CN107835337A - 黑白面阵ccd相机平场校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相机校正技术领域，公开一种黑白面阵CCD相机平场校正方法及系统。本发明方法包括：关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像，得到与图像排列方式相同的暗本底矩阵；在正常使用条件下，采集标准白平衡纸图像，得到与图像排列方式相同的标准白矩阵和灰度特性矩阵；然后在CCD相机响应特性与光源入射光线强度特性与采集标准白平衡纸图像相同的条件下，采集实际目标图像，得到实际图像矩阵；最后根据得到的前述相关矩阵参数计算实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵。

Description

黑白面阵CCD相机平场校正方法及系统

技术领域

本发明涉及相机校正技术领域，尤其涉及一种黑白面阵CCD相机平场校正方法及系统。

背景技术

高质量图像是指能够真实地记录被测目标的结构、状态、纹理或颜色的图像。机器视觉系统通过对图像的处理和分析，最终实现了产品的分类、识别、检测或测量。高质量的图像有利于图像分割、边缘提取等处理，有利于特征提取以及最终的分类、识别、检测或测量。因此，获取高质量的图像是构建机器视觉系统的第一步。

对于应用于工业领域的机器视觉系统，许多都是利用黑白面阵CCD相机(下文简称“CCD相机”)在固定成像环境(如：光源照度、曝光时间等)下，进行目标图像的采集。此类系统影响图像质量的因素主要有三个方面，即：相机、光源和被摄物体本身。对于CCD相机而言，即使在照度均匀的光源照射下，对灰度特性均匀的目标进行成像，仍然可能会有一些小的不均匀性(又称作“不平场”)存在，这种不均匀性主要是由相机本身响应的不均匀性、暗电流以及偏置所引起的。只有通过有效的平场校正方法对其进行进一步校正，方可使校正后的图像能够真实地表现被测目标的亮度信息。

理想的CCD相机可看作一个理想系统，其阵列上各个光敏单元在完全相同的照射条件下，会产生数量相同的输出电荷，即输出强度均匀的图像。而实用的CCD相机并非是理想系统，对于一个目标其输出的图像可记做Image(x,y)，它包括以下几个部分：

偏置图像：即使曝光时间为0，仍会有一个图像输出，记做Offset(x,y)。

暗场图像：即使没有光照，仍会有一个随时间增强的暗场图像输出，记做Dark(x,y)。

目标图像：由被测目标产生的光电子像，记做Signal(x,y)。即：

Image(x,y)＝Signal(x,y)+Dark(x,y)+Offset(x,y) 公式(1)

对于一个灰度均匀的目标，可能会输出一个强度不均匀的目标图像，记做Standard(x,y)，设其真实灰度值为Gray。在完全相同的条件下，相机采集某一目标的图像，其输出为Object(x,y)，如果希望将其恢复成一个通过理想系统所成的像Object′(x,y)，则：

上述过程即为对CCD相机进行了平场校正。

发明内容

本发明的目的在于公开一种新的黑白面阵CCD相机平场校正方法及系统。

为达上述目的，本发明公开一种黑白面阵CCD相机平场校正方法，包括：

关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像，得到与图像排列方式相同的暗本底矩阵Mat_a；

在正常使用条件下(即满足能正常拍照的条件)，采集标准白平衡纸图像，得到与图像排列方式相同的标准白矩阵Mat_b和灰度特性矩阵

在所述CCD相机响应特性与光源入射光线强度特性与采集标准白平衡纸图像相同的条件下，采集实际目标图像，得到实际图像矩阵Mat_s；

计算所述实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵计算公式为：

可选地，上述响应特性以矩阵X表示，所述矩阵X对应光敏单元(x,y)的响应特性X(x,y)为：X(x,y)＝Y_c×k_c×f(x,y)×M_c；

其中，Y_c为相机的模数转换系数，k_c为所述光敏单元的注入时间与电子电荷量的乘积，f(x,y)为所述光敏单元量子效率η(x,y)与受光面积A(x,y)的乘积，M_c为反映目标的灰度特性入射光强度ω_r(x,y)、反射光强度n_f(x,y)三者映射关系的常系数，其中，

