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基于CPLD的圖像傳感器非均勻性校正

2015/3/5 8:07:46      点击:
       图像傳感器的非均勻性直接影響了成像系統的探測靈敏度和空間分辨率,用這樣的成像裝置觀察景物,成像質量必然受到影響,甚至圖像會模糊不清.?因此,必須對非均勻性進行校正.?盡管針對非均勻性校正的研究多種多樣,但目前在商業上有推廣價值的還是2點法,專家和工程師們的著眼點依然是修正和完善2點法,如提高精度和算法處理速度.?此外,一些非線性校正方法,如神經網絡校正法、時域高通濾波器法還處于實驗室研究階段.
  图像傳感器光敏元的光电转换特性曲线反映了其输出(U?)与辐照度(H)之间的关系,因此,非均匀性体现为各个光敏元具有各不相同的光电转换曲线.?非均匀性校正的最终目的就是通过校正处理使得图像傳感器所有光敏元表现出完全相同的光电转换关系.?2点法是在光敏元的输出与辐照度成线性关系的前提下建立的,它以某一直线作为标准,通过选择合适的斜率和偏置校正系数,将所有光敏元的转换特性均校正为与标准直线重合(即有相同的线性函数)?,从而使所有的光敏元在相同的辐照度下,有相同的输出.
  实际上,光敏元的输出与辐照度两者之间通常被认为服从抛物线模型.?显然,?2点法所采用的线性近似是比较粗糙的,使其应用范围局限于图像傳感器光电转换线性较好或工作范围较窄的情况.?为此,笔者引入了多点校正方法,该方法将整个饱和辐照度区域划分成若干子区域,每个子区域的光敏元输出与辐照度的关系采用线性函数表示,从而能够更好地逼近抛物线模型,并将图像傳感器的工作范围扩展到整个饱和辐照度区域.?为实现多点校正法,笔者设计了基于复杂可编程逻辑器件的硬件校正实现方案,实验表明,该校正系统可将图像傳感器CL512J的非均匀度由40%校正到2%.?因此,多点校正法及其实现系统能在不提高制造工艺和进一步研究光敏元结构的基础上,有效地降低图像傳感器的非均匀性,获得较为理想的图像质量.
  1 非均勻性多點校正法
  如果直接利用光電轉換關系的抛物線模型進行校正,硬件實現較爲困難.?因此,引入多點校正法,利用分段線性函數來逼近非線性響應關系,即將整個飽和輻照度區域劃分成若幹個子區域,每個子區域的光電轉換關系采用線性函數逼近,然後分別對每個子區域采用2點法進行校正處理.?顯然,多點校正法是2點校正法的擴展.?假設進行n點校正,?圖1給出了在輻照度子區域(Hj,?Hj+1?)?(?j?=?1,?.,?n?-?1;?Hj+1>Hj?)的校正示意圖.
  圖1 2點校正法示意圖
  图中,直线a和b分别表示图像傳感器中a和b?2个光敏元在(Hj?,?Hj+1?)区域内的光电转换特性的逼近直线,直线c表示校正后2个光敏元的转换特性.
  從圖1可看出,在Hj和Hj+1輻照度下,校正前a和b光敏元的視頻輸出值分別爲Uaj、Ua(j+1)?、Ubj和Ub(j+1)?.?由于非均勻性的存在,使得Uaj?≠Ubj、U?a?(j+1)?≠U?b(j+1)?.?校正後,?a和b?2個光敏元在H?j和H?j+1輻照度下,均分別有相同的輸出:?Ucj和Uc(j+1)?.?同時也保證了在(Hj?,?Hj+1?)區域內,相同輻照度下2個光敏元均有相同的輸出.?直線i?(?i?=?a,?b)可表示爲:
  式中,?Uij爲i光敏元校正前的輸出;?Kij、bij分別爲對應直線的斜率和偏置常數爲使a和b光敏元的轉換特性經校正後均表現爲直線c所表示的轉換關系,按以下2式選擇斜率校正系數Gij和偏置校正系數Cij.
  式(2)中,?Kc爲常數,?表示直線c的斜率.?對Kc的選擇具有很強的隨意性,?通常選取所有光敏元中最大斜率的光電轉換直線或者取過2個不同光照下各個光敏元的算術平均值的直線作爲標准.?筆者則以獲取盡可能大的Gij作爲標准,?因此,?由Gij?(最大取值可爲250)和(Ui(j+1)?-?Uij?)值可確定(Uc(j+1)?-?Ucj?)值的範圍,從而確定Kc值.?同時保證校正後的視頻輸出值在飽和輻照度範圍內隨輻照度增強而增大.
