CN117714905B - 一种cmos图像传感器辐射响应特性校正方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS图像传感器辐射响应特性校正方法。其属于空间光学遥感领域，具体涉及图像传感器的高精度辐射定标以及图像预处理技术。所述方法具体包括：S1、提出CMOS图像传感器辐射响应的精密温漂校正模型，建立图像传感器理论响应值与实际响应值、温度之间的多元非线性函数关系；S2、制定辐射定标温漂测试流程，实现温度与光照强度的多工况遍历；S3、采用步骤S2所述流程进行辐射定标数据采集并实现温漂模型参数测定；S4、将温漂模型参数及图像传感器实际响应值代入精密温漂校正模型，解算得到图像传感器辐射理论响应值，实现图像传感器辐射响应特性的精密校正。
Description
技术领域
本发明属于空间光学遥感领域，具体涉及图像传感器的高精度辐射定标以及图像预处理技术。
背景技术
CMOS图像传感器内部包括感光像元、放大电路及AD模数转换电路等，在普通成像工况下，一般只需要校正暗场温漂即可达到使用要求，但本申请的发明人在实践中发现，当工作于微弱光条件下时，特别是在光电子数小于5%满井电荷数的微弱光成像工况下时，由于光电子数量少，暗场温漂及亮场温漂都对最终输出结果产生较大影响，但是目前并没有适用于此种特定工况下的CMOS图像传感器温漂精密校正方法。
申请人为中北大学的中国发明专利《图像传感器温漂自补偿方法》（公开号为CN111182240A），通过对采集图像的线性化处理及实施温度像素漂移补偿，解决因环境温度较高而造成的图像传感器输出像素失真问题，但该方法忽略了图像传感器各像元的亮场响应差异，仅对暗场温漂进行了补偿。
申请人为北京安酷智芯科技有限公司的中国发明专利《一种图像传感器阵列及其温漂补偿方法》（公开号为CN110519537A），对非制冷红外焦平面阵列进行温漂补偿：获取所述图像传感器阵列中盲像素阵列的输出温漂；根据所述盲像素阵列的输出温漂获得感光像素的输出温漂；将所述感光像素的输出温漂从预获取到的所述图像传感器阵列的原始输出变化量中去除，得到校正后的输出变化量。通过盲元读取及扣除，完成了暗场的温漂校正，未能解决亮场温漂校正问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种CMOS图像传感器辐射响应特性校正方法，所述方法尤其适用于在光电子数小于5%满井电荷数的微弱光成像工况下时的CMOS图像传感器温漂校正。
所述校正方法具体为：
S1、提出CMOS图像传感器辐射响应的温漂校正模型，建立图像传感器理论响应值与实际响应值、温度之间的多元非线性函数关系；
S2、制定辐射定标温漂测试流程，实现温度与光照强度的多工况遍历；
S3、采用步骤S2所述流程进行辐射定标数据采集并实现温漂模型参数测定；
S4、将温漂模型参数及图像传感器实际响应值代入温漂校正模型，解算得到图像传感器辐射理论响应值，实现图像传感器辐射响应特性的校正；
所述温漂校正模型具体为：
；
其中，为传感器实际灰度值，/>为传感器理论灰度值，/>为传感器温度，/>为亮场温漂增益常数，/>为暗场温漂增益常数，/>为亮场温漂偏置常数，/>为暗场温漂偏置常数；所述暗场指的是无光照工况，暗场温漂参数是与光照强度无关的参数；亮场指的是有光照工况，亮场温漂参数是与光照强度相关的温漂参数。
进一步，所述辐射定标温漂性测试流程具体为：
S21、测试开始时，将积分球以及测试开发板上电；
S22、依次设定积分球的能量级为L0-L80，能量级以每10个单位为基础，依次递增；
S23、设置成像参数并将相机上电；
S24、读取传感器温度并开始成像，保存每一次成像的图像灰度值以及传感器温度，持续若干分钟；
S25、相机下电，并等待相机降温；
S26、判断是否对应完成全部积分球的能量级的测试，若完成，则使测试开发板下电，结束测试；若未完成，则返回步骤S22，增加积分球能量级，继续进行测试；
所述步骤S24中，成像持续的时间具体为大于等于15分钟，以实现传感器升温充分，覆盖在轨传感器工作期间温度范围。
进一步，所述温漂模型参数测定具体为：
在积分球的能量级为L0时，即传感器理论灰度值=0，
；通过记录的2组以上不同传感器温度/>下的/>，即可用最小二乘法解算出每个像元对应的/>与/>的参数值；