上述入射光强度特性以矩阵ω_r表示，所述入射光强度ω_r(x,y)为所述矩阵ω_r相对于图像排列方式的矩阵元素。

基于上述方法的启示，本领域技术人员可以对应开发一套执行上述方法的配套系统。该系统包括：

第一参数获取模块，用于关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像，得到与图像排列方式相同的暗本底矩阵Mat_a；

第二参数获取模块，用于在正常使用条件下，采集标准白平衡纸图像，得到与图像排列方式相同的标准白矩阵Mat_b和灰度特性矩阵

第三参数获取模块，用于在所述CCD相机响应特性与光源入射光线强度特性与采集标准白平衡纸图像相同的条件下，采集实际目标图像，得到实际图像矩阵Mat_s；

校正模块，用于计算所述实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵计算公式为：

采用本发明的技术方案，对相应图像进行平场校正处理后，可得到较好的平场结果，校正后的图像灰度值基本一致。操作简单便捷，校正结果实用、高效；从而可广泛应用于固定光照条件与固定积分时间的机器视觉检测或测量系统，它使得背景图像更加均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为CCD相机某一行光敏单元暗场加偏置图像示意图；

图2为本发明实施例CCD相机平场校正流程图；

图3为标准灰度色卡图像的灰度三维显示图；

图4为将图3进行平场校正后图像的灰度三维显示图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

实施例1

本实施例中，影响CCD相机平场的主要因素包括：光敏单元的响应差异、光源的不均匀性、各光敏单元的暗电流以及偏置。各因素分述如下：

(一)、光敏单元的响应差异

CCD相机各光敏单元在量子效率、受光面积等方面不尽相同，使得对于相同条件下的入射光得到不同的输出电荷，如下式所示：

Q(x,y)＝η(x,y)×q×A(x,y)×S(x,y) 公式(3)

S(x,y)＝n(x,y)×T 公式(4)

式中，η(x,y)为光敏单元的量子效率；q为电子电荷量；A(x,y)为光敏单元的受光面积；n(x,y)为光子流速率(光强)；T表示注入时间(又称积分时间)；S(x,y)为光谱辐射量度。这些因素与输出的电荷量Q(x,y)成正比。在图像获取的过程中，对于CCD阵列各光敏单元，其注入时间及电子电荷量可看作完全相同，故可用常数k_c代替。将光敏单元量子效率η(x,y)与受光面积A(x,y)的乘积用f(x,y)表示，则上式变为：

Q(x,y)＝k_c×f(x,y)×n(x,y) 公式(5)

由上式可知，对于不同的光敏单元，由于量子效率和受光面积的影响，即使光强相同，其输出的电荷也不一定相同。

(二)、光源的不均匀性影响

光源射出的光线经过目标表面反射后进入CCD相机进行成像。由于光源本身存在的不均匀性，即使经过灰度特性完全相同的目标反射后，所形成的光强度也并不完全一致。目标的灰度特性、入射光强度、反射光强度三者关系可用下式近似表示：

式中，n_f(x,y)为反射光线强度，亦即式(5)中射入CCD的光子流速率n(x,y)；ω_r(x,y)为照射在目标上的入射光线强度；为目标灰度特性；M_c为一常系数。因此，由于入射光强ω_r(x,y)的不均匀性，直接导致进入CCD相机的反射光线强度n_f(x,y)呈非均匀性。

(三)、CCD光敏单元暗电流及偏置的影响

在无入射光的条件下，CCD相机的电容是不可能饱和的，因此还会有暗电流及偏置存在。图1为某型号CCD相机输出的某一行光敏单元(或称像素)暗场加偏置图像。

图像中暗场及偏置的存在程度与相机本身质量及性能有关，几乎所有的CCD相机都存在这一现象。CCD相机最终输出信号P_CCD(x,y)与相机光敏单元的输出电荷Q(x,y)之间的关系如下式：

P_CCD(x,y)＝Y_c[Q(x,y)+I_a(x,y)×T]+G_pz(x,y) 公式(7)

其中，P_CCD(x,y)为对应某一光敏单元的CCD相机输出信号(或称灰度值)；Y_c为相机的模数转换系数，可看作常数；Q(x,y)为该光敏单元的输出电荷，亦即公式(5)中输出电荷量；I_a(x,y)为其暗电流强度；T为相机积分时间，各光敏单元一致；G_pz(x,y)为该光敏单元的偏置。由此可知，CCD相机的暗电流及偏置对输出信号将产生直接影响。

