一种CMOS图像传感器暗电流的计算方法及系统与流程

一种cmos图像传感器暗电流的计算方法及系统
技术领域
1.本发明属于信息技术领域，涉及图像采集、图像数据处理计算领域，具体涉及一种cmos图像传感器暗电流的计算方法及系统。


背景技术：

2.cmos图像传感器暗电流是指没有光时相机的输出电流。由图像传感器热致电子产生，与温度有关，并会产生随曝光时间线性变化的暗信号。由于暗电流属于元件的热噪声，随机产生，无法消除。暗电流的不均匀性，形成了cmos图像传感器的固定模式噪声，这种噪声在通常的工作模式下无法察觉，但是在长曝光时间或者在高温下拍摄的图像可以观测到，直接影响图像的成像质量。因此，尤其在工业领域，暗电流的测试属于必测项。一般来说，暗电流都很小，基本都在ua和na量级，目前，对暗电流的测试技术有以下几种：
3.(1)在电流表的回路中加入电压源，提供一个反向偏压，加速电子和空穴的迁移过程，减少电子和空穴的复合率，提高量子效率和响应时间，使用电流表或者万用表进行测量。这种方法的缺点是因为引入反向偏压的大小不好控制，导致测试系统复杂化，测量的暗电流精度无法保证。
4.(2)smu源测量单元：一方面可完成反向偏压的扫描，又能完成小电流的测试。缺点是smu单价较高，性价比低。
5.(3)采用高精度的dmm或者皮安表进行测量。dmm的缺点是无法提供偏压，只能完成无偏压环境下暗电流的测试。高精度万用表输入端压降比较高，影响小电流的测试精度。
6.(4)吉时利的6487小电流测试仪表进行测试。该测试仪表既可以提供反向偏压，又可以完成小电流的高精度测试。
7.然而，以上所述的测试方法，均采用第三方的测量工具进行测试。无法满足在系统应用环境下，直观的观测cmos图像传感器的暗电流参数指标。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种cmos图像传感器暗电流的计算方法，既能解决在系统应用环境下cmos图像传感器暗电流参数指标的测试，又能有效的提供一种简单直观的观测cmos图像传感器暗电流的参数指标的方法。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种cmos图像传感器暗电流的计算方法，包括以下步骤：
10.暗室环境下，从最小曝光度开始，按照n倍指数增长的步长，采集暗室环境下不同曝光度下cmos图像传感器输出的图像文件，直到曝光度饱和或至少采集20副图像文件；
11.计算所采集的每幅图像的平均值，平均值作为最小二乘法的纵坐标值域；
12.计算每幅采集图像的曝光时间值，时间值作为最小二乘法的横坐标值域；
13.基于所述纵坐标值域和横坐标值域，利用最小二乘法，计算曲线斜率值和截距值；
14.根据曲线斜率，计算暗电流。
15.按照n倍指数增长的步长，采集暗室环境下不同曝光度下cmos图像传感器输出的图像文件时，n＝2，基于dals图像集卡采集cmos图像传感器输出的不同曝光度下的图像文件，对所述图像进行文件保存，保存格式为*.raw格式。
16.计算横坐标值域时，根据图像分辨率，对采集的图像文件进行解算，按照行列矩阵进行图像平均值的计算，将每幅图像的平均值作为最小二乘法纵坐标的值域。
17.计算横坐标值域时，根据cmos图像传感器曝光度设置寄存器的值，以及行周期寄存器的值，计算每幅图像的曝光时间，每幅图像的曝光时间作为最小二乘法的纵坐标值域。
18.计算每幅图像的曝光时间具体包括以下步骤：
19.cmos图像传感器曝光度设置寄存器：reg6：曝光度低8位、reg7：曝光度中8位、reg8：曝光度高8位；
20.cmos图像传感器行周期寄存器：reg24：行周期低8位、reg25：行周期高5位；
21.图像每行读出时间＝(reg24+reg25
×
256)
×
100ns；
22.曝光时间＝(reg6+reg7
×
256+reg8
×
65536)
×
图像每行读出时间，单位：ns。
23.根据所得到的曲线斜率，即暗电流引发的输出灰度值，结合系统增益值，计算得出单位面积暗电流，暗电流计算公式为：
24.i_dark＝((a/k)*1.6*10-19
/t)/s
25.其中，a为拟合曲线斜率；步骤4计算得出的a_x1[1]；k为系统增益；t为单位时间，1s；s为单个像元面积。
[0026]
另外，本发明还提供一种cmos图像传感器暗电流的计算方法系统，包括图像获取模块、纵坐标值域计算模块、横坐标值域计算模块、最小二乘法计算模块以及暗电流计算模块；
[0027]
图像获取模块用于获取图像，所述图像是在暗室环境下，从最小曝光度开始，按照2倍指数增长的步长，采集暗室环境下不同曝光度下cmos图像传感器输出的图像文件，直到曝光度饱和；
[0028]
纵坐标值域计算模块用于计算所采集的每幅图像的平均值，平均值作为最小二乘法的纵坐标值域；
[0029]
