CN1026202C - 感测图象并产生其单元样本的系统 - Google Patents

Abstract

行扫描器(24)顺序读出光敏单元阵列(10)上电荷的信号，并将合成信号串行加到有限脉冲滤波器(30)。在滤波器中，将合成信号相加以形成对应于与一个光敏单元等距的光敏单元的中间信号，并为每个圈内光敏单元用测量方法或凭经验确定因子来校正该中间信号以形成多个校正信号。从未校正的合成图象信号中累积减去各校正信号，从而提供已校正了的由于来自增大半径的多个光敏单元圈中邻近光敏单元泄漏引起的不需要的影响的最终图象信号。

Description

本发明涉及光学信息的传感，更准确地说，涉及用以减少由于单一光传感单元与其相邻及相近位置上的单元间的泄漏而引起视频信息拖影的电路和处理。

如果仅是电荷耦合器件（CCD）单元的一维阵列，由CCD图象传感器接收的总能量只能在水平方向引起泄漏或沾染。当将CCD单元排列成行和列时，泄漏将在水平和垂直两个方向发生。作为本文中所用的“泄漏”（“Leakage”）一词，意指在电荷转移到移位寄存器期间，由于CCD单元和其相邻CCD单元间的具有较长波长的信号的水平传播或来自邻近单元的电荷混合，响应从邻近CCD传送到这些CCD单元的能量引起的该CCD上的能量冲击，而对由一个CCD单元产生的电信号沾染所起的作用。直接来自毗连相邻单元的泄漏最大，而随着被读单元与对泄漏有影响的相邻单元之间的距离增大相当迅速地减小。

目前用以增强CCD阵列光学成象的现有的电路一般都是致力于改进阵列的性能，但它们通常只将信号处理局限于CCD单元的单独各列。例如，可参见授予Pines等人的美国专利第4，345，148号。早期为减少在行间电荷转移期间生成的拖影而作的努力包括：生成表示出现有一场的一行中的拖影电荷信号模式的信号模式，并且接着从被读电荷信号行减去该信号模式，如由Levine在美国专利第4，010，319号中所述。更近一些的尝试例如由May所提出的美国专利第4，736，439号用预处理电路以获得一行或多行预定象素邻近阵列的 中值，然后从单独象素中减去该读出中值，而Nagumo的美国专利第4，558，366号包括从图象读出阵列的“N”条水平行的信号中导出“n”条水平行的信号，此处“n”大于“N”。由于所拾取的成象光仅相当于在电荷的垂直转移期间混入的不希望有的信号分量，因此，“n”条水平行的信号缺乏信号分量的固有累积。一种补偿电路用以减少由不希望有的寄生的信号分量引起的不合乎需要的信号。然而，这样的电路通常仅对低和高频寄生信号分量的补偿是有效的。

在电荷注入式器件（CID）成像系统中，一部分注入的电荷移动到四周邻近象素，这种现象随着CID成像装置的象素密度增大而加强。美国专利第4，768，098号中Vogelsong提出在二维象素阵列中，通过顺序地从一行中每一象素所读出的电荷存储作为第一视频信号，存储从第二行中每一象素所读出的电荷，存储作为第一视频信号的电荷注入第一行的全部象素中，然后顺序地从第一行的每一象素中重读所存储的电荷作为第二视频信号来减少交叉干扰。从第一视频信号中减去第二视频信号，从而提供一种从外部效果来看基本上没有注入交叉干扰的输出信号。Vogelsong′098贬低那些“借助数学方法实现交扰逆转的减弱交扰效应技术”，其缺点是，要求知道“每个位置上的确切交扰量”（Vogelsong，′098，栏1（Columnl），36行开始）。

