帧转移CCD在连续扫描时smear问题的修正方法

摘要

帧转移CCD在连续扫描时smear问题的修正方法，属于帧转移CCD图像处理领域技术，为了解决现有技术需要CCD额外带有暗像元区域，且暗像元区域的smear信息受噪声影响较大的问题，本发明方法包括步骤1、CCD图像信号的预处理；步骤2、建立帧转移CCD连续扫描工作方式下的smear增量的方程组；步骤3、求解smear增量；步骤4、进行smear修正；通过上述四步即完成了帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear问题的修正，通过实验验证了smear增量的计算精度可达1%，能有效复原真实的CCD图像信号。本方法不仅简单易行，适用性强，且精度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种帧转移CCD在连续扫描时smear问题的修正方法，属于帧转移CCD图像处理领域技术。

背景技术

smear现象是帧转移CCD的一种固有特性，它是指当电荷积累过程完成后，由感光区转移到存储区时，感光区仍再不停的感光而产生电荷，进而污染已存在的电荷。通常采用的消除或减弱smear现象影响的方法是：一是添加机械快门来避免成像区不断感光；二是采用增加曝光时间或自动光圈来消弱smear影响；三是利用暗像元区域提取出smear信息进行消除。前两种方法只对单帧静态图像有效，并需增加额外装置。第三种方式虽然可以处理连续扫描图像的smear影响，但需要CCD额外带有暗像元区域，且暗像元区域的smear信息受噪声影响较大。

发明内容

为了克服以上方法的缺陷，发明了一种无需额外的smear测试装置，对带有smear影响的帧转移CCD图像信号进行处理，提取出smear影响增量进行修正，进而有效的复原真实的CCD图像信号。本方法不仅简单易行，适用性强，且精度较高。

本发明涉及一种帧转移CCD的smear问题的修正算法，包括以下步骤：

步骤一，CCD图像信号的预处理，

在smear修正前，将帧转移CCD采集光照的图像信号减去无光照的背底信号，得到完全由光照产生的有效图像信号S(x,y)；然后对有效图像信号进行非线性修正；得到修正后的有效图像信号随积分时间的变化是线性的；

步骤二，建立帧转移CCD连续扫描工作方式下的smear增量的方程组，

针对成像区不带复位功能或没有进行复位操作的帧转移CCD，一个m×n帧转移CCD连续扫描工作时，在帧转移方向上每一列的各像素smear增量是相同的，第y列各像素的smear增量ΔS(x,y)为：

$>\mathrm{\Delta S}(x,y)=\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}k{\eta }_1{T}_{\mathrm{ti}}I(x,y)---\left(1\right)$>

其中，k为比例系数，η₁为电荷转移过程中的光电转换效率，T_ti是帧转移时钟周期，I(x,y)为像元(x,y)接受的辐射强度；

CCD的各像元的真实信号S(x,y)为：

S(x,y)＝kη₂T_expI(x,y)    （2）

其中，η₂为电荷积累过程中的光电转换效率，T_exp是曝光时间；

由（1）式和（2）式可得：

$>\mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_1}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)---\left(3\right)$>

由上述分析可知带有smear影响的CCD图像信号S′(x,y)为：

S′(x,y)＝S(x,y)+ΔS(x,y)    （4）

对m×n帧转移CCD每个像素(x，y)建立由（3）式和（4）式组成的方程组即为帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear增量的方程组，如下：

$>\left(\begin{array}{c}{S}^{\prime }(x,y)=S(x,y)+\mathrm{\Delta S}(x,y)\\ \mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_i}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)\end{array}\right)$>(其中x=1,2…m;y=1,2…n)    （5）

步骤三，求解smear增量，

第y列像元，以下关系式成立，

$>{\mathrm{\Delta S}}^{\prime }(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_i}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}{S}^{\prime }(x,y)=K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}{S}^{\prime }(x,y)---\left(6\right)$>

定义为smear系数，则由（5）式和（6）式可得：

$>{\mathrm{\Delta S}}^{\prime }(x,y)=K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}[S(x,y)+\mathrm{\Delta S}(x,y)]=K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)+K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}\mathrm{\Delta S}(x,y)=(1+m\times K)\mathrm{\Delta S}(x,y)---\left(7\right)$>

由（6）式和（7）式可得：

$>\mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{K}{(1+m\times K)}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}{S}^{\prime }(x,y)---\left(8\right)$>

由（8）式可知，帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear增量ΔS(x,y)可通过带有smear影响的CCD图像信号计算得出；

步骤四，进行smear修正，

由（5）式和（8）式可得smear修正后的CCD的图像信号S(x,y)为：

S(x,y)＝S′(x,y)-ΔS(x,y)    （9）

通过上述四步即完成了帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear问题的修正。

本发明的有益效果：在进行smear修正前，对带有smear影响的CCD图像信号进行预处理，预处理包括暗信号扣除及信号非线性修正；由帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear现象产生机理可知，帧转移CCD在连续扫描工作方式时，不对帧转移CCD的成像区进行复位，保证了在帧转移方向上的每一列各像素的smear影响增量是相同的。因此得到m×n滚筒式帧转移CCD的smear增量的方程组如下：

$>\left(\begin{array}{c}{S}^{\prime }(x,y)=S(x,y)+\mathrm{\Delta S}(x,y)\\ \mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_i}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)\end{array}\right)$>(其中x=1,2…m;y=1,2…n)

