CN114302024B

CN114302024B - 一种电子轰击cmos成像方法及装置

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Publication number: CN114302024B
Application number: CN202111624653.3A
Authority: CN
Inventors: 李力; 刘璇; 金伟其
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114302024A

Abstract

本发明实施例提供一种电子轰击CMOS成像方法及装置，该方法包括：获取图像灰度值；根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。所述电子轰击CMOS成像方法通过自动调节高压电源及曝光时间，实现了高效成像的效果。

Description

一种电子轰击CMOS成像方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体地涉及一种电子轰击CMOS成像方法及装置。

背景技术

目前EBAPS器件实现了关键技术的突破，不仅在10^-3～10^-4lx照明条件下具有较好的实验室成像特性，而且在夜晚野外场景(约10^-3lx)也相对传统ICMOS具有更细腻(高分辨、低噪声)的成像质量。在不同照明条件下，EBAPS器件需要人工手动调节高压电源及曝光时间，这不仅不能获取有效的连续成像，还会产生偶然误差，影响成像效果。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种电子轰击CMOS成像方法及装置，所述电子轰击CMOS成像方法通过自动调节高压电源及曝光时间，实现了高效成像的效果。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种电子轰击CMOS成像方法，该方法包括：获取图像灰度值；根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。

可选的，所述根据图像灰度值选择器件的工作模式，包括：所述器件的初始工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值大于昼模式阈值，则所述工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值小于夜模式阈值，则所述工作模式为夜模式；如果所述图像灰度值不大于昼模式阈值，且所述图像灰度值不小于夜模式阈值，则所述工作模式保持当前模式；所述昼模式阈值大于所述夜模式阈值。

可选的，根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间，包括：所述工作模式为夜模式时，开启所述器件的最大曝光时间，并根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值；所述工作模式为昼模式时，关闭所述器件的高压电源，并根据所述图像灰度值调节曝光时间。

可选的，所述根据所述图像灰度值调节曝光时间为PID调节：

其中，u(t)表示曝光时间或电压值，e(t)为目标灰度值与当前灰度值的差值，K_p是比例调节参数，K_i是积分调节参数，K_d是微分调节参数。

可选的，所述根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值为步进调节。

相应的，本发明实施例还提供一种电子轰击CMOS成像装置，该装置包括：采集模块，用于获取图像灰度值；选择模块，用于根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；调节模块，用于根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。

可选的，所述根据图像灰度值选择器件的工作模式，包括：所述器件的初始工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值大于昼模式阈值，则所述工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值小于夜模式阈值，则所述工作模式为夜模式。

可选的，所述根据所述图像灰度值调节曝光时间为PID调节：

其中，u(t)表示曝光时间，e(t)为目标灰度值与当前灰度值的差值，K_p是比例调节参数，K_i是积分调节参数，K_d是微分调节参数。

可选的，所述器件为EBAPS器件或EBCCD器件。

本发明提供的电子轰击CMOS成像方法根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值自动调节所述器件的高压电源和曝光时间，实现了高效成像的效果。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是现有技术的EBAPS/EBCCD器件结构示意图；

图2是本发明的一种多电子轰击CMOS成像方法示意图；

图3a和图3b是本发明的昼夜切换判断示意图；

图4是本发明的一种夜模式下电压值的调节方法流程图；

图5a和图5b是本发明不同照明情况下的EBAPS分辨率靶测试对比图；

图6a和图6b是本发明野外场景EBAPS与ICMOS的成像效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是现有技术的EBAPS/EBCCD器件结构示意图。如图1所示，所述EBAPS/EBCCD器件至少包括光阴极、输入窗、高压电源及背照CMOS，所述光阴极与背照CMOS之间为真空腔体。电子轰击CMOS直接通过高速电子轰击半导体产生二次电子增益，它将像增强器的荧光屏或者MCP及荧光屏直接替换为背部减薄的背照式CMOS器件，通过高能光电子轰击到半导体中的倍增模式来实现低照度条件下微弱信号的放大。其中，EBAPS的典型特点之一是该器件有电子和光敏两种工作模式，在电子模式，光阴极加高压，进行电子轰击，实现微弱信号的放大；光敏模式，光阴极不加高压，光子直接穿过光阴极到达CMOS。

图2是本发明的一种电子轰击CMOS成像方法示意图。如图2所示，步骤S201为获取图像灰度值，具体的，CMOS传感器使用片上模数转换器(ADC)将光子转换为电子，然后转换为电压，最后转换为数字值。传感器有8路LVDS信号同步输出，由读出电路进行数据读出、重构、处理。，所述原图像优选黑白图像，即灰度图像。计算所述灰度图像的灰度值，所述灰度值的范围一般从0到255，白色为255，黑色为0。