横坐标值域计算模块用于计算每幅采集图像的曝光时间值，时间值作为最小二乘法的横坐标值域；
[0030]
最小二乘法计算模块用于根据所述纵坐标值域和横坐标值域，利用最小二乘法，计算曲线的斜率值和截距值；
[0031]
暗电流模块根据曲线斜率，计算暗电流。
[0032]
纵坐标值域计算模块中设置寄存器设置单元，寄存器设置单元对寄存器进行设置如下，cmos图像传感器曝光度设置寄存器：reg6：曝光度低8位、reg7：曝光度中8位、reg8：曝光度高8位；
[0033]
cmos图像传感器行周期寄存器：reg24：行周期低8位、reg25：行周期高5位。
[0034]
另一方面，本发明再提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述cmos图像传感器暗电流的计算方法。
[0035]
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算
机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的cmos图像传感器暗电流的计算方法。
[0036]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0037]
本发明提供的cmos图像传感器暗电流的计算方法，能够解决目前对cmos图像传感器暗电流测试方法的局限性、复杂性、不够直观的特性以及测试精度的不完善性，有效提供一种基于应用环境下，简单直观的计算cmos图像传感器暗电流参数指标的方法；缓解了设计人员采用第三方测试工具进行人工测量的耗时耗力操作，避免了复杂测试方法下，对cmos图像传感器暗电流参数指标的不精确测试。
附图说明
[0038]
图1为本发明一种可实施的流程示意图。
具体实施方式
[0039]
为了使用一种简单直观的方式，在系统应用环境下直观观测cmos图像传感器暗电流的参数指标，本发明提供一种cmos图像传感器暗电流的计算方法，这种方法可以解决目前对cmos图像传感器暗电流测试方法的局限性、复杂性、不够直观的特性以及测试精度的不完善性，参考图1，包括以下实现步骤：
[0040]
步骤1：暗室环境下，从最小曝光度开始，按照2倍指数增长的步长，采集暗室环境下不同曝光度下的图像文件，直到曝光度饱和。在步骤1中，需要对所采集的图像进行检测，确保图像采集准确，如图像采集错误，则重新进行采集，再对所述图像进行保存，对所保存的图像文件进行检测，确保图像数量达不低于20张，或者其曝光度达到饱和，如果图像文件符合数量或曝光度的要求，则进行下一步计算，如果图像文件即不符合数量要求也不符合曝光度要求，则重新采集并保存。
[0041]
本发明基于dalas图像采集卡，采集cmos图像传感器输出的不同曝光度下的图像文件，对所述图像进行文件保存，保存格式为*.raw格式。
[0042]
步骤2：计算所采集的每幅图像的平均值，平均值作为最小二乘法的纵坐标值域。
[0043]
本发明根据图像分辨率，对保存的raw格式的图像文件进行解算，按照行列矩阵进行图像平均值的计算，将每幅图像的平均值作为最小二乘法纵坐标的值域。
[0044]
步骤3：计算每幅采集图像的曝光时间值，时间值作为最小二乘法的横坐标值域。
[0045]
本发明根据cmos图像传感器曝光度设置寄存器的值，以及行周期寄存器的值，计算每幅图像的曝光时间，每幅图像的曝光时间作为最小二乘法的纵坐标值域。
[0046]
步骤4：利用最小二乘法，计算曲线的斜率。
[0047]
根据步骤2和步骤3的计算结果，得出采集图像平均值(纵轴)与图像曝光时间(横轴)的拟合曲线，进一步利用最小二乘法，计算得出采集图像平均值与图像曝光时间拟合曲线的斜率值和截距值。
[0048]
步骤5：根据曲线斜率，计算暗电流。
[0049]
根据步骤4得到的曲线斜率，即暗电流引发的输出灰度值，结合系统增益值，计算得出单位面积暗电流参数指标。
[0050]
本发明在暗室环境下采集最少20幅图像。曝光度以指数级增长，在图像采集正确的前提下，将图像保存为*.raw格式文件，对图像文件的数据进行解析。在图像数据文件平
均值以及平均值所对应的曝光时间的基础上，以最小二乘法拟合曲线，得出cmos图像传感器暗电流的参数指标。
[0051]
作为示例通过以下步骤计算cmos图像传感器暗电流：
[0052]
步骤1：暗室环境下，从最小曝光度开始，按照2倍指数增长的步长，采集暗室环境下不同曝光度下的图像文件，直到曝光度饱和。
[0053]
本发明基于dalas图像采集卡采集cmos图像传感器输出的不同曝光度下的图像。对该图像进行文件保存，保存格式为*.raw格式。
[0054]
示例计算程序为：m_buffers.save(picfile_str1，
″‑
format raw
″
，1，0)；
[0055]