  式(3)中,Mj爲常數.?在保證光電轉換曲線分段線性化後的連續性和單值性的情況下,Mj值等于分段點Hj校正後的視頻電壓值.?同時,?結合Uij以及選擇合適的Gij?,保證獲取盡可能大Cij.?因此,校正後的視頻輸出Uc可表示爲
  將式(1)?、式(2)和式(3)代入式(4)?,經整理後得:
  可见,因为Kc、Mj和Hj均为常数,?经过校正处理后,?在同一辐照度下,?2个光敏元都有相同的视频输出电压并且输出电压值与辐照度大小成一一对应的线性关系.?同理,对有m?个光敏元的傳感器采用上述校正原理和校正算法可实现其非均匀性校正.
  此外,由于不同图像傳感器的光电转换曲线各不相同,所以,在辐照度区域的划分时,各边界点应根据具体傳感器的特性加以选择,不能一概而论.?笔者所采取的选取原则是,采用实验测取数据,拟合出曲线的大致变化情况,再进行辐照度区域划分.
  2 非均勻性校正系統實現
  2.?1 硬件設計
  目前,在非均匀性校正的硬件实现上,采用的都是1点或2点校正法.?电路由计数器、存储器、A?/D转换器和D?/A转换器等器件组成?.?通常,只能针对某个特定型号的图像傳感器进行电路板制作,扩展性较差,而且,电路工作频率较低.?采用这些器件很难实现多点实时校正.
  爲了實現非均勻性多點實時校正,筆者設計了基于複雜可編程邏輯器件(CPLD)的校正系統.?該系統以CPLD?EPM7512AE爲核心,包括輸入和輸出信號調理電路、高速A/D采樣單元、D/A轉換單元和FLASH存儲器等功能模塊.?系統結構如圖2所示.
  圖2 校正系統結構圖
  校正系统通过输入信号调理单元将接收到的图像傳感器视频输出信号进行预处理,将信号调整到A/D转换器(ADC)?TLV5580的采样电压范围内.系统控制核心CPLD接收图像傳感器工作信号,根据视频信号串行输出的规律,产生控制TLV5580工作的时钟信号和转换数据输出使能信号,从而控制TLV5580对经过调理的视频信号进行采样量化,并将量化后的数字信号实时读入CPLD.?同时,?CPLD?从FLASH存储器W29C040的相应单元中读出斜率和偏置校正系数,实现式(4)描述的校正算法,完成对各个视频信号的实时非均匀性校正.
  CPLD還産生D/A轉換器(DAC)?TL5632C工作時鍾信號,控制TL5632C將校正後的數字信號實時地轉換成模擬信號,並由輸出信號調理單元將該模擬信號調理爲一個範圍合適的電壓信號作爲校正系統的輸出(即經過校正的視頻信號).
  2.?2 CPLD設計思想
  作为控制核心的CPLD是一种半定制器件,它最大的优点就是采用编程的方式定制其具体实现的硬件电路,指定CPLD的硬件实现功能.?笔者主要采用硬件描述语言VHDL,并结合原理图方式在MAX?+?PLUSⅡ集成开发环境下进行CPLD?功能的设计.?采用VHDL语言的设计方法,可实现器件的无关性,并且功能实现灵活、修改方便.?CPLD的应用以及VHDL设计方法的使用为校正系统能灵活地适用于不同图像傳感器的校正以及实现不同的校正算法提供了可能和保证.
  根據系統校正功能要求及工作流程,?CPLD?實現的功能主要包括:
  1)?分频器.?分频器对晶振信号进行分频,产生校正系统协调工作的时钟基准信号.?分频器采用VHDL进行设计,可以根据不同的晶振、不同的图像傳感器工作频率,灵活、方便地选择不同的分频数,产生合适的时钟基准信号.
  2)?ADC控制信号发生模块.?该模块采用VHDL进行设计,根据分频器产生的时钟基准信号和图像傳感器的工作信号,产生能够准确控制TLV5580工作的时钟信号和转换数据输出使能信号,保证TLV5580实时、准确地采集经过调理后的视频输出信号.
