CIS相機(jī)為何要做黑白校正

1、CIS相機(jī)為何要做黑白校正1 CIS相機(jī)為何要做黑白校正實(shí)用的黑白CIS相機(jī)，由于受到諸如光源的不均勻性、光敏單元本身響應(yīng)差異、暗電流及偏置等因素的影響，對(duì)于一個(gè)灰度均勻的目標(biāo)，可能會(huì)輸出強(qiáng)度不均勻的圖像，這將對(duì)后續(xù)圖像處理中的目標(biāo)特征提取及測(cè)量不利。2 黑白場(chǎng)標(biāo)定在確定黑白場(chǎng)時(shí)，需注意圖像的黑場(chǎng)要有足夠的密度，網(wǎng)點(diǎn)百分比在95以上，應(yīng)該是圖像中最黑的地方；白場(chǎng)要接近于絕網(wǎng)，網(wǎng)點(diǎn)百分比在5以下，是圖像中最白的地方。一旦圖像上選定某點(diǎn)作為黑白場(chǎng)，那么圖像上其它的像素點(diǎn)的亮度都會(huì)相對(duì)該點(diǎn)做相應(yīng)的改變。如果選定圖像上a點(diǎn)做白場(chǎng)，原來(lái)亮度比a高的點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)百分比為0，層次消失，亮度比a點(diǎn)低的點(diǎn)會(huì)相對(duì)a點(diǎn)

2、提高亮度。如果選定圖像上的b點(diǎn)做黑場(chǎng)，原來(lái)亮度比b點(diǎn)低的點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)百分比為100，而亮度比b點(diǎn)高的點(diǎn)會(huì)相對(duì)b點(diǎn)降低亮度。由此可見，如果圖像的黑白場(chǎng)選得不恰當(dāng)，那么整個(gè)圖像就會(huì)發(fā)生亮度和顏色的變化。以一幅穿白色紗裙的女子為例，如果在她頭戴的紗巾上選擇一點(diǎn)作為白點(diǎn)，該點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)百分比C27M18Y4K0。從它的網(wǎng)點(diǎn)百分比可以看出，該點(diǎn)不是圖像上的最亮點(diǎn)，含有較多的灰色成分，因此比該點(diǎn)亮度高的裙子的網(wǎng)點(diǎn)百分比為0，成為一片白色，層次丟失，同時(shí)人物臉上的層次也有所損失，如果在她胸部的白色紗裙上選擇一點(diǎn)作為白場(chǎng)，把該點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)百分比CllM1Y2K0和圖像上其它的像素點(diǎn)相比知道，此點(diǎn)基本上是圖像上的最白點(diǎn)，因

3、此圖像整體亮度相對(duì)此點(diǎn)變化不大，亮度只有稍微的提高。裙子和臉部的層次也沒(méi)有損失，過(guò)渡很自然，并且由于臉部的亮度提高，使得人物的膚色更加白皙、細(xì)嫩。3 CIS相機(jī)的黑白校正針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)影響黑白CIS平場(chǎng)的因素進(jìn)行了分析，并提出了一種通過(guò)獲取暗本底圖像數(shù)組及標(biāo)準(zhǔn)白圖像數(shù)組對(duì)圖像進(jìn)行校正的方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠取得理想的效果。理想的黑白CIS相機(jī)可看作一個(gè)理想系統(tǒng)，其陣列上各個(gè)光敏單元在完全相同的照射條件下，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生相同的輸出電荷，即輸出強(qiáng)度均勻的圖像。而實(shí)用的CIS相機(jī)并非是理想系統(tǒng)，對(duì)于一個(gè)具體目標(biāo)而言，黑白CIS相機(jī)輸出的圖像中包括了以下3個(gè)部分：偏置圖像：即使曝光時(shí)間為0，仍然會(huì)

