基于矩匹配的TDI‑CMOS图像传感器FPN校正方法与流程

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及对TDI-CMOS图像传感器所拍摄图片中的FPN进行处理。

背景技术：

在基于模拟域累加实现的TDI-CMOS图像传感器中。由于模拟累加器电路中存在寄生电阻和电容，电路失配会导致输出图像在TDI扫描方向(即“沿轨”方向)亮度不均匀，且呈周期性衰减，突出表现为周期性横条纹，该现象称为行固定模式噪声(RFPN)。而传感器列并行读出电路(模拟累加器和ADC等)的系统结构由于工艺偏差很容易出现列与列之间的失配，从而导致输出图像在与TDI扫描方向垂直的方向(即“跨轨”方向)亮度不均匀，表现为明暗变化的竖条纹，该现象称为列固定模式噪声(CFPN)。在TDI-CMOS图像传感器的输出图像中，由RFPN导致的横条纹和由CFPN导致的竖条纹同时存在且交织在一起，如图2，严重影响了图像质量，且增加了固定模式噪声(FPN)校正的难度。

TDI-CMOS图像传感器的RFPN是由其模拟累加器特定的电路结构引起的，是一种特殊的FPN。而且，对于已经制造完成的TDI-CMOS图像传感器芯片，其FPN只能通过图像的后处理来校正。目前，现有的去除图像中条纹噪声的技术有很多，但这些技术都只适用于特定的图像传感器或数据类型，如红外成像、高光谱成像/多光谱成像、中分辨率成像光谱仪等；而且这些技术只能处理水平或竖直单个方向上的条纹，无法有效消除TDI-CMOS图像传感器输出图像中交织在一起的横条纹和竖条纹。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在基于TDI-CMOS图像传感器的工作原理，通过分析FPN来源、噪声特点及其对成像质量的影响，提出TDI-CMOS图像传感器的噪声模型，并根据该模型设计了一种基于改进矩匹配的FPN校正方法。本发明采用的技术方案是，基于矩匹配的TDI-CMOS图像传感器FPN校正方法，首先对原始图像进行空间相关滤波，接着使用改进行矩匹配法进行RFPN校正，然后对RFPN校正后的图像进行双边滤波，接着使用改进列矩匹配法进行CFPN校正；改进列矩匹配法进行CFPN校正具体是，

(1)对RFPN校正后的图像进行双边滤波；

(2)计算并保存滤波后图像每一列的均值μ_j；

(3)设置列矩匹配窗口参数w；

(4)根据式(17)计算μ_τ和σ_τ；

其中，μ_j是第j列像素均值，σ_j是第j列标准差，μ_τ是参考均值，σ_τ是参考标准差，N是图像在跨轨方向上的尺寸，图像校正通过矩匹配算法完成，对标准矩匹配算法进行改进，添加一个移动窗口，k是该窗口中心位置，w是窗口参数；

(5)将参考均值和标准差带入到式(16)，校正相应列的CFPN；

(6)沿着列方向移动一个像素，重复步骤4-5，直到最后一列的CFPN被校正。

RFPN校正步骤具体是：

(1)对原始图像进行空间相关滤波；

(2)计算并保存滤波后图像每一行的μ_i和σ_i；

(3)设置行矩匹配窗口参数w；

(4)根据式(9)计算μ_τ和σ_τ；

其中，μ_i是第i行像素均值，σ_i是第i行标准差，μ_τ是参考均值，σ_τ是参考标准差，L是图像在沿轨方向上的尺寸，图像校正通过矩匹配算法完成，对标准矩匹配算法进行改进，添加一个移动窗口，k是该窗口中心位置，w是窗口参数；

(5)将参考均值和标准差带入到式(8)，校正相应行的RFPN；

其中，Y_ij是校正后像素(i,j)的灰度值，X_ij是双边滤波后像素(i,j)的灰度值，μ_j是第j行像素均值，σ_j是第j行标准差，μ_τ是参考均值，σ_τ是参考标准差；

(6)沿着行方向移动一个像素，重复步骤4-5，直到最后一行的RFPN被校正。

空间相关滤波具体步骤是：

第一步，计算第i和i+1行像素的平均值，并分别把它们定义为U₁和U₂，与此同时，计算(i+T×n)和(i+1+T×n)行像素平均值，并把它们定义为U₁(n+1)和U₂(n+1)，其中，(i+T×n)和(i+1+T×n)不大于图像的行数，n是正整数，如式(4)所示。

U₁(n)＝Ave_im(i+T×(n-1))i+T×(n-1)≤L

U₂(n)＝Ave_im(i+1+T×(n-1))i+1+T×(n-1)≤L (4)

Ave_im是一个自定义函数，用来求取像素的行均值，图像中由同一积分器输出的像素，被存储在同一个向量中。

第二步，对两个均值向量的差求均值，首先得到两个向量中较小的长度，然后再求均值，如式(5)：

l＝min(U₁,U₂)

U＝mean(U₂(j)-U₁(j))1≤j≤l (5)

如果U的值大于阈值U_Th，那么i+T×(n-1)就是图像中条纹的位置，条纹处的a(i)被估计得到，如式(6)所示。

i_jumps＝i+T×(n-1)i+T×(n-1)≤L

a(i_jumps)＝0.5×[Ave_im(i_jumps+1)-Ave_im(i_jumps)]+λ×U (6)

最后，得到的RFPN值会被加到图像相对应的行像素中，经过上述步骤，图片中的水平条纹可以被检测到并且a(i)被估计得到，需要重复上述步骤T次。另外，考虑到8-bit图像的灰度值范围是(0–255)，还需要对校正过程进行约束，如式(9)所示。

