CN102547157B - 自适应相关双采样相位校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应相关双采样相位校准方法，包括采集图像亮度信息、计算图像亮度信息、判断当前CCD的工作状态、判断CDS采样脉冲漂移的位置、调整采样脉冲位置等步骤，本发明能够根据环境的变化调整采样位置，解决了因为温度等环境变化造成的采样时钟抖动漂移带来的图像显示不正常的问题。

Description

自适应相关双采样相位校准方法

技术领域

本发明属于CCD成像技术中图像信号采集领域，特别是一种自适应相关双采样相位校准方法。

背景技术

CCD（电荷耦合元件）可以将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过耦合、放大以及模数转换后，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现等过程。CCD有以下几个显著特点：体积小重量轻；抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；灵敏度高，噪声低，动态范围大；响应速度快，图像畸变小，无残像等诸多优点。随着科学技术的发展和图像采集系统的广泛应用，人们对图像采集系统的主要指标，如采样速率、分辨率、精度以及抗干扰能力等方面，都提出了越来越高的要求。CCD 作为光电转换式图像传感器，以其灵敏度高、动态范围大、体积小、功耗低、分辨率高和采样速度快等特点，成为现代电子学和现代测试技术中最活跃的传感器。而大面阵，高帧频的应用需求也在逐步提高。高分辨率，高帧频的高速CCD越来越受到人们的重视。

在CCD输出信号中，混杂各种噪声干扰，每个像元的复位电平是不同的，为了准确提取出各个像元中的信号成分，在信号处理电路中，不仅要准确检测出像元电荷包电平，也要准确提取出像元的抚慰电平，两者之差才是该像元信号的真实成份。

CCD的三种主要噪声源中，光子散弹噪声片外处理电路无法对噪声进行抑制，暗电流噪声通过降温措施可以达到很好的滤除效果；所以在视频信号处理中需要通过处理电路抑制的是复位噪声。复位噪声具有周期性，在一个周期内近似为常数，可以同过相关双采样技术抑制复位噪声，同时可以有效的滤除白噪声，1/f等噪声。

相关双采样电路就是通过实时准确地采集各个像元的复位电平和信号电平来消除各种噪声干扰，完成信号的准确提取。也就是说，在像元电荷包到来之前的某个时刻和电荷包到来时，分别进行前后两次采样。这两次采样在时间上是相关的，在一个像素周期内完成，再将两次采样的电平进行模拟相减，其差值就是得到的信号电平。

为了消除复位脉冲和水平转移脉冲的串扰，必须正确选择两次采样脉冲的起止位置。必须严格把两次采样的时间控制在没有脉冲干扰的区间，而且对两个采样脉冲的宽度和脉冲上升沿的质量也有严格要求，否则难以维持良好的消噪效果。

CCD 视频处理电路的目的主要是消除复位噪声, 同时抑制低频噪声和宽带白噪声。在CDS（相关双采样）电路中，采用两级高速采样保持器（S /H）如图1所示：一级用来采集复位之后的电平，即在复位脉冲过去后至信号电荷包到来之前这一时刻的电平；另一级用来采集像元信号电平，即在水平时钟串扰后到信号电荷到来前的这一时刻电平；然后将两次采样脉冲采集的电平进行差分模拟相减，就得到了实际的信号电平，滤除复位噪声。当CCD信号经过低通滤波器和耦合电容之后，在复位信号阶段结束时，SH1上升沿迅速将复位电平采样并锁存在保持器中，此后在复位信号关闭期间，SH2上升沿，信号的输出电平被采样并被锁存在另一保持器中。由于复位噪声表现为在同一像素周期内近似为常数，两次电平采样在时间上是相关的，所以只要正确选择两次采样点SH1和SH2，并把两次采集的脉冲开关时间控制在适当的范围，就能有效地抑制复位噪声、白噪声等噪声的干扰。

高速高清CCD，需要实现高帧频，大容量数据的处理，这就需要在相当短的时间内对一个像素周期内的像素电平进行提取，除去无法避免和缩短的上升沿和下降沿时间，可用于相关双采样的实际采样时间可能是十几纳秒，甚至更短只有三四纳秒，在这么短的时间内调整合适的采样位置是很难的，需要对采样脉冲进行精细的微调，因为采样脉冲SH1、SH2由时序发生器产生如（FPGA等），任何的时钟都有抖动和偏移，在场景变化的情况下，如环境温度的变化，都会导致采样时钟的漂移。因为高速高清CCD的有效的采样时间短，相关双采样的时序的任何偏移都会直接影响到CCD成像的质量，由于工作环境变化导致的采样位置的偏移无法避免，当前也没有有效的方法来自动调整采样位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够根据环境的变化自适应的调整采样位置自适应相关双采样相位校准方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种自适应相关双采样相位校准方法，包括以下步骤：

步骤一：采集图像亮度信息；让CCD工作在采样位置没有发生偏移的情况下，关闭CCD光圈，采集图像亮度信息；

步骤二：计算图像亮度信息；计算采集到的图像亮度信息，得到所有图像亮度信息的亮度平均值以及亮度最大值和亮度最小值的差值，并存储，作为自适应调整相关双采样脉冲相位的对比参数；