4、有的一個(gè)本底圖像輸出，記作。暗場(chǎng)圖像：即使沒(méi)有光照，仍然會(huì)有的一個(gè)隨時(shí)間增強(qiáng)的暗場(chǎng)圖像輸出，記作。目標(biāo)圖像：由被測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生的光電子像，記作。即：對(duì)于一個(gè)灰度均勻的目標(biāo)，其真實(shí)灰度值為一常數(shù)，以Gray表示。由于偏置和暗場(chǎng)的影響，CIS相機(jī)實(shí)際輸出的可能是一個(gè)強(qiáng)度不均勻的目標(biāo)圖像，記作，不均勻的程度與CIS的性能有關(guān)。在完全相同的條件下，相機(jī)采集某一目標(biāo)的圖像，其輸出為，如果希望將其恢復(fù)成一個(gè)通過(guò)理想系統(tǒng)所成的像，則：上述過(guò)程即為對(duì)CIS相機(jī)進(jìn)行平場(chǎng)校正的過(guò)程。本文針對(duì)影響黑白CIS相機(jī)平場(chǎng)的因素進(jìn)行了分析，并提出了實(shí)用有效的校正方法。3.1 平場(chǎng)影響因素分析影響黑白CIS平場(chǎng)的主要因素包括：光

5、敏單元的響應(yīng)差異、光源的不均勻性和各光敏單元的暗電流及偏置。3.1.1CIS光敏單元的響應(yīng)差異CIS相機(jī)各光敏單元在量子效率、受光面積等方面不盡相同，使得對(duì)于相同條件下的入射光得到不同的輸出電荷，如式(1)和式(2)所示。式中：為光敏單元的量子效率；q為電子電荷量；為光敏單元的受光面積；為光譜輻射量度；為光子流速率(光強(qiáng))；T表示注入時(shí)間(又稱積分時(shí)間)。在圖像獲取過(guò)程中，對(duì)于CIS陣列的各個(gè)光敏單元，其注入時(shí)間T及電子電荷量q可看作是完全相同的，故可用常數(shù)kc代替，。將光敏單元量子效率與受光面積的乘積用表示。則式(1)變?yōu)橛墒?3)可知，對(duì)于不同的光敏單元，由于量子效率和受光面積的影響，相同

6、的光強(qiáng)將會(huì)得到不同的輸出電荷。3.1.2光源的不均勻性影響光源射出的光線經(jīng)過(guò)目標(biāo)表面反射后進(jìn)入CIS相機(jī)進(jìn)行成像。由于光源本身也存在不均勻性，即使目標(biāo)的灰度特性是完全相同的，經(jīng)過(guò)反射后進(jìn)入CIS相機(jī)所形成的光強(qiáng)度也并不完全一致。目標(biāo)的灰度特性、入射光強(qiáng)度、反射光強(qiáng)度三者關(guān)系可用近似表示為式中: 為反射光線強(qiáng)度,亦即式(3)中射入CIS的光子流速率；為照射在目標(biāo)上的入射光線強(qiáng)度；為目標(biāo)灰度特性；Mc為常系數(shù)?？梢?，由于入射光強(qiáng)的不均勻性，直接導(dǎo)致進(jìn)入CIS相機(jī)的反射光線強(qiáng)度呈非均勻性。3.1.3 CIS光敏單元暗電流及偏置的影響由于CIS相機(jī)的電容未飽和，即使沒(méi)有入射光進(jìn)入，CIS也會(huì)有暗電流及

7、偏置存在，圖1給出的是在沒(méi)有入射光的情況下得到的暗場(chǎng)和偏置圖像某一行的輸出情況。暗場(chǎng)及偏置存在的程度與相機(jī)本身的質(zhì)量及性能有關(guān)，但幾乎所有的CIS相機(jī)都存在這一現(xiàn)象。圖1 CIS某行光敏單元輸出的暗場(chǎng)加偏置圖像暗場(chǎng)及偏置與CIS相機(jī)光敏單元的輸出電荷及CIS最終輸出信號(hào)之間的關(guān)系為式中：為CIS相機(jī)對(duì)應(yīng)的某一光敏單元的輸出信號(hào)(即灰度值)；Yc為相機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，可視作常數(shù)；為此光敏單元的輸出電荷，亦即式(3)中輸出電荷量；為其暗電流強(qiáng)度；T為相機(jī)的積分時(shí)間，各光敏單元一致；為該光敏單元的偏置。3.2 CIS相機(jī)平場(chǎng)校正方法將式(3)、式(4)代入式(5)中,得到則式(6)可改寫為由此,C