新近的其他电路例如Ozawa等人的美国专利第4，543，610号中，交错地读取图象单元的奇数和偶数水平行并通过随即做减法运算，力图消除归因于固态成像单元的垂直拖影。Powell的美国专利第4，442，454号中，在整个图象范围内用一种在行或列上逐象素方式移动的窗口的多阶段过程，并结合信息组重叠变换，再通过对每个重叠窗口中导出值求平均值而获得每一象素的终象值。Powell的美国专利第4，805，031号中，主张将相应于沿预定方向对齐的各象素的象素图象值分组，用变换算法和阀值操作处理象素图象值组以便图象分 量和每个象素图象值组的噪声分量分开，以及不断地累积并在每组中对象值分量求平均值。然而，相继各步骤总共达到的校正，是由较早的各校正不良地叠加而成的，因而前面所做的错误校正受到沾染，因为一旦对数据进行初始处理，沾染就开始在从其他成象单元读出的数据附加单元中扩展。在初始处理之后对沾染的校正和补偿是困难的，而就当前可用的技术来说，也仅能达到近似而已。此外，在处理时沾染的扩散有碍于对图象信号顺序拖影沾染的可靠校正。

因此，本发明的目的是为固态图象传感提供一种改进的处理和电路。

另一目的是提供处理和电路以增强最终图象信号的锐度。

再一个目的是提供用以可靠地衰减最终图象信号上电荷泄漏效应的处理和电路。

再一个目的是提供用以补偿来自邻近光敏单元上离子冲击能扩散效应的处理和电路。

再一个目的是提供用以消除来自从固态光敏单元阵列所读出图象电荷信号中“拖影”的处理和电路。

再一个目的是提供用以校正固态光敏单元阵列中归因于对角方向上邻近单元图象电荷信号“拖影”的处理和电路。

再一个目的提供一种便于经过改造使之配合固态光敏单元单独阵列特性的处理和电路。

再一个目的是提供适用于在处理信号从而产生最终图象信号之前，校正图象电荷信号的“拖影”的处理和电路。

这些和其它目的是通过下列过程来达到的：紧接在从光敏单元阵列读出图象电荷信号之后，用作为预处理器的有限脉冲响应滤波器，从每个光敏单元的总视频信息中滤出一个相应于在最接近的行和列中相应正交和对角地连接和不连接邻近单元的泄漏因子的值。

通过结合附图参照以下详细说明，随着对本发明的更加了解，将容易地获得对本发明的更加完整的评价及其伴随的许多优点，附图中相同标号表示相同或类似的单元，其中：

图1是按照本发明的原理用于校正从二维阵列中相邻的光敏单元所读出的有效信号图象拖影的简图;以及

图2是按照本发明的原理构成的用于图象拖影校正的电路的原理图。

下面参照图1，简图说明了电路的一个实施例，该电路从排列成行和列的阵列10光敏单元的相继行中顺序地接收电荷信号“a”。尽管应用这种光敏单元的阵列10的典型装置包括视频摄象机，其中该阵列可以是六百四十行和四百八十列，但为简化说明起见，将阵列10示出为具有四行和四列单独的CCD单元。CCD单元是上述说明中涉及的一种光敏单元。对仅有一行CCD的阵列，每个CCD单元所接收的总能量要受沿水平方向的泄漏和沾染的影响。状似阵列10中每一单元中所存储的数据或视频信息的沾染表现为来自用CCD作为光学信息传感单元视频摄象机数据或视频信息显示的拖影。

当将CCD单元排列在二维阵列的行和列中时，泄漏将来自垂直和对角线方向，以及来自水平方向。对泄漏的贡献首先是其连接相邻单元，为最高值;随着相邻单元的距离加大泄漏下降得相当迅速。

在一线性阵列中由各（分立）CCD元件接收的成象信息（光）受来自阵列中其相应连接近邻CCD单元的泄漏沾染（约占15至25%）。该泄漏效应可认为是由阵列中所有周围单元共同造成的，而单元间离开越远效应就越弱。尽管所公开的本发明的原理考虑了对归因于远的以及相连的CCD单元对沾染所起的作用，但为简化说明起见，只考虑了更为贴近的水平、对角和垂直方向上相邻单元的效应。

总的视频信息，亦即，读自阵列10的沾染的CCD数据20，包括直 接映在光敏阵列10的单一单元上的起始视频信息信号12，加上来自连接和不连接相邻单元泄漏的比例或第二视频信息信号14。例如，在“i”行、“j”列的加上圆圈的单元6可有一图象电荷值“a”;假定由4×4个单元阵列10成象的，一物件部分对16个单元的阵列恒定、均匀的表面，如图1中信息信号12的矩阵中所示，在行i-1至i+2和列j-1至j+2中的其他相邻单元也有图象电荷值“a”。

