一种高分辨率CCD成像系统测光的加速方法

摘要

本发明公开了一种高分辨率CCD成像系统测光的加速方法，其执行主体是CCD成像系统的控制软件，从CCD成像系统进入自动拍照状态时开始，通过最小曝光时间和当前曝光时间计算加速算法中的合并行数n，使用像素合并方法对CCD图像传感器施加纵向转移时序，使CCD图像传感器中的n行像素电荷在输出寄存器中累加，并经过A/D转换为数字图像信号读出，得到合并后的数字图像。本发明根据CCD图像传感器的特点，在像素信号读出前将信号在CCD图像传感器内进行合并，合并之后读出，可以达到减少读出像素的目的，且不会改变原先图像的平均灰度和亮度直方图分布，从而实现在测光阶段对CCD图像传感器读出帧速的提高，以此来加速测光过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像信号处理技术，特别是一种高分辨率CCD成像系统测 光的加速方法。

背景技术

CCD(电荷耦合器件)被认为是可见光成象领域最有前途的探测器件，这 是因为它具有以下突出优点：低噪声输出、动态范围大、量子效率高、电荷转 移效率高、光谱响应范围宽、几何稳定性好。CCD制造工艺的不断发展，CCD 的分辨率不断提高，为CCD的广泛应用提供了基础。

在CCD成像过程中，曝光对图像质量的影响很大，如果曝光过度，则会使 图像过亮，失去图像亮部细节；而如果曝光不足，则会导致图像过暗，失去图 像暗部细节。CCD自动曝光算法一般需要先从CCD取得当前图像，目前的成像 系统自动曝光算法首先使用曝光初始值获得一帧图像，通过该图像判断当前的 曝光时间是否为最佳曝光时间，如果是，则下次成像仍然使用该曝光值，否则， 根据当前图像计算下一次成像使用的曝光值，然后再次成像，直至获得最佳曝 光时间。目前曝光时间算法判断当前曝光时间是否为最佳的依据是图像的平均 灰度和直方图，因此，在保证图像平均灰度和直方图分布不变的情况下，成像 的速度越快，则成像系统的测光过程就越快。

当前CCD传感器的分辨率已经超过了5千万像素，如此之高的分辨率付出 的代价是帧速过慢，例如柯达公司生产的CCD芯片KAF50100，该芯片的信号 读出时间高达971ms，加上曝光时间后帧速在1fps左右，图像获得速度低，这 就制约了成像系统的测光速度。

发明内容

为克服现有技术存在的上述缺点，本发明的目的在于提供一种高分辨率 CCD成像系统测光的加速方法，可以对目前主要的成像系统自动测光方法进行 加速，并且不损失测光所需的图像参数，如平均灰度和亮度直方图等，操作简 单且不需要增加额外的硬件设备。

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种高分辨率CCD成像系统测光的 加速方法，所述方法的执行主体是CCD成像系统的控制软件，从CCD成像系 统进入自动拍照状态时开始，其具体方法包括以下步骤：

A、获得CCD成像系统的最小曝光时间t_{sht_min}和纵向移行周期；

B、获得CCD成像系统自动拍照的当前曝光时间t_int；

C、计算加速算法中的合并行数n：

$n=\frac{t_{\mathrm{int}}}{t_{\mathrm{sht}\_\min }}$

D、CCD成像系统使用最小曝光时间t_{sht_min}进行曝光；

E、使用像素合并的方法对CCD图像传感器施加纵向转移时序，使CCD图 像传感器中的n行像素电荷在输出寄存器中累加，并经过A/D转换为数字图像 信号读出；

F、重复步骤E，直至像素信号全部读出，得到合并后的数字图像；

G、根据用户自行使用的测光算法判断当前曝光时间是否为最佳曝光时间， 如果是，则测光过程结束；否则根据用户使用的测光算法计算并更新当前曝光 时间，之后重复步骤A-G，直至获得最佳曝光时间，并使用最佳曝光时间进行 拍照。

本发明有如下优点及效果：

1、本发明根据CCD图像传感器的特点，在像素信号读出前将信号在CCD 图像传感器内进行合并，合并之后读出，可以达到减少读出像素的目的，且不 会改变原先图像的平均灰度和亮度直方图分布，从而实现在测光阶段对CCD图 像传感器读出帧速的提高，以此来加速测光过程。

2、本发明提出的测光加速方法为纯软件操作，不消耗硬件资源，不增加原 算法的计算量。

3、本发明提出的测光加速方法根据系统自身的最小曝光时间和当前的曝光 时间来选择合适的合并行数，在提高了读出速度的同时，将曝光时间设定在系 统的最小曝光时间上，同样加速了曝光的速度。

4、本发明根据当前曝光时间和最小曝光时间计算合并行数，可以保证合并 后的信号同样能反映原图像的整体及区域灰度均值和亮度直方图，因此可以广 泛应用在各种测光方法中。

