科学级帧转移型CCD相机拖影问题的处理

    帧转移型面阵CCD相机因其诸多优点而得到了广泛的使用。随着CCD数码相机的广泛应用,与胶片相机相比CCD相机显示出许多优点,但也有一些缺陷,比如拖影现象就是CCD芯片的固有特性。

    拖影现象是指CCD芯片,当像面内射入高亮度点光源或是对比度较大时,在整个像面上形成一条贯穿整个像面的白色条纹的现象。拖影现象严重影响了图像的视觉效果,降低了芯片的动态范围,必须采取措施来降低甚至消除拖影现象。通常拖影现象可以通过在CCD芯片成像区添加机械快门并由控制系统在曝光结束后立刻关闭机械快门抑制曝光来避免,由于应用需要与客观条件的限制,科学级CCD相机的设计与普通照相机等成像设备的设计有所不同,更侧重于系统设计的简洁性和可靠性。CCD相机在后期的数据处理及图像处理中,往往要针对CCD相机的一些设计缺陷,对图像进行技术补偿,以得到更为真实可靠的便于后期分析的数据图像。现分析了科学级帧转移型CCD相机成像中拖影问题的产生原因及特性,针对该问题提出了修正的方法,用自行设计的软件修正的图像取得了预期的良好效果,证明了该方法的可行性。

    1 拖影现象产生的机理

    拖影现象是CCD器件固有特性,下面分析帧转移型CCD芯片(frame-transfer type CCD sensor)产生拖影现象的原因及过程。

    帧转移型面阵CCD的结构如图1所示,由成像区、图像存储区和数据读出寄存器组成。其结构特征是成像区与图像存储区分开,成像区由并行排列直的电荷耦合沟道组成。成像区与图像存储区CCD的列数、位数均相同。数据读出寄存器的每一个转移单元与垂直列电荷耦合沟道一一对应。图像存储区和数据读出寄存器均用铝层覆盖,便于蔽光。当积分结束时,成像区和图像存储区以同一速度快速驱动,将成像区的一场信息转移到图像存储区,然后成像区重新开始另一场积分。与此同时,图像存储区的光信号逐行向数据读出寄存器转移。

    帧转移CCD信号电荷的读出过程如图2所示,在CCD光敏面光照区域的下一行转移时经过光照区域时,由于在图像转移过程中快门是打开的,未被光照的一行转移经过光照区域会附加一定的光电子,转移后续的一些行经过光照区域时都会附加光电子,这样就有一条明显的尾巴,这就是拖影。常图像转移时间只有数毫秒,因而在曝光时间较长时,拖影现象并不明显。当视场中目标亮度很强,且视场中有较亮较大的面目标时,拖影现象比较严重。

    2 CCD拖影问题的修正算法

    CCD的电荷输出后经量化,得到恢复图像所需要的数字信号,量化后的数据即反映了CCD对应点的照度强弱,可直接用于图像的构建。设采样恢复后得到的图像为像素512@512,若CCD不存在拖影问题,成像区第x列第y行(1[x[512,1[y[512)像素的灰度理论值为i(x,y); CCD存在拖影问题时,图像各像素的灰度测得值为ic(x,y)。图像曝光时间为texp,图像帧转移时间为tsh。图像灰度与曝光时间呈良好的线性关系,i(x,y)Wtexp,因而第n行以前的像元电荷在移经第n行时会附加i(x,y)tsh/texp的灰度。i(x, y)与ic(x, y)会有如下关系: