科学级CCD相机的噪声分析及处理技术

为了降低科学级CCD相机的噪声,提高相机的成像质量,针对不同的噪声源,根据相应的噪声产生原理,设计了实用的噪声抑制电路和处理电路.应用于选用DALSA IL-E2型TDI-CCD 图像传感器自己开发的科学级CCD 相机,有效地降低了暗电流噪声,消除了复位噪声对真正信号的影响,使相机的成像质量得到提高.通过实验证明,该科学级CCD相机的输出信噪比能达到50 dB.     

利用普通CCD实现百万帧/秒超高速成像的时序驱动技术

提出了基于普通CCD的掩模式成像技术来大幅提高CCD的图像获取速度,实现百万帧/秒的CCD时序驱动方法。介绍了加掩模后CCD的工作过程,利用掩模把普通CCD的光敏区划分为带有存储区的像素阵列,实现了普通CCD的片上存储功能。分析了利用普通CCD实现百万帧/秒超高帧频的时序驱动方法,掩模形状决定了帧速,帧数和图像的分辨率。对系统的时序结构、电荷转移方式和驱动电路进行了说明,通过特殊驱动电路和图像处理软件设计实现了百万帧/秒的超高帧频。最后,对驱动时序进行了仿真和实验验证。采用条状孔阵列掩模,基于普通CCD图像传感器进行了百万帧/秒工作速度的验证,获得了14幅79pixel×79pixel的图像,其帧频达到200×104 frame/s。文章所述技术具有一定的通用性。     

行间转移大面阵CCD相机的Smear噪声实时去除

针对面阵CCD成像过程中产生的Smear特有噪声,以行间转移面阵CCD为例,提出了利用行间转移面阵CCD暗像元区域提取Smear的方法.介绍了行间转移面阵CCD的工作原理以及Smear产生机理,分析了Smear噪声的组成,利用相关双采样,哑像元校正等方法消除了Smear中的KTC噪声及暗电流噪声.提出了基于中值的快速均值滤波方法,消除了光粒子散粒噪声.最后,利用差分方法将滤波后的Smear从原始图像数据中减除,并采用双三次插值对消除Smear后的图像区域进行补偿.设计了以现场可编程门阵列+数字信号处理器(FPGA+ DSP)为核心处理器件的硬件实时处理系统,当相机工作在最高速工况3 frame/s时,系统可在1.265 ms内完成Smear提取及滤波,消除Smear后的图像区域灰度方差减小了95.34°.经过成像实验验证,该系统集成度高,满足实时需要,彻底消除了Smear噪声.     

利用卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测方法。基于卷帘式快门CMOS成像原理,对同一景物连续拍摄,得到一组具有相关性的图像序列,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机的振动参数。验证实验显示,二维振动的周期检测相对误差不超过2%,振幅检测绝对误差不超过1pixel。实验结果表明,该方法能够利用低帧频图像序列检测高频振动,大幅度降低了检测算法的数据传输及处理压力,为检测算法的星上嵌入式实现提供了可能,在推扫相机和凝视相机上均有较好的应用。     

半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机及其成像噪声分析

为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,介绍了采用半导体制冷方法设计的高帧频CMOS数字摄像机成像系统,并针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷器,实现了制冷量可控。实验结果表明,图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40℃;通过降低传感器温度很大程度上减少了暗电流固定模式噪声和瞬态随机噪声;此外,在摄像机内硬件实现了彩色滤波阵列转换和列向非均匀性校正,使输出图像信噪比提高了6dB。该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率,高帧频,高信噪比,宽动态范同,成像质量好等特点。     

半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机研究与成像噪声分析

为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,文章中介绍了采用半导体制冷的方法来设计高帧频CMOS数字摄像机成像系统,针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷制冷器,实现制冷量可控。图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40度,暗电流固定模式噪声降低50%,瞬态随机噪声减少90%,图像信噪比提高6dB。该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率高帧频,高信噪比,宽动态范围,成像质量好的特点。     

CCD相机实时自动调光系统

为了实时调整高帧频CCD相机,获得高质量图像,提出了一种基于分档电子快门控制和增益控制相结合的复合控制方法,实现了快速、高精度调光.其算法主要由三部分构成:二次均值灰度权值的累加, 基于分段二次函数的自动快门控制和基于数据分析的自动增益控制.采用共享的乒乓缓存策略来保证算法在自行设计的硬件平台得到有效验证并连续显示.实验结果表明,该算法具有良好的图像质量,捕获的视频图像在各种条件下,均具有快速的收敛性和适应性.     

基于集成成像技术的零件孔径位置检测

针对利用霍夫圆检测方法很难定位大尺寸零件上所有孔径位置的问题,本文提出了一种将集成成像技术与霍夫圆检测算法相结合的非接触式测量方法.首先,根据经典成像理论提出了一套集成成像信息获取算法.其次,利用二维平移台和CCD相机搭建了相机阵列实验装置.系统工作时,相机采集的元素图像阵列,可以通过霍夫圆检测和坐标获取算法来实现零件孔径位置的定位.基于上述理论进行了验证实验,结果显示,零件孔径位置的检测误差在0.3mm以内.该方法为集成成像技术应用于高精密位置检测提供了有效的理论支持.     

