专利名称：一种实现图像信号自适应的数字增益方法
技术领域：
本发明主要涉及一种数字增益方法，特别是在图像信号处理过程中对 所获得的原始数据进行处理，通过噪声分离和信号建模进行数字增益处理 的方法。
背景技术：
用传感技术进行图像生成的过程中，图像原始数据由像素队列生成， 由于工艺、版图布局、电路结构等各方面在像素队列的差异性，使得每个 像素点产生的图像数据也存在差异性。主要体现在由列电路结构的差异表 现造成的列差异性上。数字增益是一种对信号数据进行线性处理的一种图 像处理技术， 一般用在输入信号数据均值较小或较大时。传统的数字增益 技术一般考虑的是数据处理后的连续性，如不产生亮度突变和抑制过放大 噪声等，而对于输入信号的质量本身没有评估和处理。由于传感器像素队 列成像区域差异性的必然存在，输入信号的差异性经过传统的数字增益后 必然会加剧这种差异性，故图像质量没有得到保障，造成数字增益后使图 解亮度增加了，却使图像质量下降了的情况。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种对输入信号的图像进行预处理的数 字增益方法，可以隔离图像信号的固定噪声，避免固定噪声的放大和传递， 实现信号的同比縮放，有效抑制图像动态噪声的产生。
本发明提出的一种实现图像信号自适应的数字增益方法，包括以下处 理步骤
1)计算各列图像信号的偏置值和固有增益；
2) 对图像信号分解建模，使得图像信号由偏置值部分和线性子信号 部分叠加组成，线性子信号部分为V0Ut —偏置值，其斜率为图像信号的 固有增益；
3) 将数字增益叠加在图像信号的线性子信号部分。
优选的，所述步骤1)中还包括计算均值固有增益的步骤；所述步骤 3)中具体包括以下过程线性子信号部分按照以下方式进行修正修正后 的线性子信号二 ((V0Ut —偏置值)/固有增益)X均值固有增益；将数字 增益叠加在修正后的线性子信号部分。
优选的，所述步骤l)中还包括计算均值偏置值的步骤；所述步骤3)
中还包括用均值偏置值替代各列图像信号的偏置值的步骤。
优选的，所述步骤1)中计算各列图像信号的偏置值和固有增益具体
为通过在像素队列中增加两个不感光的行，并使其中一行的Vin置为0， 另一行的Vm置为一固定值，根据这两行的Vout计算出各列的偏置值和固 有增益。
本发明提出的另一种实现图像信号自适应的数字增益方法，包括以下
处理步骤
4) 计算各列图像信号的偏置值、固有增益以及均值偏置值和均值固 有增益；
5) 对图像信号分解建模，使得图像信号由偏置值部分和线性子信号
部分叠加组成，线性子信号部分为V0Ut —偏置值，其斜率为图像信号的
固有增益；
6) 各列图像信号的偏置值部分用均值偏置值替代；线性子信号部分 按照以下方式进行修正修正后的线性子信号=((V0Ut —偏置值)/固有
增益)X均值固有增益；
7) 将数字增益叠加在图像信号的均值偏置值和修正后的线性子信号部分。
优选的，所述步骤4)中计算各列图像信号的偏置值和固有增益具体 为通过在像素队列中增加两个不感光的行，并使其中一行的Vin置为0， 另一行的Vin置为一固定值，根据这两行的Vout计算出各列的偏置值和 固有增益。
采用上述技术方案产生的有益效果是-
1. 通过对图像输入信号进行分解建模，将数字增益叠加在线性子信号 部分;或者将固有增益和偏置值用均值固有增益和均值偏置值修正后叠加 数字增益，可以避免对输入信号的固定噪声的放大，抑制图像动态噪声的产生。
2. 釆用均值偏置值与均值增益反馈回来控制图像数据流，降低由于工
艺、版图布局、电路结构等各方面在像素队列的差异性导致产生的图像信 号的差异，从而实现了既增加图像亮度又改善图像质量的处理效果。
图1是本发明的列图像信号模型解析图2是本发明的另一列图像信号模型解析图3是本发明的像素队列结构图4是本发明最佳实施例与其它电路连接的示意图。
具体实施例方式
下面对本发明进行说明。先定义几个参数，以便对图像信号进行建模 分析，参照图1、图2:
Offset:像素没有感受光强时(即黑行)的电压偏置值； Vim 像素感受到光强时的累计的电压； V0Ut:像素完成曝光后的读出电压； k: 固有增益。
