低照度CCD圖像采集及噪聲預處理

摘 要: 介紹電荷耦合器件CCD，及其在低照度條件下的噪聲影響機制，并從圖像預處理的角度分析噪聲消除的可能性，最后通過(guò)現場(chǎng)可編程器件FPGA從硬件上實(shí)現低照度條件下CCD圖像采集的實(shí)時(shí)噪聲消除預處理。

關(guān)鍵詞： 低照度圖像 實(shí)時(shí)噪聲處理 電荷耦合器件（CCD） 可編程器件（FPGA）

　八十年代后期，CCD器件進(jìn)入實(shí)用階段，得到廣泛的應用。但直接用在低照度下的監測和識別時(shí)，信噪比急劇下降。在軍事和天文觀(guān)測中可采用專(zhuān)用的像增強器，但在普通的應用中，為降低成本一般通過(guò)計算機進(jìn)行圖像處理提高信噪比。本文提供一種折衷的方案，通過(guò)分析CCD的特點(diǎn)，采用硬件的方法實(shí)現圖像增強，為計算機后端減少了大量復雜的運算，為整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性創(chuàng )造了條件。

１ CCD 的原理

CCD 的圖像捕捉過(guò)程分為三個(gè)子過(guò)程，即：光電轉換和儲存，電荷轉移，電荷讀出。

CCD器件是有許多光敏像元組成的，每個(gè)像元可看成是一個(gè)兩極加有反向偏壓的光敏二極管。當一個(gè)光子入射到光敏二極管的耗盡層時(shí)，如果其能量ｈｖ大于半導體的禁帶Eg，半導體的價(jià)電子將越遷到導帶形成光生電子－空穴對。由于空間電荷區對光生電子是一個(gè)低勢能的勢阱，光生電子將被收集在勢阱中，這樣就完成了一次光電轉換和儲存。

六十年代末，貝爾實(shí)驗室的研究人員發(fā)現，電荷通過(guò)半導體勢阱會(huì )發(fā)生轉移現象。這樣，如果把一系列的光敏二極管排列起來(lái)，通過(guò)電荷在勢阱中的轉移，就有可能在一定的時(shí)序驅動(dòng)下讀出儲存在每個(gè)光敏二極管勢阱的光電信息。圖1是典型的三相CCD的電荷轉移過(guò)程。

雖然用同一組CCD光敏二極管就可以完成攝像器件的光電轉換和轉移，但是，由于復雜的控制光點(diǎn)極不利于提高CCD器件的量子效率。同時(shí)在CCD電荷轉移時(shí)各個(gè)光敏單元還正在進(jìn)行光電轉換，這將使輸出信號產(chǎn)生拖影。所以，實(shí)際的CCD器件的光敏單元和轉移單元是分開(kāi)的，通過(guò)一定的時(shí)序控制可以實(shí)現光敏單元向轉移單元的整體轉移，然后再由轉移單元串行地往外部輸出。

CCD的信號讀出通常采用選通電荷積分器結構，圖2是三相CCD的電荷讀出原理：其中Cs是反向偏置二極管D的結電容。當待讀出電荷到達勢阱時(shí)，T1在短脈沖的作用下快速導通使Cs充電到高電位。接著(zhù)下一相時(shí)鐘到達，待讀出電荷轉移到勢阱，待讀出電荷將對Cs充電使其電壓下降，電壓的下降幅度與待讀出電荷量成正比，最后由T2驅動(dòng)輸出。

２ CCD 的噪聲分析

在低照度圖像實(shí)時(shí)噪聲處理采集卡研制過(guò)程中，我們所遇到的噪聲主要有以下幾種。

暗電流噪聲：復合——產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是某些單元位置上缺陷密集形成暗電流峰。由于信號的讀出路徑各異，這些暗電流峰對各個(gè)電荷包的電荷貢獻也不等，因而形成背景的很大起伏。另外，耗盡層熱激發(fā)（符合泊松分布）對背景起伏也有貢獻。

