不同光照条件下CCD相机时间噪声和空间噪声的研究

    引言

    噪声特性的评价是成像系统综合性能评价的重要环节[1]。分析噪声特性可进一步深刻认识成像的特性,为研制新型光电成像系统以及成像系统的质量评价提供切实可靠的客观依据。CCD相机信号产生的电噪声和光学噪声均被描述为时间域随机过程和空间域随机过程,所以在成像系统中,图像噪声实际上应按时空域随机过程统一描述。成像系统在图像信号输出时伴随着各种噪声即时空同一的随机噪声[2-9]。

    自三维噪声模型建立以来,人们就致力于时间噪声和空间噪声的研究,但是这些都只是针对微光CCD器件。本文根据文献[10]中的图像噪声理论,提出在一定光照条件下,数字CCD相机的时空域三维图像噪声理论模型,并对数字CCD相机的空间噪声、时间噪声和平均时间噪声进行了分析和测量。

    1　三维噪声测量模型

    采集CCD相机输出端数据,然后对采集的数据按照三维噪声模型进行处理。设在一定均匀照明下,连续采集T帧具有X×Y个像素的图像。每一幅二维图像具有X行Y列,共X×Y个信号值,T帧图像共有X×Y×T个具有三维坐标的输出信号值(见图1)。为区别于三维立体图,把这种图像称为三维结构图像。

    其中任一点的坐标为(x,y,t),x= 1,2,…,X;y= 1,2,…,Y;t= 1,2,…,T。任一点的信号值记为S(x,y,t)。

    定义为T帧图像的所有像素点输出信号灰度值的平均。

    取CCD相机输出信号的均方差值表示总噪声,则噪声均方值R2为

    (1)式中S-(x,y)的物理意义为T帧图像在(x,y)点信号的时间平均值:

    考虑到噪声在时间、空间水平和垂直方向是三维相互正交的,那么(1)式中各交叉项的乘积之和为零,因而(1)式可改写为

    式中S(x,y,t) -S-(x,y)为某一帧图像在(x,y)点信号值与T帧图像在(x,y)点信号平均值之差,体现的是时间域噪声特性。因此,在一定曝光量下,CCD相机每个像素点的时间噪声为

    那么,在一定曝光量下,CCD相机的平均时间噪声为

    (3)式中S-(x,y) -S-为(x,y)点T帧图像信号平均值与所有图像信号总平均值之差,体现了空间域噪声特性,那么空间噪声R2r为

    运用上述公式可以得到某照度下图像输出信号的总平均值S-,T帧图像在(x,y)点信号的平均值S-(x,y),时间噪声R2t(x,y),平均时间噪声R2t,空间噪声R2r和总噪声R2。

    2　测量系统

    图2为CCD相机时间噪声和空间噪声测量系统原理框图。光源由25个发光二极管(LED)组成,用来提供均匀光场,测量得到光照度的不均匀性为0.1%,时间稳定性为0.74%。通过改变稳压电源的电压,从而在CCD相机光敏面处获得变化的光照度。CCD相机和光照度计放在导轨上,测量时先将光照度计的探头放置在光源所对应的中心处,测出光照度,移走光照度计,在不改变光照度的情况下,再将待测CCD相机的光敏面放置在相同位置处。CCD相机输出的信号通过图像采集卡转换成数字信号后送入计算机,从而获得CCD相机在该照度下各光敏元实际测得的灰度值。