCD数字图像数据暗电流校正方法。

本发明的技术解决方案是：一种实时CCD数字图像数据暗电流校正方法，包括如下步骤：

(1)根据CCD器件的工作温度和积分时间计算当前图像数据的平均暗电流，计算公式为

D_{R} = (Σ_{i = 0}^{N} k_{i} \times T^{i}) \times I_{T},

其中D_R为CCD器件产生的平均暗电流，单位为DN，N为采用最小二乘法对暗电流与CCD器件工作温度、积分时间的实测关系曲线进行多项式拟合时采用的多项式的最高次数，i为多项式的次数，0≤i≤N，k_i为i次多项式的系数，T为CCD器件的工作温度，单位为K，I_T为CCD器件的积分时间，单位为ms；

(2)设置成像电路的相对等效增益为1，利用暗电流像元响应不一致性系数对步骤(1)得到的平均暗电流进行修正，分别计算每个像元的暗电流水平，计算公式为D_R(n)＝r(n)×D_R，其中D_R(n)为第n个像元的暗电流，r(n)为第n个像元的暗电流像元响应不一致性系数，r(n)的获取方法如下：

测量多组暗电流数据，建立如下方程组：

\{\begin{matrix} D_{R 1} (n) = r (n) \times D_{R 1} \\ D_{R 2} (n) = r (n) \times D_{R 2} \\ . . . . . . \\ D_{Rw} (n) = r (n) \times D_{Rw} \end{matrix}

其中D_Rw(n)为第W次测量时第n个像元的暗电流数值，D_Rw为第W次测量时暗电流响应的平均值，根据上述方程并利用最小二乘法即可计算得到系数r(n)；

(3)根据当前成像电路的实际相对等效增益，对步骤(2)中得到的暗电流水平进行修正，得到成像电路在实际相对等效增益下图像数据中各像元的暗电流数值，计算公式为D_R′(n)＝D_R(n)×G，其中D_R′(n)为经过增益修正后第n个像元的暗电流，G为成像电路的实际相对等效增益，

G = \frac{G_{A} \times G_{D}}{G_{A 0} \times G_{D 0}},

G_A为成像电路的模拟增益，G_D为成像电路的数字增益，G_A0为成像电路开机默认的模拟增益，G_D0为成像电路开机默认的数字增益；

(4)对每个像元的暗电流进行剔除，完成对图像数据的暗电流校正，计算公式为P′(n)＝P(n)-D_R′(n)，其中P(n)为当前图像数据中第n个像元的原始灰度值，P′(n)为当前图像数据中第n个像元经暗电流校正后的灰度值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法利用CCD器件的工作温度和积分时间计算暗电流，采用多项式对实测曲线进行拟合，并引入多项式的系数对平均暗电流进行计算，解决了无暗像元探测器的暗电流校正问题，通用性好；

(2)本发明方法通过引入暗电流像元响应不一致性系数，分别计算每个像元的暗电流，消除了暗电流像元响应的非均匀性噪声，逐一对每个像元进行校正，校正精度高；

(3)本发明方法通过引入多项式的系数对平均暗电流进行计算，通过引入暗电流像元响应不一致性系数对各像元进行修正，修正时还充分考虑了成像电路的实际增益，整个计算过程只涉及到乘法和加法运算，计算方法简便，利于工程实现，且可以对CCD接收的图像数据随时进行处理，提高了校正过程的实时性。

附图说明

图1为本发明图像数据暗电流校正方法的流程框图；

图2为本发明实施例中暗电流与CCD器件工作温度关系理论计算曲线；

图3为本发明实施例中暗电流与CCD器件工作温度关系实测曲线；

图4为本发明实施例中暗电流与CCD器件积分时间关系实测曲线。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图，其主要步骤如下：