然而，除读自单元6的图像电荷之外，单元6对总视频信息的影响包括沾染信号分量矩阵14中示出的具有单位标称值的可归因于本征成象误差的沾染，以及来自阵列中其他每个单元的影响。如图1中矩阵14所示，对于所假定的简化的4×4固态光敏阵列10来说，沾染信号分量值可归因于单元6根据其水平、对角和垂直安置的邻近单元的变化，原因首先是距离，其次是包括单独一个邻近单元本身特性的其他因素。可将单元6的邻近单元描述为由如下多圈组成：第一圈包括来自四个在行j-1、j、j+1和列i-1、i、i+1中水平和垂直相连的单元，即a_i-1，j、a_i，j-1、a_i，j+1、a_i+1，j的对信号沾染的影响;第二圈包括来自四个对角相连单元即a_i-1，j、a_i-1，j+1、a_i+1，j-1、a_i+1，j+1的对信号沾染的影响;第三圈包括来自两个不相连垂直和水平地相邻单元，即a_i，j+2、a_i+2，j的对信号沾染的影响;第四圈包括来自四个不相连对角邻近单元，即a_i-1，j+2、a_i+1，j+2、a_i+2，j-1、a_i+2，j+1的对信号沾染的影响;以及第五圈包括对来自一个非对角相邻单元，即a_i+2，j+2的对信号沾染的影响。

由行扫描器24从单元6读出信号而引起的相邻单元对受沾染数据20的这些影响，可通过使总视频信息经受旨在衰减泄漏信号分量14的大部分的滤波而减至最小。一种滤除这种泄漏数据的方法是利用适合泄漏因子的有限脉冲响应（FIR）滤波器。FIR滤波器用来滤除，也即，从每一单元的总视频信息中减去相当于相应邻近单元的泄漏因子 的量。这样的滤波有效地减弱了上述的拖影效应。为说明该原理，下面参照图1和2加以说明。例如，如单元6是被考虑的单元，FIR滤波器顺序地（以任何顺序）确定单元6的视频数据，并在光敏单元邻近单元6的一个或多个渐渐扩大的圈内减去或滤除各单元的视频数据以调整泄漏因子。

此处X＜1

将由行扫描器24从相继行中每一光敏单元电荷中顺序地读出的图象信号A顺序地加到滤波器30的输入端32。使输入信号经过两个τ₁由元件34、36串行地耦合到输入节点32。该延迟间隔τ₁表示在从CCD单元“定时”（clock）读出电荷时在一个光敏单元上读出该电荷带来 的延迟。间隔H表示在同一列中（即使在相继行中）读出光敏单元上电荷间的延迟。

由延迟元件36传输的信号通过延迟元件38受到等于H-2τ₁的第二次延迟，而由延迟元件38传输的信号通过延迟元件40、42受到相继的间隔为τ₁的延迟。然后，由延迟元件42传输的信号通过延迟元件44受到间隔H-2τ₁的延迟，而由延迟元件44传输的信号通过延迟元件46、48逐次受到间隔τ₁的延迟。

通过延迟元件42、46传输的信号由加法器50相加以提供一个第一中间信号，该中间信号由加法器52加到通过延迟元件34、38传输的信号中，由加法器52产生的总和由第一校正级54进行因子为“X”的衰减以形成第一校正信号。可注意到，由加法器50、52组合并由第一校正级54使之衰减的四个信号对应于顺序从围绕单元6的两个水平相连光敏单元和两个垂直相连光敏单元读出的信号，同时，对第一圈内的四个光敏单元的校正因子“X”可测量或凭经验来确定。

通过延迟元件44、48传输的信号由加法器56相加以提供一个第二中间信号，同时由第三加法器58将第二中间信号、由延迟元件36传输的信号和由扫描器24加到输入节点32的信号相加;加法器58产生的和在第二滤波级60按因子 予以衰减从而形成第二校正信号。