步骤2：计算每幅采集到的图像平均值，平均值作为最小二乘法的纵坐标值域。
[0056]
本发明根据图像分辨率，对保存的raw格式的图像文件进行解算，按照行列矩阵进行图像平均值的计算，每幅图像的平均值作为最小二乘法纵坐标的值域。
[0057]
作为示例，所述图像为2560
×
3072阵列，先计算每一行的2560列的平均值，再计算3072行的平均值。
[0058]
步骤2-1：计算采集图像每行的累加和：每行2560列的像元值相加。
[0059]
步骤2-2：计算采集图像每行的平均值：每行的累加和除以2560列。
[0060]
步骤2-3：计算采集图像所有像元的累加和：每行计算平均值相加。
[0061]
步骤2-4：计算采集图像所有像元的平均值：所有像元的累加和除以3072行。
[0062]
示例计算程序如下：
[0063][0064]
步骤3：计算每幅采集图像的曝光时间，时间值作为最小二乘法的横坐标值域。
[0065]
作为示例，本发明根据cmos图像传感器曝光度设置寄存器的值，以及行周期寄存器的值，计算每幅图像的曝光时间。每幅图像的曝光时间作为最小二乘法的纵坐标值域。
[0066]
步骤3-1：cmos图像传感器曝光度设置寄存器：reg6(曝光度低8位)、reg7(曝光度中8位)、reg8(曝光度高8位)。
[0067]
步骤3-2：cmos图像传感器行周期寄存器：reg24(行周期低8位)、reg25(行周期高5位)。
[0068]
步骤3-3：图像每行读出时间＝(reg24+reg25
×
256)
×
100ns。
[0069]
步骤3-4：曝光时间＝(reg6+reg7
×
256+reg8
×
65536)
×
图像每行读出时间，单位：ns。
[0070]
步骤4：利用最小二乘法，计算曲线的斜率。
[0071]
根据步骤2和步骤3的计算结果，得出采集图像平均值(纵轴)与图像曝光时间(横轴)的拟合曲线，进一步利用最小二乘法，计算得出采集图像平均值与图像曝光时间拟合曲
线的斜率值和截距值。
[0072]
步骤4-1：计算图像曝光时间(横轴)的平方和。
[0073]
步骤4-2：计算采集图像曝光时间(横轴)以及采集图像平均值(纵轴)的平方和。
[0074]
步骤4-3：计算拟合曲线的斜率和截距。示例计算程序如下：
[0075]
[0076][0077]
multiline(time_buf，pic_avg，pic_nums-1，1)。
[0078]
步骤5：根据曲线斜率，计算暗电流。
[0079]
暗电流计算公式为：i_dark＝((a/k)*1.6*10-19
/t)/s
[0080]
a为拟合曲线斜率；步骤4计算得出的a_x1[1]；k为系统增益；t为单位时间，1s；s为单个像元面积。
[0081]
计算示例程序为：
[0082]
i_dark＝(a_x1[1]/0.03)*1.6；//k：系统增益：固定3微伏
[0083]
i_dark＝(i_dark*(math.pow(10，-19)))/1.0；//t：1s
[0084]
i_dark＝i-dark/(7.5*7.5*(math.pow(10，-8)))；//s：单个像元面积：7.5*7.5平方微米
[0085]
i_dark＝i_dark*math.pow(10，12)；//(皮安/平方厘米pa/cm^2pa：皮安)。
[0086]
另外，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述基于压缩感知和中心频率的cmos图像传感器暗电流的计算方法。
[0087]
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于压缩感知和中心频率的cmos图像传感器暗电流的计算方法。
[0088]
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。
[0089]
处理器可以是中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或现成可编程门阵列(fpga)。
[0090]
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
[0091]
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram，random access memory)、固态硬盘(ssd，solid state drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(reram,resistance random access memory)和动态随机存取存储器(dram，dynamic random access memory)。