综上，将公式(5)、公式(6)代入公式(7)中得到：

其中，将X(x,y)＝Y_c×k_c×f(x,y)×M_c用系数X(x,y)代替，X(x,y)为对应光敏单元的响应特性；将Y_c×T用常数L_c代替，则上式可改写为：

基于上述三个影响相机平场的主要因素，对应的平场校正方法如图2所示，包括下述捕捉：

(1)：关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像(为更好地避免噪声，可间隔采集多幅进行平均)，并保存成与图像排列方式相同的暗本底矩阵Mat_a。其对应着公式(9)中的L_c×I_a(x,y)+G_pz(x,y)部分。

(2)获取标准白矩阵

在正常使用条件下，获取标准白平衡纸图像，并保存成与图像排列方式相同的标准白矩阵Mat_b。需注意的是，所得到的白平衡纸图像不能存在过饱和像素，即P_CCD(x,y)＜255。

(3)对实际图像进行平场校正

在正常使用条件下获取实际图像，即得到其对应的实际图像矩阵Mat_s，根据公式(9)可知：

其中，表示实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵，为白平衡纸的灰度特性矩阵，可定为常数，本实施例可设定为240，实际应用中可视具体情况做出相应调整。由于获得白矩阵与获得实际图像矩阵时的外部条件相同，故响应特性矩阵X与光源入射光线强度矩阵ω_r是相同的，可约去，则公式(10)可改为：

其中，由于Mat_b、Mat_a及Mat_s为已知，即可计算出

为了方便计算，上式还可以改写为：

将上式的部分用Mat_c代替，则上式可以写成：

【实验验证】

为了验证上述平场校正方法的有效性，采用灰度值为h的标准色卡作为反光均匀的目标，并在一定实验条件下获取目标的灰度图像。由于本文分析的各种因素影响，使得标准灰度色卡图像像素的灰度值存在较大差异，如图3所示。

对该图像进行平场校正处理后，可得到较好的平场结果。如图4所示，校正后的图像灰度值基本一致。

研究与实验表明，通过对实际目标图像进行有效的平场处理可得到较为理想的输出结果。该方法可广泛应用于固定光照条件与固定积分时间的机器视觉检测或测量系统，它使得背景图像更加均匀。值得注意的是，该方法获得的实际图像灰度特性矩阵是以标准白矩阵为基准的相对值，想要得到实际图像矩阵的真实值，可通过指定标准白矩阵的真实灰度值来实现。

实施例2

本实施例公开一种对应执行上述方法中相关处理流程的黑白面阵CCD相机平场校正系统。该系统的开发为本领域技术人员基于计算机技术和本发明上述方法实施例关于处理流程的技术指导而容易实施的技术，不做赘述。

较佳的，本实施例系统包括：

第一参数获取模块，用于关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像，得到与图像排列方式相同的暗本底矩阵Mat_a；

第二参数获取模块，用于在正常使用条件下，采集标准白平衡纸图像，得到与图像排列方式相同的标准白矩阵Mat_b和灰度特性矩阵

第三参数获取模块，用于在该CCD相机响应特性与光源入射光线强度特性与采集标准白平衡纸图像相同的条件下，采集实际目标图像，得到实际图像矩阵Mat_s；

校正模块，用于计算该实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵计算公式为：

同上述方法实施例，本实施例所述的响应特性以矩阵X表示，该矩阵X对应光敏单元(x,y)的响应特性X(x,y)为：X(x,y)＝Y_c×k_c×f(x,y)×M_c；

其中，Y_c为相机的模数转换系数，k_c为该光敏单元的注入时间与电子电荷量的乘积，f(x,y)为该光敏单元量子效率η(x,y)与受光面积A(x,y)的乘积，M_c为反映目标的灰度特性入射光强度ω_r(x,y)、反射光强度n_f(x,y)三者映射关系的常系数，其中，以及

该入射光强度特性以矩阵ω_r表示，该入射光强度ω_r(x,y)为该矩阵ω_r相对于图像排列方式的矩阵元素。

综上所述，采用本发明的平场校正方法及系统，对相应图像进行平场校正处理后，可得到较好的平场结果，校正后的图像灰度值基本一致。操作简单便捷，校正结果实用、高效；从而可广泛应用于固定光照条件与固定积分时间的机器视觉检测或测量系统，它使得背景图像更加均匀。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，包括：