S′(x,y)是smear影响后的信号，S(x,y)是无smear影响的真实信号，T_ti是帧转移时钟周期，T_exp是曝光时间，η₁为电荷转移过程中的光电转换效率，η₂为电荷积累过程中的光电转换效率，x,y分别是像元的行序数和列序数；在求解smear增量的方程组时，巧妙地采用了累加迭代法，使求解简单方便。

综上所述，本发明的方法不需要任何额外的smear测试装置，简单易行，且通过实验验证了此方法求得smear增量的精度可达1%，能有效复原真实的CCD图像信号。

附图说明

图1是成像光谱仪地面外场试验采集并经过预处理后的信号图。

图2是smear增量值与象元列序数的关系图。

图3是去除smear影响的真实信号图。

具体实施方式

本发明的一种帧转移CCD连续扫描工作方式下的smear问题的修正方法，具体实施需要以下四个步骤。

1、CCD图像信号的预处理。

由于帧转移CCD图像的smear影响增量主要与光信号及帧转移时钟周期相关，因此在smear修正前，将帧转移CCD采集光照的图像信号减去无光照的背底信号，得到完全由光照产生的有效图像信号。然后对有效图像信号进行非线性修正。得到修正后的有效图像信号随积分时间的变化是线性的。

如图1所示，某一型号成像光谱仪地面外场试验采集并经过预处理后的信号图，采用的CCD为e2v公司的CCD47-20面阵探测器，是一款宽帧转移、背照式CCD探测器，成像区的象元数为1024×1024维，其成像区没有复位功能。为了便于观察smear现象，故将显示灰度值范围设为0-100。水平方向为空间维，竖直方向为光谱维(从上到下为波长依次增大)。由于地面无法探测到极紫外到真空紫外波段信号，所以图像上部分的信号不是有效信号，是smear现象引入的无效信号。

2、建立帧转移CCD连续扫描工作方式下的smear增量的方程组。

由帧转移CCD连续扫描工作方式下的smear现象的产生机理可知，对于成像区不带复位功能或没有进行复位操作的帧转移CCD来说，一个m×n帧转移CCD连续扫描工作时，在帧转移方向上每一列的各像素smear增量是相同的，第y列各像素的smear增量ΔS(x,y)为：

$>\mathrm{\Delta S}(x,y)=\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}k{\eta }_1{T}_{\mathrm{ti}}I(x,y)---\left(1\right)$>

其中，k为比例系数，η₁为电荷转移过程中的光电转换效率，T_ti是帧转移时钟周期，I(x,y)为像元(x,y)接受的辐射强度。

因为CCD的各像元的真实信号S(x,y)为：

S(x,y)＝kη₂T_expI(x,y)    （2）

其中，η₂为电荷积累过程中的光电转换效率，T_exp是曝光时间。

由（1）式和（2）式可得：

$>\mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_1}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)---\left(3\right)$>

由上述分析可知带有smear影响的CCD图像信号S′(x,y)为：

S′(x,y)＝S(x,y)+ΔS(x,y)    （4）

对m×n帧转移CCD每个像素(x,y)建立由（3）式和（4）式组成的方程组即为帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear增量的方程组。如下：

$>\left(\begin{array}{c}{S}^{\prime }(x,y)=S(x,y)+\mathrm{\Delta S}(x,y)\\ \mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_i}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)\end{array}\right)$>(其中x=1,2…m;y=1,2…n)    （5）

3、求解smear增量。

对于第y列像元，以下关系式成立

$>{\mathrm{\Delta S}}^{\prime }(x,y)=\frac{T_{\mathrm{ti}}{\eta }_i}{T_{\exp }{\eta }_2}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}{S}^{\prime }(x,y)=K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}{S}^{\prime }(x,y)---\left(6\right)$>

定义为smear系数，则由（5）式和（6）式可得：

$>{\mathrm{\Delta S}}^{\prime }(x,y)=K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}[S(x,y)+\mathrm{\Delta S}(x,y)]=K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}S(x,y)+K\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}\mathrm{\Delta S}(x,y)=(1+m\times K)\mathrm{\Delta S}(x,y)---\left(7\right)$>

由（6）式和（7）式可得：

$>\mathrm{\Delta S}(x,y)=\frac{K}{(1+m\times K)}\underset{x=1}{\overset{m}{\Sigma }}{S}^{\prime }(x,y)---\left(8\right)$>

由（8）式可知，帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear增量ΔS(x,y)可通过带有smear影响的CCD图像信号计算得出。

对于m(1024)×n(1024)维的图像，其帧转移时钟周期T_ti为10μs，采集曝光时间T_exp为400ms，电荷转移和电荷积累过程的光电转换效率η₁和η₂可认为是相等的。所以smear系数K为2.5×10^-5。

由于图1的电荷转移方向为竖直方向，所以图像每列内各象元的smear增量是相同，由（8）式和上述相关参数求出图1中smear增量与列的关系，如图2。

4、进行smear修正。

由（5）式和（8）式可得：smear修正后的CCD的图像信号S(x,y)为：

S(x,y)＝S′(x,y)-ΔS(x,y)    （9）

通过上述四步即完成了帧转移CCD在连续扫描工作方式下的smear问题的修正，对图1进行smear修正后的图像，如图3。实验验证了smear增量的计算精度可达1%，能有效复原真实的CCD图像信号。本方法不仅简单易行，适用性强，且精度较高。