一种多通道CCD图像拼接非均匀性自动校正的方法

摘要

本发明公开了一种多通道CCD图像拼接非均匀性自动校正的方法，涉及数字图像处理技术领域。本方法主要是：①由CCD传感器光电转换输出多路模拟信号，用模数转换器进行模数转换；②以任意一通道为基准，校准相邻通道；③采集CCD图像A通道有效象素最后一列和最后一行RGB三原色数据，做加权平均；④比较基准通道和待校准通道参数大小，回馈通道间差异标志；⑤以图像增大亮度为目的，调整增益为主，偏置为辅来校正通道非均匀性；⑥浮动方式反复调整通道增益和偏置参数，使得通道间偏差值无限小。本发明算法简单快捷；能够很好地消除多通道拼接后带来的通道间不均匀现象；实时修改模数转换器参数值，适应不同场景和不同温度的环境。

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像处理技术领域，尤其涉及一种多通道CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像拼接非均匀性自动校正的方法；具体是一种多通道CCD传感器的模拟信号经过多路模数转换后，在各路图像拼接时由于硬件差异而带来非均匀性，通过自动校正实现拼接后的CCD图像各个通道的色度和亮度一致的目的。

背景技术  

目前在视频处理技术领域中，为得到更高帧率的图像视频，通过2到4通道输出的CCD传感器经过2到4路模数转换器进行采集图像视频数据，并由后一级处理器进行图像拼接完成传输功能；而由于实际应用中，各个通道的电路布局布线方式，采用的电子元器件等存在不完全一致的现象，导致模数转换后各通道的量化值有一定的差异，从而在后级观察拼接后的图像各个通道间在亮度和色度上有一定的偏差，导致图像质量达不到预期效果。

而在现有技术中解决此类现象的方法几乎都是在摄像机出厂时做一次调校，通过修改模数转换器的增益值和偏置，使得在一定环境条件下达到各通道平衡效果，然而设备在不同场景和不同温度环境下，这种图像拼接后的通道间不均匀性现象会再次出现，无法达到自适应性校正。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种多通道CCD图像拼接非均匀性自动校正的方法。

本发明的技术方案是：

CCD传感器光电转换后将模拟信号经过模数转换器转成数字信号，再将数据传到下一级处理器，先采集CCD图像各个通道三原色RGB的量化值并进行统计平均，计算出各个通道RGB分量的偏差，若此偏差在预先设定差异阀值范围内，则不做参数调整，若超出预设阀值范围则先固定一通道作为调整基准，调整另外各个通道的模数转换器参数，直到各通道RGB分量偏差大小在预设阀值范围内为止，此时可保证拼接后的CCD图像各个通道的色度和亮度一致，达到通道间非均匀性校正的目的。

本方法包括下列步骤：

①由CCD传感器光电转换输出多路模拟信号，用模数转换器进行模数转换；

②以A、B、C、D任意一通道为基准，校准相邻通道；

③采集CCD图像A通道有效象素最后一列和最后一行RGB三原色数据，做加权平均，得到结果A通道最后一列G分量均值Pra、A通道最后一行G分量均值Pca和A通道最后一列R分量均值Rra、A通道最后一行R分量均值Rca；同样B、C和D通道也采集有效像素最后一列和最后一行RGB三原色，做加权平均，得到结果Prb、Pcb和Rrb、Rcb，Prc、Pcc和Rrc、Rcc，Prd、Pcd和Rrd、Rcd四组通道参数；