可注意到由加法器56、58进行相加并在滤波级60衰减的四个信号相当于从与单元6对角相连的四个光敏单元中读出电荷的四个信号。使该四个信号的和得以衰减的倍增因子与那些对角相连单元离开光敏单元6分隔的较大距离相关。由于X的值通常在0.1到0.4之间变化，在第二圈内四个单元对沾染所起的作用比在第一圈中水平和垂直相连单元要略微小些。

由第五加法器62对第一和第二校正信号进行相加以产生累积校正信号。第六加法器64从由第四延迟元件40所传输的信号中减去累积校正信号以便为单元6产生最终图象信号，该最终图象信号已对归因于第一和第二圈内相邻单元的沾染进行了校正。可注意到由延迟元件40传输的信号对应于从光敏单元6的电荷中读出的未予校正的图象信号。

受沾染（CCD）视频数据的滤波最好在对CCD数据作进一步处理之前完成这样更简单。例如，在计算亮度和色度信息（Y、I及Q或R-Y、B-Y）之前完成。而且，数据处理可包括“伽马”（“gamma”）校正。

FIR滤波器通过减弱或基本上消除由“泄漏”带来的拖影效应，在最终图象中恢复了所要求或期望的锐度。

尽管本发明的概念是作为实施于视频TV摄像机中的情形加以描述的，但显然应当理解，上述原理可用于任何传感元件的阵列中而且并不局限于CCD单元，只要该场合在邻近的，更具体地说，在邻接的感测元件之间显示出泄漏。

Claims (8)

1、一种用以感测由辐射能传送的图象并以电信号形式产生该图象单元样本的系统，该系统包括一固态成象装置，该成象装置是一种带有被编号阵列的装置，连接一些感测辐射的器件，所述由辐射能传送的图象的单元紧接这些器件；该成象装置还带有一扫描器，用以从每一所述感测辐射的器件顺序读出由辐射冲击所产生的电信号，从而从所述成象装置产生电输出信号的相继的样本；每一所述感测辐射的器件都产生一个电信号，该电信号含有用来衡量冲击该器件的辐射能大小所需的主要分量，由每一所述感测辐射的器件产生的该电信号还含有一些较小的不希望有的交叉耦合分量，该分量反映出冲击邻近的感测辐射的器件的辐射能大小，这些分量与所述需要的主要分量之比是已知的；这一系统的电路中包括一个有限脉冲响应(FIR)滤波器，以提供一种对所述扫描器选择出的电信号作出响应的一维空间滤波器，从而消除平行于行扫描方向上的交叉耦合分量；本系统的特征在于，所述被编号的阵列(10)是一个在两个垂直方向上延伸的二维表面阵列；该系统还包括一个不仅在平行于行扫描方向上、而且在所述感测辐射的器件当时的主要一个器件辐射的所有方向上均能消除交叉耦合分量的电路，用以在所述扫描方向上消除交叉耦合分量的该电路包含一个有限脉冲响应(FIR)滤波器(30)，以作为一种对所述扫描器(24)选择出的电信号作出响应的二维空间的滤波器，该二维空间滤波器在垂直于扫描线方向上的跨度足以包含来自许多引起主要交叉耦合分量的扫描行的电信号至所述感测辐射的器件当时的主要一个器件上的电信号的各个样本；而该二维空间滤波器在平行于扫描线方向上的跨度则包含来自许多引起主要交叉耦合分量的感测辐射的器件的电信号至该感测辐射的器件当时的主要一个器件上的电信号的各个样本；并且此二维空间滤波器对来自所述感测辐射的器件当时的主要一个器件的电信号和来自该当时的主要一个器件周围的一些所述感测射的器件电信号的加权求和信号产生不同的响应，其中所述的各信号的加权是依据它们的不希望有的交叉耦合信号与来自所述感测辐射的器件当时的主要一个器件的电信号之比而分别作出的。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述有限脉冲响应（FIR）滤波器包括：

