CN102510444B - 光学成像相机的中高频mtf在线补偿与增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学成像相机的中高频MTF在线补偿与增强方法，其特征在于，是在光学成像相机的信号处理电路中，在视频增益放大电路之后、A/D电路之前增加不少于一个的MTF在线补偿单元。本发明的方法可有效改善图像中高频细节信息，提高图像的调制传递函数MTF和图像信噪比SNR，获取像质优良的光学图像，有利于图像的视觉解释、判读或计算机自动判读和识别。同时，本发明的方法能够提高光学成像相机电子学中高频图像信息增强和补偿能力，从而实现在适当降低的光学系统设计要求、机械支撑结构精度要求的情况下，仍然可以获得像质优良的光学数字图像，实现真正的光、机、电、信号处理一体化光学成像相机的设计。

Description

光学成像相机的中高频MTF在线补偿与增强方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种光学成像相机的中高频MTF在线补偿与增强方法。

背景技术

光学成像相机设计时，光、机、电、信号处理的设计具有相对较强的独立性，其工作过程如下：光学成像系统获取的并行光学图像信息输入到图像传感器后，图像传感器进行光电转换，输出离散的模拟图像信号，进而通过电子学处理电路进行低噪声、小信号放大，然后采用相关双采样(CDS)消除相关噪声，再对去除相关噪声的视频图像信号进行增益放大和调整，最后通过模数转换(A/D)电路对模拟图像进行数字量化，输出量化后的数字图像。

根据傅里叶光学理论，经典光学成像相机的光学成像系统是一个低通滤波器，景物或目标图像经过光学成像系统后，其高频信息严重丢失、中频信息被衰减，使得获取的图像细节信息比较模糊，需要进行光学调制传递函数补偿(Modulation Transfer Function，缩写为MTF)的图像复原。

中国申请号为200810191794.9的发明专利公开了一种基于MTF补偿的图像复原方法，该发明通过指数调节MTF曲线的下降趋势，并将奈奎斯特频率处的MTF值调升到0.5左右，该发明能够在增强图像的纹理细节的同时不增大噪声；中国申请号为201010543517.7的发明专利公开了一种基于最佳核形状的小波MTF补偿方法，可以为在轨动态MTF较低的成像系统提供MTF提升，提高图像质量等级，改善系统性能。

但以上方法均为传统的后处理MTF增强或补偿方法，需要大量计算和重新量化处理，无法兼顾补偿的实时性和原始数据保真性。因此，急需要提供一种对中高频信息在线增强和补偿的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学成像相机的中高频MTF在线补偿与增强方法，本发明的方法根据光学成像相机中光学系统和图像传感器的低通滤波器特性，采用多级状态可调中高频图像信息补偿与增强的低通滤波技术，对传统光学成像系统的模拟图像信号进行中高频信息在线增强和补偿，从而弥补现有技术的不足。

本发明的方法，是在光学成像相机的信号处理电路中，在视频增益放大电路之后、A/D电路之前增加不少于一个的MTF在线补偿单元，所述的MTF在线补偿单元由一个状态可调中高频增强低通滤波器和一个对应的阻抗匹配电路构成。

上述的MTF在线补偿单元的数目为两个或以上。

上述的MTF在线补偿单元中的状态可调中高频增强低通滤波器，是由三个运算放大器串行连接组成。

所述的阻抗匹配电路，的放大倍数为1，输入阻抗为无穷大，输出阻抗为0。

本发明还涉及采用上述方法进行中高频MTF在线补偿与增强的光学成像相机

本发明的方法可有效改善图像中高频细节信息，提高图像的调制传递函数MTF和图像信噪比SNR，获取像质优良的光学图像，有利于图像的视觉解释、判读或计算机自动判读和识别。同时，本发明的方法能够提高光学成像相机电子学中高频图像信息增强和补偿能力，从而实现在适当降低的光学系统设计要求、机械支撑结构精度要求的情况下，仍然可以获得像质优良的光学数字图像，实现真正的光、机、电、信号处理一体化光学成像相机的设计。

附图说明

图1：光学成像系统中有MTF在线补偿单元时的系统结构流程图；

图2：MTF二级在线补偿单元的结构流程图；

图3：阻抗匹配电路的电路示意图；

图4：状态可调中高频增强滤波器的电路图；

图5：品质因子Q较小时可调中高频信息增强滤波器频率特性图；

图6：品质因子Q较大时可调中高频信息增强滤波器频率特性图；

图7：二级串联中高频信息增强处理后系统的频率信息变化情况示意图。

具体实施方式

本发明的方法是在光学成像相机的信号处理电路中，在视频增益放大电路和A/D量化电路单元之间加入了MTF在线补偿单元，所述的MTF在线补偿单元由一个状态可调中高频增强低通滤波器和一个对应的阻抗匹配电路构成。

