CN105794115A - 多通道匹配方法 - Google Patents

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Abstract

在具有数字输出的多通道检测器中用于匹配一个或多个通道至参考通道的方法，该方法包括：为各通道从所述多通道检测器接收模数单元(ADU)的输入值；以及用来自查找表(LUT)的对应各通道的输出值替换ADU的输入值，其中LUT通过以下创建：在电压值的范围内，从与参考通道相比的各通道，获取信号的相对强度比率；计算在检测器上的信号值，所述检测器在该检测器的整个ADU范围内产生特定的ADU值；插补所述相对强度比率，以获得各通道的计算得到的信号值的相应比率；以及由相应插值比率分离各特定ADU，以获得各通道的相应输出值。

Description

多通道匹配方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年10月31日提交的序列号为61/898,099的美国临时申请的优先权。美国临时申请61/898,099的公开内容特此通过引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及多通道探测器领域，特别涉及用于在具有数字输出的多通道检测器中匹配一个或多个通道至参考通道的方法和装置。
背景技术
在多通道数字摄像机中，通道匹配或通道平衡对许多应用来说是基本需求，尤其是那些设计为人眼可见的输出，例如显示输出或硬拷贝输出。但是，通道平衡会需要相当多的计算和和校准资源。因此，需要一种不需要过多计算和校准资源的通道平衡方法。
发明内容
通道平衡会需要相当多的计算和和校准资源。本发明的实施例不需要过多的多的计算和和校准资源，恰恰相反，仅需要结合与参考通道相关的比率式特性描述，随后响应该摄像机的用户增益设置的数字查找表。在一实施例中，该方法在CCD摄像机上实现，并且在该设备的动态范围内和用户增益设置的范围内实现了非常好的匹配。
本发明的一个实施例提供了在具有数字输出的多通道检测器中用于匹配一个或多个通道至参考通道的方法，该方法包括：为各通道从所述多通道检测器接收模数单元(ADU)的输入值；以及用来自查找表(LUT)的对应各通道的输出值替换ADU的输入值，其中LUT通过以下创建：在电压值的范围内，从与参考通道相比的各通道，获取信号的相对强度比率；计算在检测器上的信号值，所述检测器在该检测器的整个ADU范围内产生特定的ADU值；插补所述相对强度比率，以获得各通道的计算得到的信号值的相应比率；以及由相应的插值比率分离各特定ADU，以获得各通道的相应输出值。
本发明的另一实施例提供了一种图像系统，包括：多通道检测器，其具有数字输出、一个或多个通道以及参考通道；存储器件；以及图像处理器，其配置为：从各通道接收模数单元(ADU)的输入值；以及用来自存储在所述存储器件内的查找表(LUT)的对应各通道的输出值，替换ADU的输入值，其中LUT通过以下创建：在电压值的范围内，从与参考通道相比的各通道，获取信号的相对强度比率；计算在检测器上的信号值，所述检测器在该检测器的整个ADU范围内产生特定的ADU值；插补所述相对强度比率，以获得各通道的计算得到的信号值的相应比率；以及由相应插值比率分离各特定ADU，以获得各通道的相应输出值。
附图说明
图1是简化的4输出(4-tap)CCD和数字化系统。
图2表示来自4通道CCD摄像机的在象限2中获得的信号如何与在象限1中获得的信号相比的相对强度。
图3表示来自4通道CCD摄像机的在象限3中获得的信号如何与在象限1中获得的信号相比的相对强度。
图4表示来自4通道CCD摄像机的在象限4中获得的信号如何与在象限1中获得的信号相比的相对强度。
具体实施方式
根据本发明原理的示范性实施例描述应当结合附图理解，附图是整个文字描述的一部分。在此公开的本发明实施例的描述仅用于便于阐明本发明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。关系词，例如“较低”、“较高”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其衍生用语应当被解释为参考涉及的附图。这些关系词仅用于方便描述，除非有明确的表述，否则并不要求装置按照特定的方向制造或操作。词语，例如“附”、“贴”、“连接”、“耦合”、“相互连接”以及涉及类似关系，除非另有明确说明，在上述关系中，结构通过直接或间接干涉的结构，彼此相互固定或连接，并且两者都可动或刚性附着或联系。而且，通过参考实施例说明本发明的特征和优点。因此，本发明不应当受到描述了一些可能的非限制性的特征组合的实施例限制，其中所述特征可以单独存在或存在其他的特征组合中；本发明的范围由所附的权利要求定义。
本发明描述了最佳方式或目前预期的实践本发明的方式。这些描述不应当被理解为一种限制，而是以示例性目的提供仅通过引用附图表现本发明的示例，以引导一个本领域技术人员了解本发明的优势和结构。在附图的各视图中，相同的标号指示相同或相似的部分。
在使用对接或集成的多通道焦平面阵列的图像系统中，由于在各信号路径中的个体参数差异，每个通道都具有其独特的传递函数。因此需要“平衡”各通道来产生平滑或“无缝”图像。
纠正预输出(per-tap)差异的传统方法是，由一阶线性方程y＝mx+b为各通道建立模型，其中x为输入信号，y为输出信号。
图1表示简化的4-tapCCD100和数字化系统。在本系统中，各通道假定为呈完全的线性，但相对于其他通道，在整体增益和偏移(直流偏置)上具有小差异。各通道利用可编程增益放大器(PGA)111、112、113、114和A/D转换器121、122、123、124，该放大器和模数转换器通常集成在被称为模拟前端或AFE的单独的设备上。通道2-4具有下游数字增益和偏移纠正，该下行数字增益和偏移纠正记作加法器132、133、134和具有系数Gi和OFSi(i＝2，3，4)的乘法器142、143、144。
通道1视为参考通道。为了简化，假设通道1未经修正，而所有其他的通道都受到修正以尽可能按实际精确地匹配通道1。
模拟PGA用户增益设置等于Guser。当用户调节增益滑块时，所有通道受到同样的调节，但是所有其他通道将需要对该增益设置deltai进行调整，其中i是通道索引(i＝2，3，4)。如果需要精密调节，利用修正因子Gi和OFSi(i＝2，3，4)的数字加法和乘法阶(addandmultiplystages)，能够实现额外的数字修正。
需要考虑到模拟可编程增益放大器(PGA)的影响。结合通道非线性的可编程的模拟增益工序引入增益依赖误差的实际考虑(稍后再提及由于非线性效应的信号依赖)。因此，该系统将会需要工作在一组Guser值周围的增益设置的受限范围的一系列修正。在运作期间，由于用户增益在整个可用增益范围内调节，则根据预定阈值选择不同组的修正值。由于调节了各PGA放大器，本方案为偏离理想状态提供补偿，其部分地为上行非线性提供补偿，因为不同修正可用于不同区间的上游传递函数。