④比较基准通道和待校准通道参数大小，回馈通道间差异标志；

⑤以图像增大亮度为目的，调整增益为主，偏置为辅来校正通道非均匀性； 

⑥浮动方式反复调整通道增益和偏置参数，使基准通道和待校准通道最后一列和最后一行无限相互逼近，使得通道间偏差值无限小。

本发明具有下列优点和积极效果：

①算法简单快捷，占用很少的资源，不会产生视频延时效应；

②能够很好地消除多通道拼接后带来的通道间不均匀现象；

③实时修改模数转换器参数值，适应不同场景和不同温度的环境。

附图说明

图1是本系统的结构方框图，图中：

10—CCD图像传感器，

11—A通道，12—B通道，13—C通道，14—D通道；

21—CCD驱动器，22—模数转换器；

30—处理器，

31—数据采集模块，32—双通道差异算法模块，

33—数据输出模块，34—调整采样参数模块；

40—显示器。

图2是二通道类型差异算法流程图；

图3是四通道类型差异算法流程图；

图4.1是二通道参考基准模式选取参考图。

图4.2是四通道参考基准模式选取参考图。

英译汉：

1、CCD：Charge Coupled Device，电荷藕合器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 

具体实施方式

一、系统（简称系统）

1、总体

如图1，本系统包括CCD图像传感器10、CCD驱动器21、模数转换器22、处理器30和显示器40；

图像传感器10包括A通道11、B通道12、C通道13和D通道14；

处理器30包括数据采集模块31、通道差异算法模块32、数据输出模块33和调整采样参数模块34；

CCD图像传感器10、模数转换器22、处理器30和显示器40依次连接；

模数转换器22、数据采集模块31、通道差异算法模块32、数据输出模块33和显示器40依次交互；

通道差异算法模块32、调整采样参数模块34、CCD驱动器21和CCD图像传感器10依次交互。

2、功能部件

种多片1）CCD图像传感器10

CCD图像传感器10是一种高感光度图像传感器；其功能是产生光电转换后生成模拟信号；型号选用TSI的Kai-02150；

2）CCD驱动器21和模数转换器22

CCD驱动器21是给CCD传感器提供水平和垂直驱动信号，以便于CCD传感器能正常工作；

模数转换器22是一单路模数转换器或者多片带双路功能的模数转换器；其功能是将模拟信号量化成数字信号；

3）处理器30

本发明用Lattice公司的ECP3系列LFE335EA8FN484C型号的FPGA产品实现；处理器30内部主要算法模块分别包含数据采集模块31、差异算法模块32、数据输出模块33和调整 采用参数模块34。

以下分别描述处理器中各模块的功能:

（1）数据采集模块31

采样各个通道最后一行和最后一列的数据。

（2）通道差异算法模块32

统计各个通道间的非均匀性，并回馈各个通道增益和偏置调整步数。

（3）数据输出模块33

使用上一帧图像统计出来的比例系数k和偏置系数b改变被校正通道的数据并输出。

（4）调整采样参数模块34

接收增益和偏置调整步数，结合CCD中各个通道当前设置值和调整步数，重新写回CCD驱动器。

4）显示器40 

有网络协议的显示装置，如带IE浏览器的电脑等。

3、本系统的工作机理 

CCD图像传感器10感光，产生光电效应，捕获光子；

CCD驱动器21产生驱动信号，驱动CCD图像传感器10并以时域模拟信号形式，输出光电信号；

由AD模数转换器22接收CCD图像传感器10输出的模拟信号，并将其量化转换成频域数字量化值，以并行或者串行方式帧级连续传输到下一级处理器30； 

处理器30检测接收AD模数转换器22的数字信号，通过数据采集模块31收集各个通道最后一行和最后一列的数据；由通道差异算法模块32计算出相互间作为参考基准和被校正通道的差异性(包括差异标志和通道间比例值k和偏置值b)，并输出CCD图像数据和比例值k﹑偏置值b到下一级的数据输出模块33；由通道差异算法模块32计算出来的差异标志参数输入到调整采样参数模块34，由该调整采样参数模块34计算出当前需要修改的增益调整参数和偏置调整参数，并回馈到CCD驱动器21；数据输出模块33接收CCD图像数据和比例值k﹑偏置值b，将作为参考基准的通道图像数据直接输出，被校正通道的图像数据用下列方式输出：