一、利用CCD器件的工作温度和积分时间计算数字图像数据中的平均暗电流。

平均暗电流与CCD器件的工作温度及积分时间的关系为：

D_{R} = (Σ_{i = 1}^{N} k_{i} \times T^{i}) \times I_{T}

其中，D_R为CCD器件产生的平均暗电流(DN)，T为CCD器件的工作温度(K)，N为采用最小二乘法对暗电流与CCD器件工作温度、积分时间的实测关系曲线进行多项式拟合时采用的多项式的最高次数，其大小根据曲线拟合的精度要求确定，N为大于0的整数，i为多项式次数(0≤i≤N的整数)，k_i为曲线拟合最小二乘法计算得到的i次多项式系数，I_T为CCD器件的积分时间(ms)。

该计算关系的确定通过下面两个过程实现：

1)根据理论公式建立暗电流与器件工作温度及积分时间的函数关系；

首先单位时间内CCD产生的暗电流计算理论公式为：

D_{R} (e^{-}) = {CT}^{1.5} e^{- E_{g} / 2 kT}

其中，D_R(e^-)为单位时间产生的暗电流电荷数，C为常数，T为CCD器件的工作温度(K)，E_g为硅元素带隙能量，k为波尔兹曼常数。

硅元素带隙能量是随CCD器件工作温度变化的量，服从经验公式：

E_{g} = 1.1557 - \frac{7.021 \times 10^{- 4} T^{2}}{1108 + T}

常数C的计算公式为：

C = \frac{D_{FM} P_{S}}{q T_{RM}^{1.5} e^{- E_{g} / (2 k T_{RM})}}

其中P_S为像元面积(cm²)，T_RM为室温(通常取300K)，D_FM为与T_RM对应的暗电流品质因数(nA/cm²)，q为电子电荷量。

由此可以获得积分时间I_T内形成的暗电流为：

D_{R} = 2.5 \times 10^{5} P_{S} D_{FM} T^{1.5} e^{- E_{g} / 2 kT} I_{T}

由此绘制的暗电流与温度的关系曲线如图2所示。图3为暗电流与CCD器件工作温度关系实测曲线，由于实验条件有限，这里只给出28～48℃的数据。另外，由上述暗电流的计算公式可以看出，暗电流与积分时间成线性关系，图4为暗电流与CCD积分时间的关系实测曲线，由于实际电路存在直流偏置，因此不过零点。

由此可知，采用上述暗电流的计算公式对图像中的暗电流进行计算所得到的结果与实测情况基本一致。

2)暗电流求解的工程简化。

上面暗电流的计算公式对于硬件实现过于复杂，而通过大量实验测得的暗电流与温度、积分时间的响应关系，在较大温度范围内(如-20～100℃)均可以采用多项式拟合来描述，即：

D_{R} = (Σ_{i = 1}^{N} k_{i} \times T^{i}) \times I_{T}

该方法不仅硬件实现简单，而且通过选择多项式的次数，可以对其精度进行精确控制。

系数k_i的确定：

固定CCD的积分时间，并设置成像电路的相对增益为1(模拟增益与数字增益都为开机默认设置)，测量多个温度值下CCD的暗电流输出量，并采用最小二乘多项式拟合，计算确定系数k_i。

二、利用暗电流像元响应不一致性系数分别计算每个像元的暗电流。

由于CCD器件不同像元的面积(P_S)及暗电流品质因数(D_FM)存在差异，因此导致了其暗电流响应存在不一致性的特点，因此需要采用不一致性系数进行修正。利用像元响应不一致性系数计算各个像元的暗电流方法为：

D_R(n)＝r(n)×D_R

其中D_R(n)为第n个像元的暗电流(DN)，D_R为平均暗电流(DN)，r(n)为第n个像元的暗电流不一致性系数。

暗电流不一致性系数r(n)的获取方法如下：

测量多组暗电流数据，建立如下方程组：

\{\begin{matrix} D_{R 1} (n) = r (n) \times D_{R 1} \\ D_{R 2} (n) = r (n) \times D_{R 2} \\ . . . . . . \\ D_{Rw} (n) = r (n) \times D_{Rw} \end{matrix}