这几个参数之间的关系Vout=Vin*k+Offset。对应于一片有j列像素 的sensor来说，每一列都对应着一个k值和一个Offset值。
在理想状态下，即不考虑由于工艺、版图布局、电路结构等各方面对
像素产生的影响，各列的k值和Offset值是相等的-ko=ki = k2 =... = kj-2=kj-1; offseto=offseti = 0ffset2 =... = offsetj-2=offsetj-i;
由此可以知道，在理想状态下，只要每个像素感受的光强Vin相同，
就可以得到相同的Vout。
而在实际应用当中工艺、版图布局、电路结构等各方面对像素产生的
影响是不容忽视的，主要表现就是可能导致各列的k值和offset值不相等。 这就使得不同像素在感受相同光强Vin时得到不同的Vout值，如果后端还 经过数字增益对Vout进行放大处理的话，这些误差将会被一同放大，噪声 将会变得明显。假设一组k值和offset值来进行分析
第一列的k值和offset值为ki二4， offseti = 10;
第一列的k值和offset值为k2=3， offset2=16;
感受到的光强为Vin=10 。
由此可以得到
第一列的输出值为Vout1=50;
第二列的输出值为V0Ut2=46;
误差为A。ut二Vout！ -Vout2=4。如果后端还经过数字增益对Vout进行 放大处理的话，A。ut将会被一同放大，造成了数字增益虽然使图解亮度增 加了，但图像质量却下降了。本发明的原理就是将Vout拆分后进行放大， 从而避免对A 。ut放大，还可以通过在叠加数字增益的时候修正k值和offset 值来减小A。ut，从而达到减小噪声的目的。
如图3所示，把像素队列的第0、 l行做成不感光的行。则第0行的 Vin=0，这样就可以得到各列的offset值；给第1行一个固定的Vin值， 则可以计算得到各列的K值。 所有k值求和
k—sum= ko+ki+k2+.. .+kj-2+kj-i; 求k的均值
k—aver= k—sum /j; 所有offset值求和
offset—sum= offseto+offseti+offset2H-----("offsetj-2+offsetj-i;
求offset的均值
offset—aver= offset—sum /j;
得到出k的平均值和offset的平均值以后就可以对Vout进行处理了 。 先把Vout分成两部分，分别用A和B表示 A 二 offset;
B=Vout—offset=k* Vin 。
可以看出A为信号的偏置值部分，B为信号的线性子信号部分，线性
子信号部分的斜率为图像信号的固有增益k。
作数字增益的时候，可以采用将数字增益叠加在固有增益上，即只对 B进行放大，由于Vout的误差是由两部分误差(各列的固有增益k值和各 列的偏置offset值的误差)造成的，这样就避免了对offset的误差进行放 大。
假设数字增益放大的倍数为a。这时最好不要简单的拿a乘以B来 实现放大，因为固定增益k值也是存在误差的，如果是这样直接相乘实现 放大的话同样会将k值的误差一起放大，所以还可以对B进行适当的处理， 这样实现效果才会更好。
由于B=Vout_offset=k*Vin，各列的k值不同导致感受相同光强B 值也会不同，固定增益k值是受由工艺、版图布局、电路结构等各方面影 响导致各列的k值不一样的，做成产品后这些都将不可调节，所以要消除 这种差异只能在后端对k值进行适当的修正。前面已经计算出k的平均值， 可以拿这个平均值作为k值的参考值对Vout的B部分进行适当修正 B、 = Vin * k—aver =(B/k) * k_aver =((Vout—offset)/k)* k—aver;
做了这样的修正以后就相当于把所有列的k值都修正为k一aver，这样 的话相同的Vin就有相同的B、。再取offset_aver作为各列像素队列的offset: offsctj=offsct—aver
就可以得到经过两次修正后的V0Ut、
Vout、= offset—aver+((Vout—offset)/k)* k_aver;
