专利名称：一种暗电平指标可控的成像系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种成像系统和方法，尤其涉及暗电平指标可控的成像系统和方法。
背景技术：
图像传感器属于光电产业里的光电兀器件，主要分为(XD芯片(Charge CoupledDeviceノ、CM0S 心片(Complementary Metal-Oxide-semiconductor Transistor)和 CIS 7己、片(Contact Image Sensor)。成像系统主要由光学机械部件、图像传感器、驱动电路和信号处理电路组成。目标通过光学机械部件成像在图像传感器的光敏面上，在驱动电路的作用下，图像传感器完成光电荷的转换、存储、转移和读取过程，从而将光学信息转换为模拟图像电信号，信号处理电路将模拟图像电信号转换为计算机可以存储、处理的数字图像信号。成像系统随器件、指标、工作环境和寿命等的不同千差万別，然而模拟图像信号处理方法主要有 Correlated Double Sampling (CDS)和 Sample and Hold (S/H)两种，CDS 只能应用于C⑶图像信号的处理，S/Η可以应用于任ー图像传感器的信号处理。多数图像信号处理芯片同时具备CDS和S/Η功能，因此，依据模拟图像信号处理方法使成像系统的某些指标可控是成像系统的重要设计思想之一。暗电平是衡量成像系统性能的重要指标之ー(暗电平是指成像系统在无光的条件下，输出数字图像的DN值)，成像系统输出的真实图像应该为输出图像值减去暗电平。显然，必须控制成像系统暗电平尽可能的小，但同时要确保其大于0(EMVA(欧洲机器视觉协会)Standard 1228)，因为，暗电平过大(>0)势必影响成像系统的动态范围，而过小(〈0)则影响成像系统的灵敏度(弱目标信息被暗电平湮没)。然而，由于图像传感器和信号处理链路中元器件的个体差异，导致即使是设计完全相同的成像系统，其暗电平也不可能完全一样，即每套成像系统都需单独调节及控制暗电平。因此，急需ー种通用的暗电平指标可控的成像系统和方法。
发明内容
为了解决现有的成像系统中的暗电平调节具有局限性的技术问题，本发明针对上述情况，提出ー种通用的暗电平指标可控的成像系统和方法。本发明采用的技术方案如下一种暗电平指标可控的成像系统，其特殊之处在于包括暗电平测试环境、实时图像采集与显示系统以及放置于暗电平测试环境中的光电成像传感器、运算放大器、图像信号处理芯片、开关控制电路、模拟开关和參考电平补偿网络，所述光电成像传感器的模拟图像信号输出端与运算放大器的输入端+IN连接，所述运算放大器的输出端OUTPUT通过电容与图像信号处理芯片的输入端连接，所述图像信号处理芯片的数字图像信号输出端与实时图像采集与显示系统的输入端连接，所述參考电平补偿网络通过模拟开关与运算放大器的输入端-IN连接，所述开关控制电路根据光电成像传感器所输出模拟图像信号的哑像元段与有效像元段的时序关系控制模拟开关的闭合与断开。上述图像信号处理芯片包括对输入信号进行偏置钳位的偏置钳位电路、采样保持电路以及A/D转换器，所述偏置钳位电路、采样保持电路以及A/D转换器依次连接。上述光电成像传感器为CXD芯片、CMOS芯片或CIS芯片。上述参考电平补偿网络包括能够提供正参考电平的正电源、能够提供负参考电平的负电源、可变电阻R1、可变电阻R2以及电阻R3，所述可变电阻Rl —端与正电源连接，所述可变电阻R2的一端与负电源连接，所述可变电阻Rl和可变电阻R2的另一端均与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端通过模拟开关与运算放大器的输入端-IN连接。