上述的MTF在线补偿单元中的状态可调中高频增强低通滤波器，是由三个运算放大器按图4电路串行连接组成(图4，O1-O3代表运算放大器)，具有如图5所示的可调中高频增强低通滤波器的频率特性，同时三个运算放大器串行连接可以使电路系统的频率特性在中高频拥有较大的放大倍数，能够对阻抗匹配模块电路输出的图像中高频信息进行增强和补偿，同时有效抑制高频噪声，即实现电路既能稳定工作，避免电路产生振荡、振铃或反射，又能有效补偿和增强中高频图像信息、抑制高频噪声。

所述的阻抗匹配电路，采用单元增益放大器的电压跟随器，该匹配电路的放大倍数为1，输入阻抗为无穷大，输出阻抗为0。能够有效的对电路系统模块前后之间的阻抗进行匹配，避免电路阻抗不匹配引起的电路反射、振铃或振荡，保证电路模块之间图像信号的有效、无失真传递，保证电路的稳定性。

光学成像相机的信号处理电路如图1所示：为光学成像系统所观测的景物或目标①经过光学成像系统②接收，处理后的光学图像为图像传感器③(包括CCD、TDICCD、ICCD、CMQS或其他类型的光电转换的面阵或线阵图像传感器)，它并行接收光学成像系统②输出的光学图像后，光电转换输出小信号模拟图像信号；经过低噪声、小信号前放电路④对图像传感器③输出的图像信号进行第一级放大，输出一次放大的图像信号；把经过第一级放大的图像信号输入到相关双采样电路CDS⑤，对系统的相关噪声进行差分去除相关噪声处理，输出的高信噪比图像信号；对高信噪比图像信号进行第二级视频增益放大⑥，使图像信号的幅度较好的适应后续A/D处理的动态范围内；视频增益放大后的图像视频信号经过MTF在线补偿单元⑦，对图像的中高频信息进行的补偿和增强处理，输出细节信息丰富的视频图像信号；再经过A/D量化单元量化⑧处理后，输出对应的数字图像。

本发明所提出的MTF在线补偿单元基于多级状态可调中高频信号补偿与增强的滤波技术，图2为一个二级状态可调MTF中高频在线补偿与增强的电路结构框图，其中信号跟随与阻抗匹配电路1(具体见图3)用于匹配各电路模块之间的阻抗，同时能够有效跟随信号的变化；状态可调中高频增强与补偿低通滤波器2(具体见图4)为MTF补偿环节的1、2两级。类似的可增加更多级状态可调中高频图像信息增强的低通滤波器技术单元进行串联，对相关双采样输出的模拟视频图像信号进行中高频增强与补偿处理，这样就能够构成多级MTF在线补偿与增强处理功能。

如果只采用一个的MTF在线补偿单元进行图像中高频信息补偿与增强处理时，单纯的调整滤波系统的品质因子Q，可以对光学系统和图像传感器的低通滤波效应造成的图像中高频信息衰减进行增强和补偿处理。但是，如图6所示，较大的品质因子Q会引起两个问题：(1)较大的电路品质因子Q值会使中高频信息补偿与增强处理的带宽变窄，而其它更宽频带范围内的信号将不能得到有效的增强和补偿；(2)品质因子Q太大会引起电路振荡或产生振铃，导致补偿后的图像振铃效应影响明显，从而导致图像信号失真。

为了克服单纯提高状态可调中高频增强滤波器品质因子Q值所产生的问题，本发明在实现时采用状态可调中高频增强滤波电路多级串联的方式进行循序渐进的中高频补偿与增强处理，采用较小品质因子Q值。如图7所示，采用两级补偿与增强技术的频率特性。曲线I为光学成像系统无MTF在线补偿和增强处理时的系统调制传递函数曲线；曲线II为光学成像系统增加了一级小品质因子的中高频信息补偿的MTF在线补偿与增强的系统调制传递函数曲线；曲线III为光学成像系统增加了二级小品质因子的中高频信息补偿的MTF在线补偿与增强的系统调制传递函数曲线。从三条调制传递函数曲线的变化趋势可以看出，经过状态可调的中高频补偿低通滤波技术能够有效补偿和增强系统调制传递函数的中频信息。

上述的结果表明，本发明的方法可有效地对光学成像相机的中高频MTF在线补偿与增强，具有很好的应用前景。

Claims (3)

1.一种光学成像相机的中高频MTF在线补偿与增强方法，其特征在于，所述的方法是在光学成像相机的信号处理电路中，在视频增益放大电路之后、A/D电路之前增加不少于一个的MTF在线补偿单元；所述的MTF在线补偿单元由一个状态可调中高频增强低通滤波器和一个对应的阻抗匹配电路构成；其中状态可调中高频增强低通滤波器是由三个运算放大器串行连接组成；阻抗匹配电路的放大倍数为1，输入阻抗为无穷大，输出阻抗为0。

2.如权利要求1所述的在线补偿与增强方法，其特征在于所述的MTF在线补偿单元的数目为两个。

3.一种光学成像相机，所述的相机采用权利要求1所述的方法进行中高频MTF的在线补偿与增强。

Images