在积分球能量级为其它级数时，利用已求出的与/>的参数值，获取三组以上不同传感器温度/>下的/>，即可用最小二乘法解算出每个像元对应的/>与/>的参数值。
进一步，所述将温漂模型参数及图像传感器实际响应值代入温漂校正模型，解算得到图像传感器辐射理论响应值具体为：将测定得到的、/>的值作为校正模型参数，传感器实际灰度值/>及成像时刻传感器温度/>作为输入，即可计算出校正后传感器理论灰度值/>。
本发明所述方法的有益效果为：
本发明所述方法建立了一个更为精密的温漂校正模型，申请人发现在光电子数小于5%满井电荷数的微弱光成像工况下时，暗场温漂及亮场温漂都对最终输出结果产生较大影响，且如果采用现有的校正方，法将温漂增益和温漂偏置视为常数，则会使温漂校正产生较大误差，经过实验测试，本发明根据特定条件下温漂增益和温漂偏置的变化趋势，总结出包含温漂增益和温漂偏置变化的精密温漂校正模型，从而实现更为精准的图像校正，在特定范围内的校正效果十分理想，具体校正效果将在具体实施方式中进一步介绍。
本发明适用于CMOS图像传感器的微弱光成像、数字域TDI成像领域，用于CMOS图像传感器辐射响应特性精密校正，消除温度漂移、光响应非均匀性（PRNU）等因素对成像的影响。通过建立精密温漂校正模型，进行温度漂移校正以实现PRNU与信噪比的提升，提高成像系统的辐射精度。
本发明适用于空间光学遥感，实现低成本高性能光学遥感相机研制以及图像预处理。
附图说明
图1为本发明的精密温漂校正模型逻辑图；
图2为本发明实施例所述辐射定标温漂性测试流程图；
图3为本发明实施例所述原始图像与相对温漂校正后图像对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1、
本实施例提供一种CMOS图像传感器辐射响应特性精密校正方法，具体包括：
S1、建立精密温漂校正模型；
S2、制定辐射定标温漂性测试流程；
S3、采用步骤S2所述流程进行精密温漂模型参数测定；
S4、采用精密温漂校正模型进行温漂校正。
实施例2、
本实施例是对实施例1的进一步限定。
CMOS图像传感器的实际输出DN值受到温度的影响，在恒定光照强度下，可以表述为以下公式：
；（1）
其中某温度条件下传感器实际灰度值，/>为传感器理论灰度值，/>传感器温度，/>温漂增益，/>温漂偏置。若/>、/>为常数，则为当前通用的基础温漂模型。经测试结果统计，在光电子数小于5%满井电荷数的微弱光成像工况下，/>、/>将视为为常数，则会存在较大校正误差，/>、/>在此工况下而表现出随光强变化的趋势，根据上述规律情况建立温漂增益线性模型与温漂偏置线性模型。
；（2）
；（3）
其中为与光强相关的亮场温漂增益常数，/>为与光强无关的暗场温漂增益常数，为与光强相关的亮场温漂偏置常数，/>为与光强无关的暗场温漂偏置常数；暗场指的是无光照工况，亮场指的是有光照工况。
根据公式（1）、（2）和（3）可以建立精密温漂校正模型公式（4），其逻辑关系如图1所示。
；（4）
其中为传感器实际灰度值，/>为传感器理论灰度值。
实施例3、
本实施例是对实施例1的进一步限定，如图2所示为所述辐射定标温漂性测试流程图，所述辐射定标温漂性测试流程具体为：
S21、测试开始时，将积分球以及测试开发板上电；
S22、依次设定积分球的能量级为L0-L80，能量级以每10个单位为基础，依次递增；
S23、设置成像参数并将相机上电；
S24、读取传感器温度并开始成像，保存每一次成像的图像灰度值以及传感器温度，持续若干分钟；
S25、相机下电，并等待相机降温；
S26、判断是否对应完成全部积分球的能量级的测试，若完成，则使测试开发板下电，结束测试；若未完成，则返回步骤S22，增加积分球能量级，继续进行测试。
实施例4、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述行精密温漂模型参数测定具体为：
在积分球的能量级为L0时，无光照，即传感器理论灰度值=0。
；通过记录的2组以上不同传感器温度/>下的/>，即可用最小二乘法解算出每个像元对应的/>与/>的参数值；
在积分球能量级为其它级数时，利用已求出的与/>的参数值，获取三组以上不同传感器温度/>下的/>，即可用最小二乘法解算出每个像元对应的/>与/>的参数值。
