专利名称：快速高精度电子倍增ccd自动增益系统及方法
技术领域：
本发明属于针对高速实时电子倍増CCD微光成像系统特点提出的ー种快速高精度的电子倍増CCD自动增益控制技术，特别是ー种快速高精度电子倍増CCD自动增益系统及方法。
背景技术：
电子倍増CCD是采用了电子倍增技术的CCD，所谓电子倍増技术是指信号在传送到读出寄存器前经过采用特殊技术的增益寄存器获得电荷倍増的技木。由于电子倍増CCD对信号进行电荷级别的放大，与普通CCD相比有更高的灵敏度，可以在低照度下清晰成像。目前以电子倍増CXD为核心的电子倍増CXD成像系统在微光监视、航天探測微弱星光、航空及水下探測、复杂设备内部检测、医学和生物等重要国民经济领域得到越来越广泛的应用，应用前景非常广泛。 成像质量的好坏对电子倍増CXD成像系统是至关重要，对于电子倍増CXD成像系统曝光強度的调整，可以通过改变曝光时间，也可以通过信号増益G来实现。但在高速成像系统中，曝光时间受到帧频的限制，如1800帧的高速相机，曝光时间最长就不能超过1/lSOOs ;在某些对系统帧频有特殊要求的情况下，实际的曝光时间可能很短，调整曝光时间就无法满足帧频的需要，这时候就需要通过自动増益技术调整增益值G来得到高质量的图像。目前，在普通CXD成像系统中有相关的技术来实现增益的控制，但电子倍增CXD成像系统中的增益控制技术还不太成熟。同时电子倍増CCD成像系统的工作环境、成像特点与普通CCD成像系统有很大的区別，针对电子倍増CCD的成像特点，对成像质量的衡量标准需做修正。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种快速高精度电子倍増CCD自动增益系统及方法，针对高速实时电子倍増CXD微光成像系统，通过AD芯片采集实时图像信号，运用FPGA芯片对图像信号进行快速计算分析得到最佳的增益调整值，由得到的增益值调整电子倍増CCD倍増极上的电压值，实现对不同场景的自动增益，提高成像质量。实现本发明目的的技术解决方案为ー种快速高精度电子倍増CCD自动增益系统，由EMCXD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCXD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连；EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。ー种快速高精度电子倍増CXD自动增益方法，EMCXD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得到直接增益调节和逐次逼近增益调节所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的倍增电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。本发明与现有技术相比，其显著优点(I)电子倍増CCD成像系统主要在微光环境中使用。成像的光照条件相对简单，所成的微光图像对比度很低，图像灰度范围在直方图上靠近低灰度值区域，随着外界 光照強度的降低，得到的微光图像的对比度和亮度也随之下降，直方图的灰度范围随之变小，中心向低灰度值方向偏移。(2)电子倍増CCD使用了片上增益技术，在使用増益时电子倍増C⑶将产生热点噪声，在图像上这些噪声表现为亮点，在直方图上靠近高灰度区域。随着增益值的増大，图像的亮度増大，细节分辨率也随之增加，但噪声也随之増大。噪声的产生将影响图像的质量，有时甚至淹没图像信息。因此在衡量电子倍増CCD成像系统的成像质量时既要考虑图像的亮度，也要考虑图像的噪声。(3)该电子倍増CCD自动增益方法采用増益双调节方式，分别是以加权均值作为调节标准的直接増益调节方式，和以热点总像素比作为调节标准的逐次逼近增益调节方式。由直接増益调节完成増益的粗调节，粗调过后采用逐次逼近的方法完成増益的微调。粗调保证増益调节的快速，微调提高増益调节的精度。下面结合图对本发明作进ー步详细描述。图说明图I是电子倍増CXD自动增益成像系统设计框图。图2是直接増益调节流程图。图3是逐次逼近增益调节流程图。图4是整个系统自动增益流程图。图5增益值与倍增极电压关系图。图6增益电阻查找表。图7采用本技术得到的图像。图8未采用自动增益得到的图像I。图9未采用自动增益得到的图像2。
具体实施例方式图I为电子倍増CXD自动增益成像系统设计框图。整个系统由EMCXD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、増益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCXD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连。EMCXD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片；AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片；FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表。除了计算増益值，FPGA芯片还产生AD芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号(采样信号以及配置信号、数字图像信号、时序信号是分别在FPGA芯片芯片内通过写入相应的模块实现，具体的实现的方法为本领域技术人员的常规技术)；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。 作为系统的控制核心FPGA芯片内部主要由时序发生模块、AD配置模块、増益调节模块以及数字图像输出模块组成。