最终输出的数据=k×输入数据+b。

二、方法

1、二通道类型差异算法流程

本方法以A通道为基准，校准B通道；

如图2，二通道类型差异算法流程包括下列步骤：

①开始-201

算法开始时，CCD图像传感器10经过模数转换后，数据传到处理器30的接口；

②设定差异阀值和参数最大/最小调整阈值-202

先由上位机或者处理器30内部设定一个默认初始参数，包括差异阀值Cg，各通道最高增益调整值FAmax/FBmax，最低增益底值FAmin/FBmin，偏置最高调整值VAmax/VBmax，最低偏置底值VAmin/Vbmin；

③同时输入A通道一帧数据-203和B通道一帧数据-204；

④拼接处理获取最后一列和最后一行RGB量化值-205

以帧为单位进行采集各通道最后一列和最后一行的RGB三原色数据，并归类标记；

⑤得到数据作加权平均，通道间差异值与设定阈值作比较-206

收集到的数据通道内作加权平均处理，得到Pra和Rra，同样B通道亦采集有效像素最后一列RGB三原色，做加权平均，得到结果Prb和Rrb，由参数Pra﹑Prb和差异阀值Cg计算出A通和B通道的差异标志；

⑥输出各通道统计值差异大小标志207；

⑦判断传输是否结束-208，是则进入下一步骤，否则跳转到步骤②；

⑧结束-209。

2、四通道类型差异算法流程

1）本方法以A通道为基准，校准B、C、D通道；

如图3，四通道类型差异算法流程包括下列步骤：

①CCD图像传感器10光电转换输出多路模拟信号，用模数转换器22进行模数转换-301；     ②设定差异阀值Cg，各通道最高增益调整值FAmax/FBmax，最低增益底值FAmin/FBmin，偏置最高调整值VAmax/VBmax，最低偏置底值VAmin/Vbmin -302；     ③采集CCD图像A通道有效象素最后一列和最后一行RGB三原色数据，做加权平均，得到结果Pra、Pca和Rra、Rca；同样B通道亦采集有效像素最后一列和最后一行RGB三原色，做加权平均，得到结果Prb、Pcb和Rrb、Rcb -303；     ④比较Pra和Prb值大小，以A通道做为参考基准，判断是否Pra>Prb且Pra-Prb>Cg-304，是则进入步骤⑥，否则跳转到步骤⑤；