  3)?地址发生器.?地址发生器产生读取FLASH存储器中斜率和偏置校正系数的地址信号.?由于每个光敏元在每个辐照度子区域有一组数据(一个斜率校正系数和一个偏置校正系数)?,为了方便读取,将同一辐照度子区域的所有光敏元的校正系数按照在图像傳感器中的相对位置顺序存储.?所以,同一光敏元在不同子区域下的数据地址,高位地址不同,低位地址则完全相同;同一子区域内不同光敏元的数据地址,则高位相同,低位不同.?因此,地址发生器由2部分构成:高位地址发生器和低位地址发生器.
  高位地址发生器实质上是一个比较器,确定当前图像傳感器所测量的辐照度所处的子区域.?其设计思想是:将采集到的第1个光敏元的视频信号和预先设定的对应于每段辐照度子区域的边界值进行比较,根据比较的结果产生相应的高位地址.?由于采用并行执行的指令来实现,能够很好地满足实时处理的要求.低位地址发生器根据视频信号逐一串行输出的特点以及TLV5580工作特点(每个工作时钟采集1个光敏元的输出信号)进行设计,实质上是一个计数器,只需对TLV5580工作时钟信号进行计数,就能产生相应的低位地址.
  4)?校正模块.?由乘法和加法2个子模块构成,分别采用MAX?+?PLUS?Ⅱ提供的功能单元LPM_MULT和LPM_ADD_SUB来实现.?校正模块将采集到的视频信号以及从FLASH存储器读取的相应校正系数按照式(4)进行处理,实现图像傳感器的实时非均匀性校正.
  5)?DAC控制信號發生模塊.?産生控制TL5632C工作的時鍾信號,指揮TL5632C實時地將校正後的數字視頻信號轉換爲模擬信號.
  由于非均匀性校正功能的实现对时序要求严格,在程序的设计中,一定要注意时序的合理性.?将程序编写出来后,首先进行了仿真实验,在得到期望的工作波形数据后,进行逻辑综合生成网络表和下载文件,最后将程序文件下载到EPM7512AE中,以便进行下一步对图像傳感器非均匀性校正指标的测试.
  3 實驗結果
  笔者以重庆大学研制的CL512J型自扫描光电二极管阵列(?SSPA)图像傳感器作为对象,进行6点非均匀性实时校正的实验.?CL512J是一种具有512个光敏元的线阵列图像傳感器.?其工作波形如图3所示,以起始脉冲S信号(低电平有效)表示每一次扫描输出的开始.?光敏元的视频输出电压Uo?与时钟信号CP同步,在CP的上升沿时刻开始输出,经过短暂的上升时间后,稳定下来;在CP为低电平时,输出变为0.?因此,将S和CP信号引入校正系统作为CPLD产生各种控制信号的基本依据.在实验中,?首先通过数据采集卡和计算机,?将?CL512J?的校正系数计算出来,?按指定地址保存在FLASH存储器中.
  圖3 CL512J工作波形
  然後,?在MAX?+?PLUS?Ⅱ開發環境下,?根據CL512J的具體情況(光敏元個數、工作頻率、視頻信號串行輸出的特點等)?,設計出相應的程序,經過仿真驗證後,將程序文件下載到CPLD中.最後,將CL512J的視頻信號接入校正系統,並利用示波器觀察校正前後的視頻電壓波形.?圖4給出了一個實時校正的實驗結果,上面一條曲線是CL512J實際的視頻輸出信號,下面一條是經過校正後的視頻信號.?校正前,?輸出信號最大值爲2V,?最小值不足0.?8V,非均勻性超過40%.?校正後,電壓信號在2V附近變化,非均勻性約爲2%.?由于TLV5580等器件的工作特點,校正信號延遲約5個CP時鍾後輸出.
  圖4 不均勻性校正實驗結果圖
  4 結束語
  设计的非均匀性校正算法以及硬件校正系统,能够有效地实现图像傳感器的多点实时非均匀性校正.采用CPLD作为核心构成的校正系统具有功耗低、抗干扰能力强、功能实现方便和扩展灵活等优点,能够有效地适用于多种图像傳感器的校正.但是,由于存在光电转换曲线分段线性化误差、A/D转换器和D/A转换器等器件转换精度问题以及实验条件的限制等客观原因,影响了图像傳感器非均匀性校正效果的进一步提高.