一种暗电平指标可控的成像方法，其特殊之处在于包括以下步骤 I光电成像传感器向运算放大器输出模拟图像信号；2对模拟图像信号的哑像元段的偏置电平进行电平补偿开关控制电路根据光电成像传感器所输出模拟图像信号的哑像元段与有效像元段的时序关系控制模拟开关的打开与关闭，对哑像元段的偏置电平进行补偿处理，使得哑像元段的偏置电平改变AV，得到补偿后的模拟图像信号，具体补偿方式为当模拟图像信号为哑像元段时，开关控制电路控制模拟开关闭合；当模拟图像信号为有效像元时段时，开关控制电路控制模拟开关打开； 3对补偿后的模拟图像信号的哑像元段的偏置电平进行偏置钳位处理图像信号处理芯片的偏置钳位电路提供一个固定直流偏置电平Vl，偏置钳位电路对输入的补偿后的模拟图像信号的哑像元段进行偏置钳位处理，具体步骤如下偏置钳位电路将输入的补偿后的模拟图像信号的哑像元段的偏置电平信号钳位至固定直流偏置电平VI，且输出钳位后的模拟图像信号；4采样保持采样保持电路接收偏置钳位电路输出的钳位后的模拟图像信号，并对该钳位后的模拟图像信号利用S/Η方法提取有效像元的电平信号，并输出至A/D转换器；5A/D转换处理A/D转换器将有效像元的电平信号转换为有效像元的数字图像信号，传输至实时图像采集与显示系统；6暗电平调节通过实时图像采集与显示系统进行实时统计数字图像信号，根据统计的结果，动态调节参考电平补偿网络的可变电阻以改变电平补偿量，直至显示的数字图像信号满足暗电平指标。上述光电成像传感器为CXD芯片、CMOS芯片或CIS芯片。上述参考电平补偿网络包括能够提供正参考电平的正电源、能够提供负参考电平的负电源、可变电阻R1、可变电阻R2以及电阻R3，所述可变电阻Rl —端与正电源连接，所述可变电阻R2的一端与负电源连接，所述可变电阻Rl和可变电阻R2的另一端均与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端通过模拟开关与运算放大器的输入端-IN连接。上述步骤6暗电平调节的具体步骤如下通过实时图像采集与显示系统进行实时观测和统计数字图像信号，
当成像系统的暗电平大于零且过大时，当光电成像传感器为CCD芯片时，调节可变电阻Rl变小或调节可变电阻R2变大，使得AV变小；当光电成像传感器为CMOS芯片或CIS芯片时，调节可变电阻Rl变大或调节可变电阻R2变小，使得Λ V变大；当成像系统的暗电平小于零时当光电成像传感器为CCD芯片时，调节可变电阻Rl变大或调节可变电阻R2变小，使得变大；
当光电成像传感器为CMOS芯片或CIS芯片时，调节可变电阻Rl变小或调节可变电阻R2变大，使得Λ V变小。本发明所具有的积极效果I、从正、负两个方向(暗电平大于O或暗电平小于O)实现成像系统的暗电平指标的双向可控。2、本发明方法实现简单，适用于成像系统的设计、测试、生产和维修任意阶段对暗电平指标的标定。3、本发明系统结构原理简单、成本低、通用性强。
图I为本发明原理示意2对原始模拟图像信号的哑像元段区段进行电平补偿后的模拟图像信号波形；图3为图像信号处理芯片(具备输入信号钳位和采样保持(S/Η)功能)哑像元段钳位原理示意图；图4为图像信号处理芯片(具备输入信号钳位和采样保持(S/Η)功能)采样保持(S/Η)处理原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细说明本发明原理示意图如图1，一种暗电平指标可控的成像系统，包括光电成像传感器、运算放大器、图像信号处理芯片(具备对输入信号进行钳位和采样保持(S/Η)功能)、开关控制电路13、模拟开关、参考电平补偿网络，所述光电成像传感器输出的模拟图像信号输出至运算放大器，与参考电平补偿网络构成加减法电路，加减法使能由模拟开关控制，运算放大器输出与图像信号处理芯片的输入交流耦合，将图像信号处理芯片输出的数字图像信号传输至实时图像采集与显示系统17。具体说明如下光电成像传感器在驱动电路(图中未画出)的作用下正常曝光工作，输出模拟图像信号。光电成像传感器在输出每行或每帧(由光电成像传感器的类型决定)表征光学信息的有效像元信号前先输出一定数目的不表征任何信息的哑像元段(DUMMY PIXELS)。模拟图像信号属于交流电压信号，然而其有一定的直流偏置电平Vdc，正常情况下，哑像元段的直流偏置电平与有效像元完全一致(如图2)。光电成像传感器输出的模拟图像信号输出至运算放大器11，运算放大器与参考电平补偿网络15构成加减法电路，加减法使能由模拟开关14控制，哑像元段模拟开关闭合，有效像元时段模拟开关打开，如此实现仅对哑像元段信号作加减法，即改变哑像元段的直流偏置电平为Vdc+Λ V，有效像元的直流偏置电平不变为Vdc，图中AV即是电平补偿网络改变哑像元段直流偏置电平的量(如图2)。