例如，当Guser＝1和临近5、10、15、20、25、30和35，我们能够使用不同修正。在普遍情况下，存储值将变为：
Guser1：delta21，delta31，delta41，G21，G31，G41，OFS21,OFS31,OFS41
Guser2：delta22，delta32，delta42，G22，G32，G42，OFS22，OFS32，OFS42
…
Guserj：delta2j，delta3j，delta4j，G2j,G3j，G4j，OFS2j，OFS3j，OFS4j
其中，j是需要唯一一组修正系数的增益范围内的间隔数，并且其中，j是通过表征一组典型系统来凭经验确定。
该组系数对于各单元而言将是唯一的，并将在校准设备上计算得到。
在摄像机或主机上可以完成简单的相乘，尽管在本文的场景中执行该操作的位置并不重要。
在实践中，各通道内的非线性导致这些修正仅在x值范围的子集内适用，并且有必要改善。
下面叙述了一个本发明的非限制性的实施例，在一个更宽的摄像机运作条件的范围下提高通道匹配。为了易于说明，采用了4通道CCD摄像机的实例。在该例中，4个通道分别对应传感器的四个象限。一般而言，该方法适用于具有任意通道数的多通道检测器。
图2-4表示在象限2-4中获得的来自4通道CCD摄像机的信号与在象限1中获得的来自4通道CCD摄像机的信号的相对强度的比较情况。需要注意，不同摄像机/检测器将具有不同的相对强度。图2-4所示的数值仅用于说明目的。在本例中，偏移校正OFS都为零，因此被排除。
在图2-4中，y轴表示所给的象限相对于象限1的强度比率，x轴表示以毫伏为单位的通道1的信号电平。图2-4表示在CCD的整个动态范围内，象限的相对强度。需要注意，用在任一时刻的比率数据的实际范围是基于4个通道的期望增益Guser。
在本发明的一实施例中，为各个象限创建又名为LUT的查找表，其值来源于信号对比通道比率，或图2-4所示的“主表”。LUT由基于增益设置Guser的主表创建，并且为查找表转换返回到数字值。由于创建了Guser，减少了所使用的主表的程度。
例如，当Guser＝1，完整的主表(x的值从0-500mV)用于各个通道。当Guser＝2，只使用主表的一半(x的值从0-250mV)。由于LUT在更高的Guser值上具有更少的条目，需要插补填充中间值。
为创建依赖Guser的查找表，以主表开始，主表包括以毫伏(mV)表示的，相对于多个象限之一的相对增益(在本例中以象限1作为参照，但一般情况下，任何象限都能作为参照)。实例如表1所示。
mV 增益1 增益2 增益3 增益43 -->
0 1 1.07407 1.125893 1.086194
1.32811 1 1.080279 1.127423 1.09741
1.349378 1 1.086488 1.128953 1.108627
1.392361 1 1.082387 1.129363 1.088252
1.480501 1 1.063681 1.090904 1.08377
1.879822 1 1.04498 1.078453 1.093611
… … … … …
501.7231 1 0.939206 0.895597 0.952055
502.605 1 0.939324 0.895674 0.951926
503.2774 1 0.939368 0.895662 0.951835
表1
下一步，使用方程1计算CCD上的mV信号，其将在摄像机的整个ADU的范围内(例如，12位摄像机上的0-4095，14位摄像机上的0-16383，等)，生成具体的数字值(ADU)。
其中VADU是摄像机的最终ADC的满电压量程，DRange是ADU的最大值(4096、16383等)，D是特定ADU值(0-4095、0-16383等)，Gain(增益)是在信号到达ADC前的以毫伏为单位的CCD信号放大倍数。然后不同象限增益根据mV，从主表线性插值。该计算结果的实例如表2所示。
mV ADU 象限1 象限2 象限3 象限4
0 0 1 1.07407 1.125893 1.086194
0.018821 1 1 1.074158 1.125915 1.086353
0.037641 2 1 1.074246 1.125936 1.086512
0.056462 3 1 1.074334 1.125958 1.086671
0.075283 4 1 1.074422 1.12598 1.08683
0.094104 5 1 1.07451 1.126001 1.086989
… … … … … …
308.3024 16381 1 0.932147 0.886057 0.957236
308.3213 16382 1 0.932149 0.886059 0.957235
308.3401 16383 1 0.932151 0.886061 0.957233
表2
通过获取输入数字值(ADU)和以相应象限的比例为各ADU值来划分，为各象限创建查找表(LUT)。LUT的实例如表3所示。
LUT输入 Q1 LUT输出 Q2 LUT输出 Q3 LUT输出 Q4 LUT输出
0 0 0 0 0
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
3 3 3 3 3
4 4 4 4 44 -->
5 5 5 4 5
… … … … …
927 927 985 1021 894
928 928 986 1022 895
929 929 988 1023 896
… … … … …
16381 16381 16383 16383 16383
16382 16382 16383 16383 16383
16383 16383 16383 16383 16383
表3
该LUT能够存储在非瞬时性计算机可读媒介内。然后通过获取来自摄像机(LUT输入)的输入ADU，以及根据像素所属的象限(Q1、Q2、Q3或Q4)用输出值(LUT输出)为每个像素替换该输入值的方式，图像处理器使用该LUT来修正图像。
需要注意，表1-3内的数据仅用于说明目的。不同的摄像机/检测器将具有不同的值。
在另一实施例中，上述相似的LUT技术能够单独使用或与四输出(quad-tap)修正一起使用，以修正摄像机的非线性光子响应。这将另外需要校准光源来测量CCD响应已知的光子计数，该光子计数从没有光线击中CCD到CCD饱和。然后能够创建LUT，将CCD的响应映射至已知光，以至期望的线性响应。在单输出模式或(匹配在多输出模式中的象限的)单输出中，可以对于整个CCD立刻完成该过程。
尽管本发明描述地相当详尽，其中的一些特性与一些所述实施例有关，但其目的并不在于将本发明限制在任何此类特性、实施方式或具体实施例，而是解释附属的权利要求，从而鉴于现有技术提供对该权利要求尽可能的解释，以有效地预期本发明的保护范围。此外，上述根据实施例由发明者预见，能够实现。而现阶段无法预见的不涉及本质的修改，依然可视为本发明的等同物。