附图说明

本发明共有附图6张，其中：

图1是本发明的流程图。

图2是CCD图像传感器结构示意图(2×2像素)。

图3是CCD图像传感器纵向转移示意图。

图4是CCD图像传感器行合并示意图。

图5是CCD图像传感器横向转移示意图。

图6是CCD图像传感器列合并示意图。

图中：1、电荷存储区，2、输出寄存器，3、重置电路，4、输出放大器，5、 浮置扩散二极管。

具体实施方式

如图1所示为本发明的流程图，本发明首先要获得方法中所需要的加速参 数，即加速过程中的合并行数，合并行数由当前曝光时间和系统的最小曝光时 间共同决定。获得到合并行数之后即以系统的最小曝光时间进行曝光，曝光之 后CCD图像传感器的电荷在纵向移行时序的驱动下向输出寄存器2移动，移动 的行数应该为合并行数，在此期间不进行像素信号的读出操作。合并后的信号 经A/D转换成数字信号后被CCD成像系统读出。当所有的合并像素被读取完成 后，即可进行用户规定的测光算法，测光算法最终应给出下一次拍照的曝光时 间，该曝光时间将被更新为当前曝光时间。如果当前曝光时间并非最佳曝光时 间，及当前曝光时间并没有使图像的参数达到测光算法要求的最优，则继续进 行测光过程，否则测光过程结束。

本发明中像素合并的具体过程如图2到图6所示。像素合并是将CCD图像 传感器上相邻像素的电荷包在读出前进行合并的过程，该过程由CCD图像传感 器驱动时序中的行转移时序实现。像素合并由两种基本方式组成，行合并和列 合并。为了叙述问题方便，首先假设一个仅有2×2个单元的简易面阵CCD图 像传感器，该图像传感器由2×2电荷存储组成，具有2单元的横向输出寄存器 2、浮置扩散二极管5、重置电路3和输出放大器4。如图2所示，首先，CCD 图像传感器的电荷存储区1对入射光进行光电转换后积累了光生电荷，假设积 累的光生电荷量分别是30、20、25和45，共四个电荷包，这些电荷包在纵向移 行时钟的作用下移入输出寄存器2中，如图3。在正常操作模式下，输出寄存器 2的电荷包将在横向转移时钟的作用下逐一向浮置扩散二极管5移动，移至浮置 扩散二极管5的电荷包将被转化成电压，经输出放大器4后被A/D转换为数字 信号，之后重置门打开，清空浮置扩散二极管5上的电荷，至此读出操作结束， 该读出操作将重复到该行电荷包被完全移出。然而，在纵向合并过程中，进入 输出寄存器2的电荷包并未被直接读出，而是在读出以前进行了另一次纵向移 行操作，因此两行电荷包同时存在于输出寄存器2中，并且进行了叠加，之前 的电荷包25和45分别与30和20相加，变成了55和65，至此纵向合并完成， 如图4。在完成纵向合并操作之后，将进行横向合并操作。输出寄存器2中的电 荷包在横向转移控制信号的作用下向输出放大器4移动，移动到浮置扩散二极 管5上的电荷被转化成电压，如图5，此时并不进行读出操作，而是再进行一次 横向转移操作，将后面的一个电荷包转移到浮置扩散二极管5上与当前电荷包 进行叠加，叠加后的电荷包被放大器输出后经A/D转换成数字信号被系统读出。 至此完成2×2面阵CCD图像传感器的像素合并操作。

本发明适用于行间转移和全帧型CCD图像传感器的测光加速，尤其适合大 面阵高分辨率全帧型CCD测光的加速。

实施例

本实施例以柯达公司生产的KAF50100芯片作为CCD图像传感器芯片，阐 明本发明对于传统测光方法的加速作用。实验成像系统使用快门的最小曝光时 间为0.25ms，初始曝光时间为10ms。传统方法在使用当前曝光时间曝光后，读 出KFA50100所有的像素电荷，之后进入测光阶段，判断当前曝光时间是否是 最佳曝光时间，如果不是则计算出新的曝光时间并更新。KAF50100芯片的像素 读出时间t_R由纵向转移时间t_V和横向转移时间t_H组成，其中，

t_R＝t_V+t_H

其中，错误！未找到引用源。

N_V和N_T分别是CCD图像传感器在读出操作过程中实际转移的行数和像素 总数，f_V和f_H分别是其纵向转移时钟频率和横向转移时钟频率，N_OUT是输出路 数。由图2-6可见，纵向合并将减少CCD图像传感器的读出行数，而横向合并 没有减少横向转移时钟的数量，因此像素合并会减小t_H，因为读出的总像素数 减少了，而移行时间t_V并没有减少。KAF50100芯片总像素数为8304(H)× 6220(V)＝51.6M，纵向转移时钟频率为25KHz，横向转移时钟频率为18MHz， 输出路数为4路，因此其像素读出时间应该为：

$t_R=\frac{6220}{25\mathrm{KHz}}+\frac{8304\times 6220}{18\mathrm{MHz}\times 4}=966.17\mathrm{ms}$

加上曝光时间10ms，系统获得图像的总时间为976.17ms。

在一个m×n像素合并操作中，合并了n行像素之后，该行像素中的m个 像素又进行了合并，因此，该操作下像素的读出时间为：

$t_R=\frac{N_V}{f_V}+\frac{N_T}{f_H\times N_{\mathrm{OUT}}\times n}$

本实施例中当前曝光时间为10ms，最小曝光时间为0.25ms，则n＝40，因此 读出时间为266.73ms，总像素读取时间为266.98ms，图片获得时间减小为原来 的27.3％，测光速度提高72.7％。