8、IS相機(jī)平場(chǎng)校正的步驟如下：獲取暗本底圖像值。方法是：關(guān)閉CIS相機(jī)的光圈，采集暗本底圖像(為更好避免噪聲,可采取多幅平均的方法)，將暗本底圖像的灰度值保存在與圖像排列方式相同數(shù)組中。其對(duì)應(yīng)式(7)中的部分。在正常使用條件下，獲取標(biāo)準(zhǔn)白平衡紙(卡)的圖像，并將該圖像的灰度值保存在與圖像排列方式相同數(shù)組中。需注意的是，白平衡紙(卡)圖像不能存在過(guò)飽和的像素，即。對(duì)實(shí)際圖像進(jìn)行平場(chǎng)校正。在正常使用條件下，獲取實(shí)際圖像，得到對(duì)應(yīng)的實(shí)際圖像，存入數(shù)組中，根據(jù)式(7)有上式可簡(jiǎn)記為 式中: 為實(shí)際圖像經(jīng)平場(chǎng)校正后得到的相對(duì)灰度數(shù)組； 為白平衡(卡)的灰度特性數(shù)組，可定為常數(shù)，本文設(shè)定為240，實(shí)用中視具

9、體情況可做調(diào)整。由于獲取數(shù)組Matb和Mats的外部條件相同，故系數(shù)數(shù)組X與光源照射強(qiáng)度數(shù)組是相同的，可約去，則式(8)可改為由于數(shù)組Matb、Mata和Mats為已知，為常數(shù),可計(jì)算出。為了方便計(jì)算，式(9)可改寫為式中: 上述平場(chǎng)校正過(guò)程的流程如圖2所示。圖2 CIS相機(jī)平場(chǎng)校正流程圖3.3實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證平場(chǎng)校正方法的有效性，實(shí)驗(yàn)中采用灰度一致的標(biāo)準(zhǔn)色卡作為反光均勻的目標(biāo)。在一定實(shí)驗(yàn)條件下獲取目標(biāo)灰度圖像，由于上述分析的各種因素影響，使得標(biāo)準(zhǔn)灰度色卡圖像象素的灰度值存在較大差異，如圖3所示。對(duì)該圖像進(jìn)行平場(chǎng)校正處理后，可得到較好的平場(chǎng)結(jié)果，如圖4所示?；叶容敵龌疽恢拢瑘D像的灰度值均勻。圖3

10、 標(biāo)準(zhǔn)灰度色卡圖像灰度值的三維顯示圖4 平場(chǎng)校正后圖像灰度值的三維顯示為了直觀地驗(yàn)證校正結(jié)果，從該圖像某隨機(jī)行的某點(diǎn)開始,以100個(gè)像素為間隔提取出21個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的各相關(guān)參數(shù)值(式(10)中的各參數(shù))如表1所示。圖5為某行像素平場(chǎng)校正前后灰度值分布曲線圖。由圖中可以直觀地看出，圖像經(jīng)過(guò)平場(chǎng)校正后，灰度值分布曲線變化平緩，圖像灰度值均勻。圖5 某行像素平場(chǎng)校正前后灰度值分布曲線圖表1 標(biāo)準(zhǔn)灰度色卡圖像中某行部分像素的相關(guān)參數(shù)值對(duì)照表MatcMataMats1. 3772070451. 3872068451. 5562067451. 6472067441. 6152067441. 7852067451. 7292167451. 7962066451. 7662066451. 8882068452. 0122069451. 9202071461. 8972073461. 8672074461. 888