线阵CCD平场校正及FPGA实现的研究

　　1　引　言

　　CCD图像传感器作为一种新型光电转换器,是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片,集光电转换、光积分、扫描三种功能为一体。其基本部分由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。CCD器件具有体积小、质量小、耐振动冲击、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量准确度高、成本低等优点,被广泛应用于工业检测、机器视觉、宇航遥感、微光夜视、成像制导、数字全息、自动监控等诸多领域。获取高质量的图像信号是这些应用领域对CCD传感器的共同要求。对于面阵CCD采集系统,常采用的图像噪声校正算法是根据已知CCD光学离焦而造成的主导退化,选择二维高斯曲面拟合算法为图像的基本退化模型,同时,兼顾其它没有明确数学模型的退化因素,根据采集图像的灰度分布特性,估计二维高斯曲面的技术参数[1]。对于线阵CCD采集系统,当摄像机对光照绝对均匀的物体成像时,理论上所有的像素应该具有同样的灰度。而实际上并非如此,以下因素决定了图像的灰度非均匀性: 1)光源照明的非均匀性; 2)镜头边缘的Cos4θ效应减少了光通量传输,造成边缘图像的光照度远低于中心图像照度; 3)传感器的像素光电响应非一致性(PRNU, PixelResponse Non-Uniformity); 4)固定模式噪声(FPN, Fixed PatternNoise)的影响。当采用等光量均匀照明时,如果每个像素点的响应灵敏度不同,就会在图像上形成纵向的条带图像,条带上像素与其邻域像素灰度值不同,这源于对于像素的FPN噪声和光电响应非一致性。因此必须采用一定的校正算法消除以上因素带来的影响,以提高图像质量。

　　本文从分析CCD图像噪声的模型入手,针对固定模式噪声和光电响应不均匀性的特点,采用两点法对线阵CCD噪声进行校正,并将对校正算法的实现进行研究。

　　2　CCD非均匀性噪声分析

　　造成CCD非均匀性原因有很多,硅材料本身质量及加工工艺造成沟道掺杂浓度不均,表面态密度分布不均以及栅氧化物厚度不同,因此开启电压和有效感光面积不同[2]。为此, CCD非均匀性噪声分为如下两种类型。

　　2. 1　固定模式噪声(FPN)

　　如图1(a)固定模式噪声定义为在无光照条件下,CCD阵列像素输出最大值与最小值的差,又称为暗信号非均匀度(DSNU),是非曝光模式下像素间差异的度量,定义为

　　固定模式噪声主要受加工工艺的影响,与光照强度无关,每个像素的材料、面积等决定了像素间的非均匀性。

　　2. 2　光电响应非均匀性(PRNU)

　　如图1(b)所示,PRNU定义为在等光量均匀照明前提下,像素输出信号的幅度差异。定义为