⑤判断是否Pra<Prb且Pra-Prb>Cg-305，是则进入步骤⑦，否则跳转到步骤①；

⑥分别按下列第1、2、3、4路进行-306：   

第1路， 

a、上一次A通道增益增加一个步长-A1；

b、A通道增益减少一个步长-A2；

c、判断A通道偏置是否达到Vamax-A3，是则进入下一步骤d，否则增加A通道偏置，返回开始-A5；

d、判断B通道偏置是否达到Vamax-A4，是则返回开始-A7，否则减少B通道偏置，返回开始-A7；

第2路，

a、上一次A通道增益增加一个步长-B1；

b、判断A通道增益是否达到Famin-B2，是则进入下一步骤c，否则减小A通道增益，返回开始-B6；

c、判断B通道增益是否达到Vamax-B3，是则进入下一步骤d，否则增加B通道增益，返回开始-B7；

d、判断B通道偏置是否达到Vamax-B4，是则进入下一步骤e，否则增加B通道偏置，返回开始-B8；

e、判断A通道偏置是否达到Vamax-B5，是则返回开始-B10，否则减小A通道偏置，返回开始-B9；

第3路，

a、上一次B通道增益增加一个步长-C1；

b、判断B通道增益是否达到Famin-C2，是则进入下一步骤c，否则增加B通道增益，返回开始-C6；

c、判断A通道增益是否达到Famin-C3，是则进入下一步骤d，否则减小A通道增益，返回开始-C7；

d、判断B通道偏置是否达到Vbmax-C4，是则进入下一步骤e，否则增加B通道偏置，返回开始-C8；

e、判断A通道偏置是否达到Vbmax-C5，是则返回开始-C10，否则减小A通道偏置，返回开始-C9；

第4路，

a、上一次B通道增益减少一个步长-D1；

b、B通道增益增加一个步长-D2；

c、判断A通道偏置是否达到Vbmax-D3，是则进入下一步骤d，否则增加A通道偏置，返回开始-D5；

d、判断B通道偏置是否达到Vbmax-D4，是则返回开始-D7，否则减小B通道偏置，返回开始-D6； 

⑦分别按下列第1、2、3、4路进行-307

第1路，

a、上一次A通道增益增加一个步长-E1；

b、判断A通道增益是否达到Famin-E2，是则进入下一步骤c，否则增加A通道增益，返回开始-E6；

c、判断B通道增益是否达到Vbmin-E3，是则进入下一步骤d，否则减少B通道增益，返回开始-E7；

d、判断A通道偏置是否达到Vamax-E4，是则进入下一步骤e，否则增加B通道偏置，返回开始-E8；

e、判断B通道偏置是否达到Vbmin-E5，是则返回开始-E10，否则减小B通道偏置，返回开始-E9；

第2路，

a、上一次A通道增益减少一个步长-F1；

b、A通道增益增加一个步长-F2；

c、判断B通道偏置是否达到Vbmin-F3，是则进入下一步骤d，否则增加B通道增益，返回开始-F5；

d、判断A通道偏置是否达到Vamax-F4，是则返回开始-F7，否则减小A通道偏置，返回开始-F6；

第3路，

a、上一次B通道增益增加一个步长-G1；

b、B通道增益减小一个步长-G2；

c、判断B通道偏置是否达到Vbmin-G3，是则进入下一步骤d，否则增加B通道增益，返回开始-G5；

d、判断A通道偏置是否达到Vamax-G4，是则返回开始-G7，否则减小A通道偏置，返回开始-G6；

第4路，

a、上一次B通道增益减少一个步长-H1；

b、判断B通道增益是否达到Fbmin-H2，是则进入下一步骤c，否则减小B通道增益，返回开始-H6；

c、判断A通道增益是否达到Famin-H3，是则进入下一步骤d，否则增加A通道增益，返回开始-H7；

d、判断A通道偏置是否达到Vamax-H4，是则进入下一步骤e，否则增加B通道偏置，返回开始-H8；

e、判断B通道偏置是否达到Vbmax-H5，是则返回开始-H10，否则减小B通道偏置，返回开始-H9。

3、其它

其它依此类推。

1）二通道类型差异算法流程，如图4.1有：

①以A通道为基准，则校准B通道，已前述，见图2；

②以B通道为基准，则校准A通道，按①办法。

2）四通道类型差异算法流程，如图4.2有：

①以A通道为基准，校准B、C通道，再由已校准的C通道为基准较准D通道，已前述，见图3；

②以B通道为基准，校准A、C、D通道，按①办法。

③以C通道为基准，校准A、B、D通道，按①办法。

④以D通道为基准，校准A、B、C通道，按①办法。

算法开始时CCD图像传感器10经过模数转换后，数据传到处理器10的接口，先由上位机或者处理器10内部设定一个默认初始参数，包括差异阀值Cg，各通道最高增益调整值FAmax/FBmax，最低增益底值FAmin/FBmin，偏置最高调整值VAmax/VBmax，最低偏置底值VAmin/Vbmin；同时采集通道图像数据，以帧为单位进行采集各通道最后一列的RGB三原色数据，并归类标记；收集到的数据通道内作加权平均处理，得到Pra和Rra，同样B通道亦采集有效像素最后一列RGB三原色，做加权平均，得到结果Prb和Rrb，由参数Pra﹑Prb和差异阀值Cg计算出A通道和B通道的差异标志。如果基准参考通道和被校正通道是A和C，或者B和D的上下关系，则使用参数Pca﹑Rca及差异阀值Cg计算两通道间的差异性。