时序发生模块用于产生驱动EMCCD芯片的时序信号以及AD采集时序信号；AD配置模块用于产生AD采集芯片所需的配置信息；增益调节模块用于增益值计算以及增益值的调节；数字图像输出模块将图像数字信号输出给外部的图像输出电路。EMCXD芯片的增益值由加载到EMCXD芯片倍增极上的电压值決定，图5为TI公司生产的TC253系列EMCCD芯片增益值与倍增极电压关系图，图中CMG为倍增极电压，CCMGain为增益值。倍增极电压CMG与增益值CCM Gain——对应，倍增极电压CMG的大小决定了增益值CMG Gain的大小。通过改变EMCXD芯片倍增极电压可改变EMCXD芯片的增益值。倍增电压产生电路产生加载到EMCCD芯片倍增极上的电压，电压值的大少由接入电路中的电阻值决定，通过改变电阻值的大小就可改变倍增极电压，从而改变EMCCD芯片的增益值。整个增益调节可分为两大步骤，第一歩直接増益调节，第二步为逐次逼近增益调节。第一歩直接増益调节直接增益调节是在EMCXD芯片采集完ー帧的图像数据后，系统中FPGA芯片对采集的图像数据进行处理，得到当前帧的加权平均亮度值Yn ;计算出Gn+1，即系统需要调整到的增益值，计算出Gn+1后，FPGA芯片将Gn+1值发送到增益电阻查找表中得到倍増电路电阻值，系统按照电阻值调整电路參数改变系统的增益值，具体过程为采用加权灰度均值Y作为自动増益整体亮度的衡量标准，对于成像系统图像的平均灰度Ya为
~YjnjxYjYa = ^1- (k = 0，1，2， ，2m) (I)
./=0式中Y〗代表图像中第j级灰度，Iij是Y〗的数量，m是成像系统的图像数据位数；以Ya为图像灰度值的分界点，计算出高于Ya的平均灰度值YaH，低于Ya的平均灰度值Yf a为Yas和Y&的分界点
权利要求
1.一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统，其特征在于由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCXD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCXD芯片相连；EM(XD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。
2.一种快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得到直接增益调节和逐次逼近增益调节所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的倍增电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。
3.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于直接增益调节是在EMCCD芯片采集完一帧的图像数据后，系统中FPGA芯片对采集的图像数据进行处理，得到当前帧的加权平均亮度值Yn;计算出Gn+1，即系统需要调整到的增益值，计算出Gn+1后，FPGA芯片将Gn+1值发送到增益电阻查找表中得到倍增电路电阻值，系统按照电阻值调整电路参数改变系统的增益值，具体过程为 采用加权灰度均值Y作为自动增益整体亮度的衡量标准，对于成像系统图像的平均灰度之为
4.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于经过直接增益调节后，电子倍增CCD成像系统在当前增益下，成像的平均亮度达到图像的理想亮度值Ytl,然后采用逐次逼近增益调节的方法，寻找最佳的增益值，使热点总像素比N值最小，逐次逼近增益调节步骤如下1)计算出当前帧的倍增噪声比Νη，
5.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于在调节增益之前必须找到增益值与电阻值之间的对应关系，将增益值转换为电阻值，通过调节电阻值来实现对增益值的控制，采用增益电阻查找表实现增益值与电阻值之间的转换，增益电阻查找表中存放着与增益值相对应的电阻值，在FPGA芯片内部建立一张增益电阻查找表，将增益值和与之相对应的电阻值存放在查找表中，所述的增益电阻查找表是以直接调节增益值Gn作为查找表的地址，系统将直接调节增益值分为N档，分别为GO、Gl......GN,对应的直接调节电阻值也分为N档，分别为RO、Rl......RN,逐次逼近增益调节将直接增益调节电阻值Rn作为起始电阻，以△ R作为电阻最小分度值，将电阻分为M档，分别为Rn、Rn+AR......Rn+MX Λ R ;直接增益计算得到下一步调整的增益值Gn+1，通过查找增益电阻查找表得到直接调节电阻值Rn+1，以Rn+1调整接入倍增电压产生电路的电阻值，使系统增益达到Gn+1 ;直接增益完成后进入逐次逼近增益调节，在逐次逼近增益调节过程中，从Rn+1、Rn+1+ AR......Rn+1+MX ΔR逐次增加接入倍增电压产生电路的电阻值，通过比较当前帧的Nn与上一帧的Nlri，得到最佳的增益值，经逐次逼近增益调节得到的最佳增益值就是系统最终的增益值G。
全文摘要
本发明公开了一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统及方法，由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连。本发明是针对高速实时电子倍增CCD微光成像系统，通过AD芯片采集实时图像信号，运用FPGA芯片对图像信号进行快速计算分析得到最佳的增益调整值，由得到的增益值调整电子倍增CCD倍增极上的电压值，实现对不同场景的自动增益，提高成像质量。
文档编号H04N5/372GK102769723SQ20121010748
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者于雪莲, 何伟基, 屈惠明, 张毅, 张闻文, 柏连发, 路东明, 钱惟贤, 陆震熙, 陈钱, 隋修宝, 顾国华 申请人:南京理工大学