Claims (6)

1.在具有数字输出的多通道检测器中用于匹配一个或多个通道至参考通道的方法，所述方法包括：
为每个通道从所述多通道检测器接收模数单元(ADU)的输入值；以及
用来自查找表(LUT)的对应每个通道的输出值替换ADU的输入值，
其中，通过以下方式创建LUT：
在电压值的范围内，从与参考通道相比的每个通道获取信号的相对强度比率；
计算在检测器上的信号值，所述检测器在该检测器的整个ADU范围内产生特定的ADU值；
插补所述相对强度比率，以获得与每个通道的计算信号值相应的比率；以及
由相应的插值比率分离每个特定的ADU，以获得每个通道的相应输出值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号值通过下述公式计算，
m V = V A D U × D D R a n g e / G a i n ,
其中mV是所述检测器上的信号，VADU是所述检测器的模数转换的全信号范围，DRange是所述检测器的最大ADU，以及Gain是在模数转换前的检测信号的放大率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多通道检测器是电荷耦合器件(CCD)摄像机。
4.一种图像系统，包括：
多通道检测器，其具有数字输出、一个或多个通道以及参考通道；
存储器件；以及
图像处理器，该图像处理器配置为：
从每个通道接收模数单元(ADU)的输入值；以及
用来自存储在所述存储器件内的查找表(LUT)的对应每个通道的输出值替换
ADU的输入值，
其中，通过以下方式创建LUT：
在电压值的范围内，从与参考通道相比的每个通道获取信号的相对强度比率；
计算在检测器上的信号值，所述检测器在该检测器的整个ADU范围内产生特定的ADU值；
插补所述相对强度比率，以获得与每个通道的计算信号值相应的比率；以及
由相应的插值比率分离每个特定的ADU，以获得每个通道的相应输出值。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述信号值通过下述公式计算，
m V = V A D U × D D R a n g e / G a i n ,
其中mV是所述检测器上的信号，VADU是所述检测器的模数转换的全信号范围，DRange是所述检测器的最大ADU，以及Gain是在模数转换前的检测信号的放大率。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述检测器是多通道的电荷耦合器件(CCD)摄像机。
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