因暗電流大小與位置基本固定，故可用電子學(xué)方法消除。但當器件工作在長(cháng)時(shí)間積分的弱信號觀(guān)測時(shí)，暗電流的影響將是主要因素。在這種情況下，器件應工作于人工制冷狀態(tài)（在液氮溫度下，暗電流可比常溫下減小三個(gè)數量級）。

光響應非均勻性：當CCD的各個(gè)像元在均勻光源照射下,CCD器件具有光響應非均勻性（PRNU）它主要與器件的制造工藝有關(guān)，由于近紅外光在硅中的穿透能力較強，PRNU還受襯底材料的非均勻性影響。PRNU沒(méi)有一定的規律，因器件而異，具有很大隨機性。因此，對于弱信號的應用，應進(jìn)行實(shí)際測量，然后加以補償以達到均勻響應。

散粒噪聲：光注入光敏區產(chǎn)生信號電荷的過(guò)程可看作隨機過(guò)程，單位時(shí)間產(chǎn)生的光生電荷數目在平均值上做微小波動(dòng)，即形成散粒噪聲。散粒噪聲與頻率無(wú)關(guān)，在所有頻率范圍內有均勻的功率分布（白噪聲特性）。散粒噪聲在低照度，低反差條件應用時(shí)，當其它噪聲用各種方法抑制后，散粒噪聲成為主要噪聲，決定了一個(gè)器件的極限噪聲水平。

雜波噪聲：主要來(lái)源于傳輸通道及各種器件，多為無(wú)規則隨機信號，頻譜較寬，幅度不等。圖像信號相鄰像素、相鄰行、相鄰幀具有較大相關(guān)性，而雜波噪聲具有隨機性，據此可設計出積分平均器以改善雜波噪聲。

實(shí)驗表明相鄰像素或相鄰行的積分平均器效果并不理想，因為它較大地影響了水平和垂直分辨率，相鄰幀積分平均器對圖像分辨率影響不大，特別對靜態(tài)圖像它具有極佳的雜波抑制效果。在實(shí)現時(shí)一般還需對Ｋ值自適應控制（幀間內容變化較大時(shí)自動(dòng)減小K值，反之增大），以取得更好的效果。積分平均器的數字電路實(shí)現原理及性能見(jiàn)圖3。

３ CCD 實(shí)時(shí)噪聲處理的硬件設計

對低照度條件下所遇到的主要噪聲特點(diǎn)分析，除了散粒噪聲決定了最終噪聲水平，必須通過(guò)降低工作溫度以提高信噪比外，其它噪聲可以通過(guò)適當的算法加以改善。在實(shí)現時(shí)我們設計的處理流程如下：控制CCD短時(shí)間拍攝一幀圖像，減去事先測量獲得的暗電流圖像，然后根據事先測量的光響應非均勻性進(jìn)行修正，最后通過(guò)幀積分平均器消除散粒噪聲和雜波噪聲的影響。

在實(shí)現時(shí)，我們采用了具有很高邏輯密度和性?xún)r(jià)比的EPF10K30嵌入所有的算法和控制邏輯，加上高速SRAM 和高速A／D變換器構成了整個(gè)系統。其中SRAM分為三個(gè)可獨立的部分：存儲背景存儲器、PRNU參數存儲器和幀存儲器。當A／D完成一次轉換時(shí)，控制邏輯同時(shí)從三個(gè)存儲器獲得數據，通過(guò)處理后寫(xiě)回幀存儲器，由于三個(gè)存儲器可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，因此極大地提高了系統的并行處理效率。系統結構框圖如圖4。

實(shí)驗表明，肉眼很難辨別的低照度圖像通過(guò)這種方法處理后能夠實(shí)時(shí)得到易于辨別的圖像，并能被后續的模式識別程序很好地識別。