基于集成成像技术的零件孔径位置检测（英文）

针对利用霍夫圆检测方法很难定位大尺寸零件上所有孔径位置的问题,本文提出了一种将集成成像技术与霍夫圆检测算法相结合的非接触式测量方法。首先,根据经典成像理论提出了一套集成成像信息获取算法。其次,利用二维平移台和CCD相机搭建了相机阵列实验装置。系统工作时,相机采集的元素图像阵列,可以通过霍夫圆检测和坐标获取算法来实现零件孔径位置的定位。基于上述理论进行了验证实验,结果显示,零件孔径位置的检测误差在0.3mm以内。该方法为集成成像技术应用于高精密位置检测提供了有效的理论支持。     

运动背景星空图像小目标运动轨迹提取算法

摘要：对星空观测CCD相机获得的序列图像,在目标运动的同时,相机也由于平台的姿态或位置改变而发生运动,同时,受相机平台不稳定的影响,目标成像的亮度存在缓变,且可能在某几帧图像中成像湮没在背景噪声中,造成目标运动轨迹的不连续现象。针对上述特点,本文提出了一种序列星图中目标的运动轨迹提取算法。首先利用交叉投影方法提取星点,确定包含星点的区域;然后,利用序列图像最亮的一组星点的质心估计星图的全局运动参数,并进行图像匹配,滤除背景恒星;最后,提出一种目标运动轨迹的提取算法。实验结果表明该算法对于空间小目标(≥1pixel)在序列图像中运动轨迹不连续的情况下可以进行准确的运动轨迹提取,具有较强的鲁棒性。     

CCD的Binning技术在光信号测量中的应用研究

为了降低CCD噪声,提高信噪比,根据噪声的特性,提出用CCD的Binning技术用于噪声的抑制。理论上推导了水平Binning和垂直Binning两种情况下信噪比提高的公式。利用MATLAB语言编程对垂直Binning的几种情况进行仿真,仿真结果表明,Binning可以有效提高信噪比,信噪比提高的理论值和计算值基本相符,对Binning可能带来的电荷饱和也进行了讨论。     

适于高速CCD图像数据光纤传输的纠错技术

提出了一种适于高速CCD图像数据光纤传输的纠错算法用于提高大视场时间积分延迟(TDI)CCD相机中图像数据传输的可靠性。首先,分析了大视场空间相机图像数据光纤传输特点和光纤信道加性高斯白噪声(AWGN)模型下的数据传输差错,在此基础上提出了(16,8)纠错编码算法。阐述了(16,8)纠错编码算法思想以及纠错原理,说明了(16,8)纠错编码器的超大规模集成电路(VLSI)实现方法和编码器电路。然后,从不同角度分析了(16,8)纠错编码算法在大视场空间相机中应用的可行性。最后,在一空间多光谱相机样机的传输系统上进行了试验验证。结果表明:(16,8)纠错编码算法纠错能力强、易于硬件实现、占用资源少,在3 043Byte内可以纠正191bit错误,编码器资源占用率小于5%。提出的算法提高了空间相机中图像数据光纤传输的可靠性。     

天文观测CCD相机中Smear效应的消除

为了有效消除帧转移型相机的Smear效应,针对其成像机理及特性,提出了一种基于背景估计的适用于序列图像中Smear效应的消除方法.该方法通过对含有Smear效应的原始图像灰度分布进行统计分析,自适应判定Smear效应的发生位置;然后,采用截尾均值滤波(ATMF)技术高精度估计Smear效应的强度;最后,通过差分的方式消...     

基于彩色CCD的摩擦焊接温度场测量系统

根据彩色CCD三基色测温原理,设计了摩擦焊接的温度场测量系统.采用CCD摄像头对焊接界面进行高速、连续拍摄,得到温度场图像,DSP对图像进行预处理后,对温度进行计算,然后使用伪彩色增强方法,通过不同颜色来反映焊接界面各部分的动态温度分布状况.为提高测量的精度,通过黑体炉实验对计算公式中的参数进行标定,并根据实验数据进行了插值修正.TMS320DM647的高速运算能力和丰富的片上资源保证了测量的实时性,伪彩色处理后的温度场图像可以方便、直观地反映出温度场的分布.     

工业线阵CCD相机系统测试与噪声评估

为了快速评价工业线阵CCD相机质量,本文选择信噪比为评价因子,建立了测试系统,研究了基于相机输出图像测试相机噪声的方法。分析了线阵CCD相机的噪声,建立了一个基于固定模式和随机噪声的信噪比计算模型,并分析了相关双采样(CDS)过程对电源噪声的影响。设计了一套适于工业场所的相机快速信噪比测试系统,结合理论分析数据和实际测试图像数据,提出了仅通过输出的8bit图片计算各噪声参数的方案。最后,对测试系统引入的光源不均匀性噪声进行了讨论,并证明该实验平台光源符合工业标准EVM1288要求。实验结果表明:当相机模数(AD)转化设置为8.7dB时,输出信噪比可达44dB;若排除光源干扰,输出信噪比可达46dB。该方案简便快捷,满足工业现场对相机信噪比评估的要求。     

大幅宽长波红外变帧频变焦成像

为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度。首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。     

微型铣刀外径视觉测量的不确定度

建立了基于机器视觉的测量系统,实现了微型铣刀外径的在线测量,并对测量不确定度进行了分析.测量系统由背光源、夹头与旋转平台、旋转编码器、摄像机和相应的测量软件组成.系统运行时,铣刀匀速旋转,由旋转编码器触发相机对其进行采样拍照并完成测量.从照明光源平行性、摄像机的镜头畸变与CCD噪声、调焦效果、待测物体表面几何特性、算法设计5个方面分析了测量结果不确定度来源及其影响.实验表明,当系统采样率不足时,对于铣刀外径测量不确定度影响最大的是待测物体表面几何特性;在采样率足够大的情况下,外径测量不确定度主要由光源平行性确定.本文系统采样率为33 frame/circle,系统测量不确定度为4μm,可满足生产要求.