做了这样的修正以后相当于把由于不同列的不同k值和offset值产生 的误差给消除了，避免了在做数字增益时对误差的放大，这样就可以达到 既增加了图像的亮度又保证了图像质量的效果了 。
还可以通过将数字增益叠加在经过修正后的整体图像信号中，由于对 图像信号中的固有增益和偏置值先采用均值固有增益和均值偏置值进行修 正，所以在做数字增益时就不会将误差放大。
以前的数字增益都是简单的将增益叠加到输出信号上，没有对输出信 号本身存在的误差(包括固有增益k值和偏置offset的误差)进行分离修 正，导致信号放大了误差也放大了；本发明的方法就是通过分离噪声，也 就是将输出信号中存在误差的固有增益k值和偏置offset值进行分离修正 后再进行各种方式的数字增益，从而避免了对误差的放大，达到减小图象 噪声的目的。
图4所示的优选实施例中ADC为模数转换模块，用于将模拟信号转
换成数字信号；SRAM为存储模块，用来存储k值和offset值；D—gain module 为数字增益处理模块，从ADC出来的信号在这里实现分离放大。
工作过程Vout经过ADC转换成数字信号，通过两行black pixel得 到的每列固有增益k值和固有偏置offset值存储在SRAM中，D一gain module 模块根据SRAM中的k值和offset值计算出k—aver值和offset—aver值，并对 输出信号采用均值进行修正后放大输出，实现数字增益。
权利要求
1.一种实现图像信号自适应的数字增益方法，其特征在于，所述方法包括以下处理步骤1)计算各列图像信号的偏置值和固有增益；2)对图像信号分解建模，使得图像信号由偏置值部分和线性子信号部分叠加组成，线性子信号部分为Vout-偏置值，其斜率为图像信号的固有增益；3)将数字增益叠加在图像信号的线性子信号部分。
2. 根据权利要求1所述的数字增益方法，其特征在于，所述步骤l)中还包括计算均值固有增益的步骤；所述步骤3)中具体包括以下过程线性子信号部分按照以下方式进行修正修正后的线性子信号= ((Vout—偏置值)/固有增益)X均值固有增益；将数字增益叠加在修正后的线性子信号部分。
3. 根据权利要求2所述的数字增益方法，其特征在于， 所述步骤l)中还包括计算均值偏置值的步骤；所述步骤3)中还包括用均值偏置值替代各列图像信号的偏置值的步骤。
4. 根据权利要求1-3任一所述的数字增益方法，其特征在于，所述步 骤1)中计算各列图像信号的偏置值和固有增益具体为通过在像素队列中增加两个不感光的行，并使其中一行的Vin置为0，另一行的Vin置为 一固定值，根据这两行的Vout计算出各列的偏置值和固有增益。
5. —种实现图像信号自适应的数字增益方法，其特征在于，所述方法 包括以下处理步骤4) 计算各列图像信号的偏置值、固有增益以及均值偏置值和均值固 有增益；5) 对图像信号分解建模，使得图像信号由偏置值部分和线性子信号 部分叠加组成，线性子信号部分为Vout—偏置值，其斜率为图像信号的 固有增益；6) 各列图像信号的偏置值部分用均值偏置值替代；线性子信号部分 按照以下方式进行修正修正后的线性子信号=((V0Ut —偏置值)/固有 增益)X均值固有增益；7) 将数字增益叠加在图像信号的均值偏置值和修正后的线性子信号 部分。
6.根据权利要求5所述的数字增益方法，其特征在于，所述步骤4) 中计算各列图像信号的偏置值和固有增益具体为通过在像素队列中增加两个不感光的行，并使其中一行的Vin置为0，另一行的Vin置为一固定 值，根据这两行的Vout计算出各列的偏置值和固有增益。
全文摘要
本发明公开了一种实现图像信号自适应的数字增益方法，通过对图像信号中存在的固有增益k值和偏置offset的误差进行分离并使用其均值进行修正后，再进行数字增益。从而避免了对误差的放大，达到减小图象噪声，抑制图像动态噪声的产生，实现了既增加图像亮度又改善图像质量的处理效果。
文档编号H04N5/217GK101197933SQ200610157428
公开日2008年6月11日 申请日期2006年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者朱子宇, 黄勇涛 申请人:比亚迪股份有限公司