步骤三：判断当前CCD的工作状态；定时关闭光圈，采集当前的图像亮度信息，并计算当前图像亮度信息的亮度平均值以及亮度最大值和亮度最小值的差值，并与之前存储的对比参数进行对比，如果当前的图像亮度平均值的绝对值大于存储的对比参数，或亮度最小值和亮度最大值的差值也大于对比参数时，则当前CCD不在最佳工作状态，如果当前的图像亮度平均值的绝对值小于或等于存储的对比参数，且亮度最小值和亮度最大值的差值也小于对比参数时，则当前CCD处于最佳工作状态，由此可判断出当前CCD的工作状态是否最佳，相关双采样信号是否发生偏移；

步骤四：判断CDS采样脉冲漂移的位置；如果图像亮度信息的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，并且亮度最大值与最小值之间的差值比对比参数小，可以判定两个采样脉冲有一个采在了复位电平的波峰位置；如果像素的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，且最大值与最小值的亮度差值比对比参数大，可以判定采样点的位置采在了CCD输出信号的上升沿或者是下降沿； 

步骤五：调整采样脉冲位置；根据步骤四判断的采样脉冲的位置，微调采样脉冲的相位，并不断的重复步骤二到步骤四过程，直到当步骤二中的图像亮度平均值的绝对值小于或等于存储的对比参数，且亮度最小值和亮度最大值的差值也小于对比参数时，则当前CCD处于最佳工作状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点：能够根据环境的变化自适应的调整采样位置，解决了因为温度等环境变化造成的采样时钟抖动漂移带来的图像显示不正常的问题。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1 CDS采样保持电路；

图2是本发明自适应相关双采样技术流程图；

图3是本发明正确的CCD采样时序。

图4是本发明光圈关闭时CCD输出信号。

图5是本发明SH1采在了复位电平的波峰位置。

图6 是本发明SH2采在了复位电平的波峰位置。

图7 是本发明采样脉冲采在变化沿。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方案进行详细的说明。

相关双采样的两个采样脉冲由同一个时序发生器产生，在外界环境发生变化时，两个采样脉冲所受到的阻抗，延时等变化是相等的，所以他们之间的相位关系不会发生变化，采样脉冲偏移是由于CCD模拟视频信号与采样脉冲之间相位发生变化。并且当CCD镜头光圈完全关闭时，没有光线进入CCD探测器，此时的视频信号理论上的值为零，如图4所示。相关双采样的SH1（相关双采样脉冲）和SH2（相关双采样脉冲）时钟所采得的电压值为相同的，当因为温度和场景变化导致采样位置偏移时，此时的两个采样脉冲值不相等，经A/D转换后的值并不为零，或者不是在接近零的范围波动。当出现这种情况时则表明采样位置出现了偏移。

步骤一：采集图像亮度信息；使用示波器采集相关双采样脉冲信号和CCD模拟视频信号，调节他们之间的相位，让CCD工作在采样位置没有偏移的情况下，关闭CCD光圈，采集一帧的图像亮度信息，或者是几帧图像亮度信息的平均数据。

步骤二：计算图像亮度信息；计算出步骤一采集的图像亮度信息中的亮度平均值，亮度的最大值与最小值的差值，存储这些数据。这些数据作为自适应调整相关双采样脉冲相位的对比参数。

步骤三：判断当前CCD的工作状态；当CCD工作后，每隔一段时间关闭光圈，计算当前的亮度平均值以及亮度的最大值与最小值的差值，并与存储的对比参数对比，判断当前CCD的工作状态，如果当前的图像亮度信息的亮度平均值的绝对值大于存储的对比参数，或亮度最小值和亮度最大值的差值也大于对比参数时，则当前CCD不在最佳工作状态，如果当前的图像亮度信息的亮度平均值的绝对值小于或等于存储的对比参数，且亮度最小值和亮度最大值的差值也小于对比参数时，则当前CCD处于最佳工作状态由此，可以判断出当前CCD的工作状态是否最佳，相关双采样信号是否发生偏移。

步骤四：判断CDS（相关双采样）采样脉冲漂移的位置；如果图像亮度信息的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，并且亮度最大值与最小值之间的差值比对比参数小，可以跟据此数据的特点初步判定两个采样脉冲有一个采在了复位电平的波峰位置；当最后得到的平均亮度数据为正值，则可以判断是SH1采样脉冲采在了复位电平峰值上；如果得到的亮度平均值是负值，则表明SH2采样脉冲采在了复位电平的峰值上；如果图像亮度信息的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，且最大值与最小值的亮度差值比对比参数大，采样点的位置采在了CCD输出信号的上升沿或者是下降沿；与对比参数对比，当出现出入时，则表明采样位置已经出现了漂移。