关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像，得到与图像排列方式相同的暗本底矩阵Mat_a；

在正常使用条件下，采集标准白平衡纸图像，得到与图像排列方式相同的标准白矩阵Mat_b和灰度特性矩阵

在所述CCD相机响应特性与光源入射光线强度特性与采集标准白平衡纸图像相同的条件下，采集实际目标图像，得到实际图像矩阵Mat_s；

计算所述实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵计算公式为：

2.根据权利要求1所述的黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，所述响应特性以矩阵X表示，所述矩阵X对应光敏单元(x,y)的响应特性X(x,y)为：X(x,y)＝Y_c×k_c×f(x,y)×M_c；

其中，Y_c为相机的模数转换系数，k_c为所述光敏单元的注入时间与电子电荷量的乘积，f(x,y)为所述光敏单元量子效率η(x,y)与受光面积A(x,y)的乘积，M_c为反映目标的灰度特性入射光强度ω_r(x,y)、反射光强度n_f(x,y)三者映射关系的常系数，其中，

3.根据权利要求2所述的黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，所述入射光强度特性以矩阵ω_r表示，所述入射光强度ω_r(x,y)为所述矩阵ω_r相对于图像排列方式的矩阵元素。

4.根据权利要求1至3任一所述的黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，所述CCD相机最终输出信号P_CCD(x,y)与相机光敏单元的输出电荷Q(x,y)之间的关系如下式：

P_CCD(x,y)＝Y_c[Q(x,y)+I_a(x,y)×T]+G_pz(x,y)；

其中，P_CCD(x,y)为对应光敏单元(x,y)的CCD相机输出灰度值，Y_c为相机的模数转换系数，Q(x,y)为所述光敏单元的输出电荷量，I_a(x,y)为暗电流强度，T为相机积分时间，G_pz(x,y)为所述光敏单元的偏置。

5.根据权利要求4所述的黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，Q(x,y)＝η(x,y)×q×A(x,y)×S(x,y)；S(x,y)＝n(x,y)×T；

其中，η(x,y)为光敏单元的量子效率；q为电子电荷量；A(x,y)为光敏单元的受光面积；n(x,y)为光子流速率；S(x,y)为光谱辐射量度。

6.根据权利要求1至3任一所述的黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，所述暗本底矩阵Mat_a为多幅采集暗本底图像的平均值。

7.根据权利要求1至3任一所述的黑白面阵CCD相机平场校正方法，其特征在于，采集得到的所述标准白平衡纸图像不能存在过饱和像素。

8.一种用于如权利要求1至7任一所述方法的黑白面阵CCD相机平场校正系统。

9.根据权利要求8所述的黑白面阵CCD相机平场校正系统，其特征在于，包括：

第一参数获取模块，用于关闭CCD相机的光圈，采集暗本底图像，得到与图像排列方式相同的暗本底矩阵Mat_a；

第二参数获取模块，用于在正常使用条件下，采集标准白平衡纸图像，得到与图像排列方式相同的标准白矩阵Mat_b和灰度特性矩阵

第三参数获取模块，用于在所述CCD相机响应特性与光源入射光线强度特性与采集标准白平衡纸图像相同的条件下，采集实际目标图像，得到实际图像矩阵Mat_s；

校正模块，用于计算所述实际图像经平场校正后的相对灰度特性矩阵计算公式为：

10.根据权利要求9所述的黑白面阵CCD相机平场校正系统，其特征在于，所述响应特性以矩阵X表示，所述矩阵X对应光敏单元(x,y)的响应特性X(x,y)为：X(x,y)＝Y_c×k_c×f(x,y)×M_c；

其中，Y_c为相机的模数转换系数，k_c为所述光敏单元的注入时间与电子电荷量的乘积，f(x,y)为所述光敏单元量子效率η(x,y)与受光面积A(x,y)的乘积，M_c为反映目标的灰度特性入射光强度ω_r(x,y)、反射光强度n_f(x,y)三者映射关系的常系数，其中，以及

所述入射光强度特性以矩阵ω_r表示，所述入射光强度ω_r(x,y)为所述矩阵ω_r相对于图像排列方式的矩阵元素。