由于光电成像传感器10及运算放大器11工作电压与图像信号处理芯片12不一致，即模拟图像信号的直流偏置电平与图像信号处理芯片内部工作电压不匹配，为保证系统的安全性，模拟图像信号必须交流连接(即通过电容连接)至图像信号处理芯片，同时，图像信号处理芯片的输入信号钳位电路为模拟图像信号提供一个固定直流偏置电平Vl (如图3) (VI电平值由芯片内部工作电路决定，各种芯片不尽相同)。图像信号处理芯片仅将哑像元段直流偏置电平钳位于VI，当哑像元段的直流偏置与有效像元完全一致时，有效像元直流偏置电平同样被钳位于Vl ;而当哑像元段的直流偏置电平为Vdc+Δ V、有效像元的直流偏置电平为Vdc时,有效像元的直流偏置电平被钳位于￥1-八￥=￥2;钳位后的模拟图像信号经过5/!1处理(基于直流电平Vl提取)以提取有效像元的信号电平(如图4的Vdata N、VdataN+l和VdataN+2)，信号电平经过ADC实现模数转换后即得数字图像信号，显然，电平补偿网络15作用于模拟图像信号的AV被计入了最终输出的数字图像信号，因此，通过调节参考电平补偿网络15的可变电阻即可实现AV的双向变化，进而实现成像系统暗电平指标双向可控(成像系统置于暗电平测试环境16)。当成像系统的暗电平过大(>0)时，对于C⑶成像系统，调节电平补偿网络使AV丨(调节Rl丨或R2丨)，对于CM0S/CIS成像系统，调节电平补偿网络使AV丨(调节Rl丨或R2丨)；当成像系统的暗电平过小(〈O)时(成像系统置于暗电平测试环境，此时采集到的数字图像DN值全为O)，对于C⑶成像系统，调节电平补偿网络使AV丨(调节Rl个或R2丨)，对于CM0S/CIS成像系统，调节电平补偿网络使AV丨(调节Rl丨或R2丨)(如图 1、2、3、4)。成像系统正常工作于暗电平测试环境16，通过实时图像采集与显示系统进行实时观测、统计数字图像，依据观测、统计结果动态双向调节参考电平补偿网络的可变电阻，直至实时数字图像满足(0〈DN值<M，M为暗电平指标，指标设定参照(EMVA(欧洲机器视觉协会)Standard 1228))。本发明可以实现成像系统暗电平指标的完全可控，同时，针对成像系统性能退化导致的暗电平漂移同样具有补偿作用。
本领域技术人员在本发明的基础上进行的通常变化和替换包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种暗电平指标可控的成像系统，其特征在于包括暗电平测试环境、实时图像采集与显示系统以及放置于暗电平测试环境中的光电成像传感器、运算放大器、图像信号处理芯片、开关控制电路、模拟开关和參考电平补偿网络， 所述光电成像传感器的模拟图像信号输出端与运算放大器的输入端+IN连接，所述运算放大器的输出端OUTPUT通过电容与图像信号处理芯片的输入端连接，所述图像信号处理芯片的数字图像信号输出端与实时图像采集与显示系统的输入端连接， 所述參考电平补偿网络通过模拟开关与运算放大器的输入端-IN连接，所述开关控制电路根据光电成像传感器所输出模拟图像信号的哑像元段与有效像元段的时序关系控制模拟开关的闭合与断开。
2.根据权利要求I所述的暗电平指标可控的成像系统，其特征在于所述图像信号处理芯片包括对输入信号进行偏置钳位的偏置钳位电路、采样保持电路以及A/D转换器，所述偏置钳位电路、采样保持电路以及A/D转换器依次连接。
3.根据权利要求I或2所述的暗电平指标可控的成像系统，其特征在于所述光电成像传感器为CXD芯片、CMOS芯片或CIS芯片。
4.根据权利要求3所述的暗电平指标可控的成像系统，其特征在于所述參考电平补偿网络包括能够提供正參考电平的正电源、能够提供负參考电平的负电源、可变电阻R1、可变电阻R2以及电阻R3，所述可变电阻Rl —端与正电源连接，所述可变电阻R2的一端与负电源连接，所述可变电阻Rl和可变电阻R2的另一端均与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端通过模拟开关与运算放大器的输入端-IN连接。