实施例5、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述采用精密温漂校正模型进行温漂校正具体为：将测定得到的、/>的值作为校正模型参数，传感器理论灰度值/>及成像时刻传感器温度/>作为输入，即可计算出校正后传感器实际灰度值/>。
实施例6、
本发明是对实施例1-5的进一步说明，根据发明内容中所述，分别进行暗场温漂和亮场温漂图像获取，用于计算精密温漂模型参数。
利用相机实验室辐射定标测试，进行图像温漂校正。相机基本参数如表1所示。
表1：
如图3所示为原始图像与相对温漂校正后图像对比图，从图像可视化效果评估，精密温漂校正效果良好，图像列间差异消除效果显著，底噪不平坦特性校正效果良好，与精密温漂校正模型中直接解算理论传感器的响应DN值所具备的偏置、增益、温度系数等参数的理论校正效果吻合，校正后的残差主要来源模型中温漂系数的非线性以及计算过程中的截断误差等小量，图像质量已经得到大幅提升。
如表2所示为光响应非均匀性PRNU分析对比表，从表中可以看出，与传统的减暗场处理方式相比，精密温漂校正后的图像光响应非均匀性显著降低。
表2：
注：其中亮度等级4~1分别由亮变暗使图像数据饱和度逐渐降低。
如表3所示为信噪比SNR分析对比表，从表中可以看出，与传统的减暗场处理方式相比，精密温漂校正后，有效消除了像元响应非一致性、固定图像噪声以及温漂特性的影响，图像信噪比显著提升。
表3：
Claims (4)
1.一种CMOS图像传感器辐射响应特性校正方法，其特征在于，所述校正方法具体为：
S1、提出CMOS图像传感器辐射响应的温漂校正模型，建立图像传感器理论响应值与实际响应值、温度之间的多元非线性函数关系；
S2、制定辐射定标温漂测试流程，实现温度与光照强度的多工况遍历；
S3、采用步骤S2所述流程进行辐射定标数据采集并实现温漂模型参数测定；
S4、将温漂模型参数及图像传感器实际响应值代入温漂校正模型，解算得到图像传感器辐射理论响应值，实现图像传感器辐射响应特性的校正；
所述温漂校正模型具体为：
；
其中，为传感器实际灰度值，/>为传感器理论灰度值，/>为传感器温度，/>为亮场温漂增益常数，/>为暗场温漂增益常数，/>为亮场温漂偏置常数，/>为暗场温漂偏置常数；所述暗场指的是无光照工况，暗场温漂参数是与光照强度无关的参数；亮场指的是有光照工况，亮场温漂参数是与光照强度相关的温漂参数。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器辐射响应特性校正方法，其特征在于，所述辐射定标温漂性测试流程具体为：
S21、测试开始时，将积分球以及测试开发板上电；
S22、依次设定积分球的能量级为L0-L80，能量级以每10个单位为基础，依次递增；
S23、设置成像参数并将相机上电；
S24、读取传感器温度并开始成像，保存每一次成像的图像灰度值以及传感器温度，持续若干分钟；
S25、相机下电，并等待相机降温；
S26、判断是否对应完成全部积分球的能量级的测试，若完成，则使测试开发板下电，结束测试；若未完成，则返回步骤S22，增加积分球能量级，继续进行测试；
所述步骤S24中，成像持续的时间具体为大于等于15分钟，以实现传感器升温充分，覆盖在轨传感器工作期间温度范围。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器辐射响应特性校正方法，其特征在于，所述温漂模型参数测定具体为：
在积分球的能量级为L0时，即传感器理论灰度值=0，
；通过记录的2组以上不同传感器温度/>下的/>，即可用最小二乘法解算出每个像元对应的/>与/>的参数值；
在积分球能量级为其它级数时，利用已求出的与/>的参数值，获取三组以上不同传感器温度/>下的/>，即可用最小二乘法解算出每个像元对应的/>与/>的参数值。
4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器辐射响应特性校正方法，其特征在于，所述将温漂模型参数及图像传感器实际响应值代入温漂校正模型，解算得到图像传感器辐射理论响应值具体为：将测定得到的、/>的值作为校正模型参数，传感器实际灰度值/>及成像时刻传感器温度/>作为输入，即可计算出校正后传感器理论灰度值/>。
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