其中D_Rw(n)为第W次测量时第n个像元的暗电流数值，D_Rw为第W次测量时暗电流响应的平均值。利用最小二乘法即可计算得到系数r(n)，这样可以减小单次测量误差对计算结果的影响。r(n)的取值范围通常在0.95～1.05之间。

三、根据当前成像电路的实际相对等效增益，计算成像图像中各像元的暗电流数值。

利用成像电路的实际相对增益信息估算图像中暗电流的方法为：

D_R′(n)＝r(n)×D_R×G

其中D_R′(n)为增益修正后第n个像元的暗电流(DN)，D_R为平均暗电流(DN)，r(n)为第n个像元的暗电流不一致性系数，G为成像电路的实际相对等效增益。

G的确定方法如下：

暗电流从CCD流出后经电压转换、输出放大、采样、量化等环节，最后以图像信息的形式叠加在输出图像中，成像电路相对等效增益G为：

G = \frac{G_{A} \times G_{D}}{G_{A 0} \times G_{D 0}}

其中G_A为成像电路模拟增益，G_D为成像电路数字增益，G_A0为成像电路开机默认模拟增益，G_D0为成像电路开机默认数字增益。

四、实现图像数据的暗电流校正。

图像数据消除暗电流的处理，即图像的暗电流校正。根据上述暗电流的计算结果，实施暗电流校正的过程为：

P′(n)＝P(n)-D_R′(n)

将前面步骤获得的暗电流计算公式代入，有：

P^{'} (n) = P (n) - r (n) \times (Σ_{i = 1}^{N} k_{i} \times T^{i}) \times I_{T} \times G

实施例

下面通过实例对本发明方法暗电流校正的效果进行说明。

实验条件：

1、本实验使用某型号的TDI线阵CCD相机作为实验对象，并给出实验数据分析结果；

2、将CCD焦面电路置于暗室中，消除或抑制器件表面的入射光辐射，测量器件工作温度、积分时间以及暗电流响应数据，完成暗电流定标实验；

3、计算校正系数，并实现暗电流校正；

4、采集暗电流校正前后的输出图像。

实验内容及结果：

1、积分时间为4.2ms时，暗电流与温度关系曲线如图3所示。该曲线最小二乘2次多项式的拟合精度达97.55％，最小二乘3次多项式的拟合精度达99％；

2、温度为50.8℃时，暗电流与积分时间关系曲线如图4所示，线性良好；

3、积分时间为4.2ms时，暗电流校正在不同温度下的实验结果如表1和表2所示。

表1 校正前后平均暗电流分布情况的对比(单位DN)

CCD工作温度(℃)	28.9139	32.3108	36.2893	39.7824	42.4271	45.3910	47.0166
								校正前平均暗电流	196.6659	234.4928	294.0763	364.2157	431.4210	523.4226	581.5241
校正后平均暗电流	-0.0052	-0.0051	0.0012	0.0051	0.0089	-0.0035	0.0081

表2 校正前后暗电流不一致性噪声分布情况的对比(单位DN)

CCD工作温度(℃)	28.9139	32.3108	36.2893	39.7824	42.4271	45.3910	47.0166
								校正前不一致性噪声	4.4885	4.6801	5.2443	5.7759	6.2274	6.7220	7.0637
校正后不一致性噪声	0.4813	0.5225	0.5373	0.6065	0.7153	0.7954	0.8352

从表1和表2可以看出，本发明提出的暗电流校正方法精度高，为科学CCD的高质量成像应用提供了解决途径。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种实时CCD数字图像数据暗电流校正方法，其特征在于包括如下步骤：

其中D_R为CCD器件产生的平均暗电流，单位为DN，N为采用最小二乘法对暗电流与CCD器件工作温度、积分时间的实测关系曲线进行多项式拟合时采用的多项式的最高次数，i为多项式的次数，0≤i≤N，k_i为曲线拟合最小二乘法计算得到的i次多项式系数，T为CCD器件的工作温度，单位为K，I_T为CCD器件的积分时间，单位为ms；

测量多组暗电流数据，建立如下方程组：