采样位置偏移分类，以及偏移位置判断有以下几种情况： 

1、如图所示有一个采样点位置采在了复位电平的波峰位置，此时采样位置不正确，在光圈关闭时，SH1和SH2采得的电平值不相同，在数据上表现为所有图像亮度信息的亮度平均值的绝对值比没有发生采样位置漂移的大，比对比参数大，并且亮度最大值与最小值之间的差值比对比参数小，可以跟据此数据的特点初步判定两个采样脉冲有一个采在了复位电平的波峰位置。由于实际的信号电平是SH1采样后的电平减去SH2采样后的电平，当最后得到的平均亮度数据为正值，则可以判断是SH1采样脉冲采在了复位电平峰值上，如图5 所示。如果得到的亮度平均值是负值，则表明SH2采样脉冲采在了复位电平的峰值上，如下图6所示。

2、当采样漂移同时会带入大量噪声，主要是因为采样点的位置采在了CCD输出信号的上升沿或者是下降沿，如图7所示。上升沿和下降沿并不稳定，会出现较大的波动，在图像上表现为位置不固定的横条纹噪声。当光圈关闭时，这些噪声在数据上表现为图像亮度信息的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，且最大值与最小值的亮度差值比对比参数大。光圈关闭时CCD视频输出信号的上升沿和下降沿的位置为复位信号的上升沿和下降沿，可以根据这个条件初步判断采样点漂移的位置。对于那个采样脉冲采在了上升沿或者下降沿上，可以先不与考虑。因为当对采样脉冲进行整体微调，经过多次微调当得到的所有图像亮度信息的亮度差值在设定的范围内时，则表明此时的采样位置不在变化沿上，可以根据其他数值判断此时的采样点的具体位置。

步骤五：调整采样脉冲位置；根据步骤四判断的采样脉冲的位置，根据采样偏移位置对采样点进行微调，因为SH1和SH2脉冲是由同一个时序发生器产生，在经过场景及温度变化后，采样脉冲所受的影响相同，它们之间的相位不会发生变化，它们之间还会维持固定的相位差。所以两个采样时钟不会采在相同的位置。通过时序发生器整体微调SH1和SH2脉冲的相位（此时仍保持SH1和SH2脉冲的相位差相同），CCD镜头光圈关闭，观察相位微调后A/D转换得到的图像亮度信息的亮度平均值以及亮度最大值和亮度最小值的差值，并把得到的图像亮度信息与已经存储的对比参数进行对比，如果当前的图像亮度平均值的绝对值大于存储的对比参数，或亮度最小值和亮度最大值的差值也大于对比参数，表明需要继续调整，微调采样脉冲的相位，并不断的重复二到四的步骤，经过若干次微调后得到的图像亮度信息与存储的对比参数对比，如果图像亮度平均值的绝对值小于或等于存储的对比参数，且亮度最小值和亮度最大值的差值也小于对比参数时，则说明采位置正确，此位置即位正确的相关双采样点。固定SH1和SH2的位置，打开镜头光圈，此时CCD即能输出清晰无噪声的图像。

Claims (3)

1.一种自适应相关双采样相位校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，采集图像亮度信息：让CCD工作在采样位置没有发生偏移的情况下，关闭CCD光圈，采集图像亮度信息；

步骤二，计算图像亮度信息：计算采集到的图像亮度信息，得到所有图像亮度信息的亮度平均值以及亮度最大值和亮度最小值的差值，并存储，作为自适应调整相关双采样脉冲相位的对比参数；

步骤三，判断当前CCD的工作状态：定时关闭光圈，采集当前的图像亮度信息，并计算当前图像亮度信息的亮度平均值以及亮度最大值和亮度最小值的差值，并与之前存储的对比参数进行对比，如果当前的图像亮度平均值的绝对值大于存储的对比参数，或亮度最小值和亮度最大值的差值大于对比参数时，则当前CCD不在最佳工作状态，如果当前的图像亮度平均值的绝对值小于或等于存储的对比参数，且亮度最小值和亮度最大值的差值也小于对比参数时，则当前CCD处于最佳工作状态，由此可判断出当前CCD的工作状态是否最佳，相关双采样信号是否发生偏移；

步骤四，判断CDS采样脉冲漂移的位置：如果图像亮度信息的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，并且亮度最大值与最小值之间的差值比对比参数小，可以判定两个采样脉冲有一个采在了复位电平的波峰位置；如果像素的亮度平均值的绝对值比对比参数的大，且最大值与最小值的亮度差值比对比参数大，可以判定采样点的位置采在了CCD输出信号的上升沿或者是下降沿；

步骤五，调整采样脉冲位置：根据步骤四判断的采样脉冲的位置，微调采样脉冲的相位，并不断的重复步骤二到步骤四过程，直到当步骤二中的图像亮度平均值的绝对值小于或等于存储的对比参数，且亮度最小值和亮度最大值的差值也小于对比参数时，则当前CCD处于最佳工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种自适应相关双采样相位校准方法，其特征在于；步骤一中采集的图像亮度信息为一帧像亮度信息，或者是几帧图像亮度信息的平均数据。

3.根据权利要求1所述的一种自适应相关双采样相位校准方法，其特征在于；步骤四中判定两个采样脉冲有一个采在了复位电平的波峰位置，当最后得到的亮度平均值为正值，则可以判断是SH1采样脉冲采在了复位电平峰值上；如果得到的亮度平均值是负值，则表明SH2采样脉冲采在了复位电平的峰值上。