电延迟线构件（34，36，38，40，42，44，46），具有一个输入端，用以接收来自所述扫描器（24）的成象装置输出信号样本，和第一到第五个输出端，在这些输出端上加有对来自所述扫描器的样本作出延迟响应的信号，在其第三输出端上所加的对来自所述扫描器的样本作出延迟响应的信号相应于来自所述感测辐射的器件当时的主要一个器件的电信号;所述电延迟线构件是这样类型的构件：它对来自要进行延迟的所述扫描器样本作出延迟响应，其在所述第二输出端较在第一输出端上延迟更多时间，该时间等于一个扫描行间隔时间减去一个象单元间隔时间;其在所述第三输出端较在第一输出端上延迟更多时间，该时间等于一个扫描行间隔时间;其在所述第四输出端较在第一输出端上延迟更多时间，该时间等于一个扫描行间隔时间加上一个象单元间隔时间;而在所述第一输出端较在第一输出端延迟更多时间，该时间等于两个扫描行间隔时间;

加法电路（50，52），具有与所述电延迟线构件的第一、第二、第三、第四及第五输出端连接的输入端，和一个连接输出端;以及

乘法器（54），具有与所述加法电路的连接输出端连接的输入端，和一个连接输出端，用以提供至少一部分来自所述当时的主要一个器件周围的一些所述感测辐射的器件电信号的加权求和信号。

3、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电延迟线构件是由单独一条带有顺序抽头的电延迟线构成的，这些抽头为该由延迟线构件提供了所述第一至第五输出端子。

4、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电延迟线构件（34，36，38，40，42，44，46，48）是这样类型的构件：它还有第六、第七、第八和第九输出端;在该类型的电延迟线构件的、对来自要进行延迟的所述扫描器的样本作出延迟响应的、所述第一输出端上所加的信号相应于所述第六输出端上的信号延迟更多时间，该时间等于一个象单元的间隔时间;其在所述第七输出端较在第一输出端上延迟更多时间，该时间等于一个象单元的间隔时间;其在所述第五输出端较在第八输出端上延迟更多时间，该时间等于一个象单元的间隔时间;而在所述第九输出端较在第五输出端上延迟更多时间，该时间也等于一个象单元的间隔时间;

还设有另外的加法电路（56，58），具有与所述电延迟线构件的第六、第七、第八及第九输出端连接的输入端，和一个连接输出端;以及

还没有另一乘法器（60），具有与所述另外的加法电路的连接输出端连接的输入端，和一个连接输出端，用以提供另一部分来自所述当时的主要一个器件周围的一些所述感测辐射的器件电信号的加权求和信号。

5、如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电延迟线构件的第六输出端与所述输入端连在相同点上。

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电延迟线构件是由单独一条带有顺序抽头的电延迟线构成的，这些抽头为该电延迟线构件提供了所述第六、第一、第七、第二、第三、第四、第八、第五和第九输出端子，其中第六抽头经过第一一个象单元延迟元件（34）而连到第一抽头上，所述第一抽头经过第二一个象单元延迟元件（36）而连到第七抽头上，所述第七抽头经过第一一个扫描行减两个象单元延迟元件（38）而连到第二抽头上，所述第二抽头经过第三一个象单元延迟元件（40）而连到第三抽头上，所述第三抽头经过第四一个象单元延迟元件（42）而连到第四抽头上，所述第四抽头经过第二一个扫描行减两个象单元延迟元件（44）而连到第八抽头上，所述第八抽头经过第五一个象单元延迟元件（46）而连到第五抽头上，以及所述第五抽头经过第六一个象单元延迟元件（48）而连到第九抽头上。

7、如权利要求4、5或6所述的系统，其特征在于，还设有又一加法电路（62），该加法电路具有与所述乘法器（54）和所述另一乘法器（60）的连接输出端相连接的输入端，和一个连接输出端，用以提供来自所述当时的主要一个器件周围的一些所述感测辐射的器件电信号的加权求和信号。

8、如权利要求7所述的系统，其特征在于，还设有一减法电路（64），该电路具有与所述电延迟线构件（34，36，38，40，42，44，46，48）的第三端和所述又一加法电路（62）的输出端相连接的输入端，和一个连接输出端，用以提供对来自所述感测辐射的器件中的当时的主要一个器件的电信号和来自该当时的主要一个器件周围的一些所述感测辐射的器件电信号的加权求和信号的所述不同响应。

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