步骤S202为根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式。所述EBAPS器件的昼夜切换技术为电子模式和光敏模式之间的自动转换。本发明借鉴施密特触发器电路的思想，在昼夜之间设置两个阈值。

图3a和图3b是本发明的昼夜切换判断示意图，所述根据图像灰度值选择器件的工作模式，包括：所述器件的初始工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值大于昼模式阈值，则所述工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值小于夜模式阈值，则所述工作模式为夜模式；如果所述图像灰度值不大于昼模式阈值，且所述图像灰度值不小于夜模式阈值，则所述工作模式保持当前模式；所述昼模式阈值大于所述夜模式阈值。

具体的，初始工作模式为昼模式，图像灰度下降过程中，灰度值>昼模式阈值，那么保持上一个状态不变，为昼模式；夜模式阈值<灰度值<昼模式阈值，保持上一个状态不变，仍为昼模式；灰度值<夜模式阈值，状态此时需要切换，转换为夜模式；此时工作模式为夜模式，图像灰度在上升过程中，灰度值<夜模式阈值，保持上一个状态不变，为夜模式；夜模式阈值<灰度值<昼模式阈值，保持上一个状态不变，仍为夜模式；灰度值>昼模式阈值，状态此时需要切换，转换为昼模式。

如图3a所示，具体流程包括：通过串口发送指令设置夜模式阈值及昼模式阈值V₁和V₂(其中，V₁<V₂)；判断当前图像灰度值的状态，决定是否切换模式；跳转到对应的昼/夜模式后，执行曝光时间的自动控制，昼模式下对曝光时间进行调整，电压值为0；夜模式下，曝光量设置最大，执行电压值的自动控制。

如图3b所示，夜模式阈值及昼模式阈值为V₁和V₂，其中，V₁<V₂，这样做的好处在于有效避免两个状态的来回震荡，当图像灰度值X₁处于夜间状态时，光阴极的高压开启并自动调整，当灰度值升高为X₂，大于昼模式阈值V₂时，光阴极的电压关闭，曝光时间在自动调整，若此时外界照度变低导致灰度值重新降低为X₁，此时系统并不会立即开启光阴极的高压，而是继续保持昼状态，直到灰度值下降小于夜模式阈值V₁时，才会改变工作模式，开启电压。这样有效避免了两个状态之间的频繁切换，减缓了器件的损伤，并且保持视频图像的稳定。按照一种优选的实施方式，初始默认的夜模式阈值为50(8bit的图像)，昼模式阈值为90，所述昼模式阈值与所述夜模式阈值的差值为40，图像的最大值为255。在使用过程中，可以根据当前环境，通过串口来调整这两个值

步骤S203根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。由于EBAPS器件两种工作模式的特性，所以在不同工作模式下，分别对曝光时间(昼模式)和电压值(夜模式)进行自动控制调节，从而影响输出图像灰度值。自动控制系统一般由控制器、被控对象、执行机构等环节组成。在电子轰击CMOS昼夜通用自动控制程序中，

按照一种优选的实施方式，所述根据所述图像灰度值调节曝光时间为PID调节：

其中，u(t)表示曝光时间，e(t)为目标灰度值与当前灰度值的差值，K_p是比例调节参数，K_i是积分调节参数，K_d是微分调节参数。本发明的调节高压电源的电压值和器件的曝光时间的控制器是PID控制器，PID控制器包括P比例、I积分、D微分三种控制，被控对象是输出的图像灰度值，执行机构是曝光时间或电压值，输入目标值是是适合人眼观察的图像灰度值，通过PID控制器调整，执行机构调节曝光时间或电压，曝光时间或电压的改变最后影响输出图像灰度值。具体的，输入设定目标灰度值r(t)，与当前图像灰度值y(t)做差，求得误差e(t)，将误差e(t)输入三种调节器，分别是比例调节，积分调节，微分调节，最后输出调节后的值u(t)，u(t)表示曝光时间或电压值，直接影响输出图像的灰度值y(t)，y(t)又反馈到输入处计算与r(t)的误差e(t)，然后继续进行三种调节，整个控制属于闭环反馈控制，P调节的作用是对当前误差e(t)进行比例放大，在整体调节中起到主导作用，能够及时迅速的调节；I调节的作用是对误差e(t)进行积分，能够消除系统稳态误差，限制比例调节的值；D调节的作用是对误差e(t)求导，在控制过程中引入一个有效的早期修正信号，防止震荡或超调。其中，比例调节参数K_p，积分调节参数K_i，微分调节参数K_d均根据经验确定。