5.一种暗电平指标可控的成像方法，其特征在干包括以下步骤 I光电成像传感器向运算放大器输出模拟图像信号； 2对模拟图像信号的哑像元段的偏置电平进行电平补偿 开关控制电路根据光电成像传感器所输出模拟图像信号的哑像元段与有效像元段的时序关系控制模拟开关的打开与关闭，对哑像元段的偏置电平进行补偿处理，使得哑像元段的偏置电平改变AV，得到补偿后的模拟图像信号，具体补偿方式为 当模拟图像信号为哑像元段吋，开关控制电路控制模拟开关闭合； 当模拟图像信号为有效像元时段时，开关控制电路控制模拟开关打开； 3对补偿后的模拟图像信号的哑像元段的偏置电平进行偏置钳位处理 图像信号处理芯片的偏置钳位电路提供ー个固定直流偏置电平Vl，偏置钳位电路对输入的补偿后的模拟图像信号的哑像元段进行偏置钳位处理，具体步骤如下偏置钳位电路将输入的补偿后的模拟图像信号的哑像元段的偏置电平信号钳位至固定直流偏置电平VI，且输出钳位后的模拟图像信号； 4采样保持 采样保持电路接收偏置钳位电路输出的钳位后的模拟图像信号，并对该钳位后的模拟图像信号利用S/Η方法提取有效像元的电平信号，并输出至A/D转换器； 5A/D转换处理 A/D转换器将有效像元的电平信号转换为有效像元的数字图像信号，传输至实时图像采集与显示系统； 6暗电平调节通过实时图像采集与显示系统进行实时统计数字图像信号，根据统计的結果，动态调节參考电平补偿网络的可变电阻以改变电平补偿量，直至显示的数字图像信号满足暗电平指标。
6.根据权利要求5所述的暗电平指标可控的成像方法，其特征在于所述光电成像传感器为CXD芯片、CMOS芯片或CIS芯片。
7.根据权利要求5或6所述的暗电平指标可控的成像方法，其特征在干所述參考电平补偿网络包括能够提供正參考电平的正电源、能够提供负參考电平的负电源、可变电阻R1、可变电阻R2以及电阻R3，所述可变电阻Rl —端与正电源连接，所述可变电阻R2的一端与负电源连接，所述可变电阻Rl和可变电阻R2的另一端均与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端通过模拟开关与运算放大器的输入端-IN连接。
8.根据权利要求5所述的暗电平指标可控的成像方法，其特征在于所述步骤6暗电平调节的具体步骤如下 通过实时图像采集与显示系统进行实时观测和统计数字图像信号， 当成像系统的暗电平大于零且过大吋， 当光电成像传感器为CCD芯片时，调节可变电阻Rl变小或调节可变电阻R2变大，使得Λ V变小； 当光电成像传感器为CMOS芯片或CIS芯片时，调节可变电阻Rl变大或调节可变电阻R2变小，使得Λ V变大； 当成像系统的暗电平小于零时 当光电成像传感器为CCD芯片时，调节可变电阻Rl变大或调节可变电阻R2变小，使得Λ V变大； 当光电成像传感器为CMOS芯片或CIS芯片时，调节可变电阻Rl变小或调节可变电阻R2变大，使得AV变小。
全文摘要
本发明涉及一种暗电平指标可控的成像系统和方法，包括暗电平测试环境、实时图像采集与显示系统以及光电成像传感器、运算放大器、图像信号处理芯片、开关控制电路、模拟开关和参考电平补偿网络，光电成像传感器的输出端与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端通过电容与图像信号处理芯片的输入端连接，图像信号处理芯片的输出端与实时图像采集与显示系统的输入端连接，参考电平补偿网络通过模拟开关与运算放大器的输入端连接，开关控制电路根据光电成像传感器所输出模拟图像信号的哑像元段与有效像元段的时序关系控制模拟开关的闭合与断开。本发明解决了现有的成像系统中的暗电平调节具有局限性的技术问题，本发明的暗电平指标的双向可控。
文档编号H04N5/232GK102917170SQ201210336248
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者许哲, 张健, 李爱玲, 单金玲 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所