所述器件的初始工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值大于昼模式阈值V2，则所述工作模式为昼模式；如果所述图像灰度值小于夜模式阈值V1，则所述工作模式为夜模式；如果所述图像灰度值不大于昼模式阈值，且所述图像灰度值不小于夜模式阈值，则所述工作模式保持当前模式；所述昼模式阈值大于所述夜模式阈值。

所述根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值为PID调节或步进调节。按照一种优选的实施方式，工作模式为夜模式时，开启所述器件的最大曝光时间，并根据图像灰度值调节高压电源的电压值；所述工作模式为昼模式时，关闭所述器件的高压电源，并根据所述图像灰度值调节曝光时间。根据图像灰度值调节曝光时间为PID调节：

夜模式下电压值的调节使用步进法来调节，如图6所示，根据图像灰度值及当前昼夜工作模式来逐步改变电压值，电压值初始为0，处于夜模式的图像灰度值有两种情况，一种是灰度值<夜模式阈值V1，另一种是夜模式阈值V1<灰度值<昼模式阈值V2。当灰度值<夜模式阈值V1时，需要增大电压，每次增加步频为10，以提高光阴极出射电子的能量，当电压逐步增加，图像灰度值也会增加，当夜模式阈值V1<灰度值<昼模式阈值V2时，程序认为灰度值已经适合人眼观察，便不需要再改变电压；当灰度值增加到>V2,此时就逐步减小电压，减小步频为20。图5a和图5b是本发明不同照明情况下的EBAPS分辨率靶测试对比图。图6a和图6b是本发明野外场景EBAPS与ICMOS的成像效果对比图。

本发明的一种电子轰击CMOS成像方法包括：获取图像灰度值；根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。该方法通过自动调节高压电源及曝光时间，实现了高效成像的效果。

本发明实施例还提出了一种电子轰击CMOS成像装置，该装置包括：采集模块，用于获取图像灰度值；选择模块，用于根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；调节模块，用于根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和存储器。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性存储器等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变存储器(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他存储器技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种电子轰击CMOS成像方法，其特征在于，该方法包括：

获取图像灰度值；

根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；

根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间，包括：

所述工作模式为夜模式时，开启所述器件的最大曝光时间，并根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值；

所述工作模式为昼模式时，关闭所述器件的高压电源，并根据所述图像灰度值调节曝光时间。

2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述根据图像灰度值选择器件的工作模式，包括：

所述器件的初始工作模式为昼模式；

如果所述图像灰度值大于昼模式阈值，则所述工作模式为昼模式；

如果所述图像灰度值小于夜模式阈值，则所述工作模式为夜模式；

如果所述图像灰度值不大于昼模式阈值，且所述图像灰度值不小于夜模式阈值，则所述工作模式保持当前模式；

所述昼模式阈值大于所述夜模式阈值。

3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述根据所述图像灰度值调节曝光时间为PID调节：

其中，u(t)表示曝光时间，

e(t)为目标灰度值与当前灰度值的差值，

K_p是比例调节参数，

K_i是积分调节参数，

K_d是微分调节参数。

4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值为步进调节。

5.一种电子轰击CMOS成像装置，其特征在于，该装置包括：

采集模块，用于获取图像灰度值；

选择模块，用于根据所述图像灰度值选择器件的工作模式，所述工作模式包括昼模式和夜模式；

调节模块，用于根据所述器件的工作模式和所述图像灰度值调节所述器件的高压电源和曝光时间，包括：所述工作模式为夜模式时，开启所述器件的最大曝光时间，并根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值；所述工作模式为昼模式时，关闭所述器件的高压电源，并根据所述图像灰度值调节曝光时间。

6.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，所述根据图像灰度值选择器件的工作模式，包括：

所述器件的初始工作模式为昼模式；

所述昼模式阈值大于所述夜模式阈值。

7.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，所述根据所述图像灰度值调节曝光时间为PID调节：

其中，u(t)表示曝光时间，

e(t)为目标灰度值与当前灰度值的差值，

K_p是比例调节参数，

K_i是积分调节参数，

K_d是微分调节参数。

8.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，所述根据所述图像灰度值调节高压电源的电压值为步进调节。

9.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，

所述器件为EBAPS器件或EBCCD器件。