其中，y_new_r(i,j)是滤波后像素(i,j)的灰度值。

双边滤波具体步骤是：

(1)计算并保存RFPN校正后图像每一列的均值μ_j；

(2)设置H_j算子窗口参数w_bf；

(3)根据式(13)计算H_j；

(4)将H_j带入到式(12)，得到

其中，是X的估计值。算子的具体形式如下：

其中，w_bf是H_j算子窗口参数，下标bf代表双边滤波，以区别于矩匹配窗口参数，用于控制窗口大小，该算子包含两个子函数α_j和β_j，其中，α_j对那些离窗口中心较近的列分配较高的权重，而对那些较远的列分配较低的权重，遵循了空间相关性，β_j对那些与中心列均值数值相近的列分配较大的权重，而对那些均值相差较大的列分配较小的权重，避免了过渡平滑；

(5)沿着列方向移动一个像素，重复步骤3-4，直到计算出最后一行的

最后，得到b(j)，如式(14)所示：

另外，考虑到8-bit图像的灰度值范围是(0–255)，还需要对校正过程进行一些约束，如式(15)所示。

其中，y_new_c(i,j)是滤波后(i,j)的灰度值。

本发明的特点及有益效果是：

本发明依据TDI-CMOS图像传感器FPN产生原因，采用改进矩匹配方法，有效地消除了TDI-CMOS图像传感器特有的行FPN和列FPN。从人眼直观看，如图4所示，效果比较明显。经算法校正后，行、列均值标准差有了显著的改善。

附图说明：

图1 TDI-CMOS图像传感器结构框图；

图2原始均匀光图像；

图3空间相关滤波矩匹配算法流程图；

图4实测图像FPN校正前后视觉效果对比：(a)校正前、(b)校正后；

图5图4中图像的行均值曲线对比；

图6图4中图像的列均值曲线对比。

具体实施方式

假设FPN和随机噪声都是加性噪声，而且两者不相关。对于给定的已制造完成的TDI-CMOS图像传感器芯片，假设其FPN对应的灰度值在相同工作环境下是相等的。随机噪声服从均值为零的高斯分布。

如图1所示，TDI-CMOS图像传感器的像素阵列大小是M×N，即M行N列。将行序号和列序号分别记为i和j。假设不同像素的光响应是不相关的，则输出图像中像素(i,j)的灰度值y(i,j)可以表示为式(1)。

y(i,j)＝x(i,j)-a(i)-b(j)+r(i,j)1≤i≤L,1≤j≤N (1)

其中，L是图像在沿轨方向上的尺寸，x(i,j)是像素(i,j)的理想灰度值，a(i)是第i行像素对应的RFPN灰度值，b(j)是第j列像素对应CFPN灰度值，而r(i,j)是除FPN外的所有噪声对应的灰度值。根据TDI工作原理，a(i)满足式(2)。

a(i)＝a(i+T) (2)

T＝M+1 (3)

其中，M为TDI累加级数。

本发明提出的一种基于矩匹配的的FPN校正方法，首先对原始图像进行空间相关滤波，接着使用改进行矩匹配法进行RFPN校正，然后对RFPN校正后的图像进行双边滤波，接着使用改进列矩匹配法进行CFPN校正。

(一)RFPN校正

由于RFPN的存在，噪声图像的行均值曲线在边界处产生跳边。然而，理想图像的行均值曲线是空间相关的、连续的。根据这个特征，水平条纹的位置可以通过统计的方式得到。

第一步，计算第i和i+1行像素的平均值，并分别把它们定义为U₁和U₂。与此同时，计算(i+T×n)和(i+1+T×n)行像素平均值，并把它们定义为U₁(n+1)和U₂(n+1)。其中，(i+T×n)和(i+1+T×n)不大于图像的行数，n是正整数，如式(4)所示。

U₁(n)＝Ave_im(i+T×(n-1))i+T×(n-1)≤L

U₂(n)＝Ave_im(i+1+T×(n-1))i+1+T×(n-1)≤L (4)

Ave_im是一个自定义函数，用来求取像素的行均值。由于图像行数与积分器之间的一一对应关系具有周期性，因此，图像中由同一积分器输出的像素，被存储在同一个向量中。

第二步，对两个均值向量的差求均值。在某些情况下，两个向量的长度不相等。因此需要首先得到两个向量中较小的长度，然后再求均值，如式(5)。

l＝min(U₁,U₂)

U＝mean(U₂(j)-U₁(j))1≤j≤l (5)

如果U的值大于阈值U_Th，那么i+T×(n-1)就是图像中条纹的位置。条纹处的a(i)可以被估计得到，如式(6)所示。

i_jumps＝i+T×(n-1)i+T×(n-1)≤L

a(i_jumps)＝0.5×[Ave_im(i_jumps+1)-Ave_im(i_jumps)]+λ×U (6)

最后，得到的RFPN值会被加到图像相对应的行像素中。经过上述步骤，图片中的水平条纹可以被检测到并且a(i)可以被估计得到。但是新的条纹会出现在i-1+T×(n-1)位置。因此，需要重复上述步骤T次。另外，考虑到8-bit图像的灰度值范围是(0–255)，还需要对校正过程进行一些约束，如式(9)所示。

其中，y_new_r(i,j)是滤波后像素(i,j)的灰度值。以上过程叫做空间相关滤波。整个算法流程图如图3所示。

图像校正可以通过行矩匹配算法完成，如式(8)所示。

其中，Y_ij是校正后像素(i,j)的灰度值，X_ij是空间相关滤波后像素(i,j)的灰度值，μ_i是第i行像素均值，σ_i是第i行标准差，μ_τ是参考均值，σ_τ是参考标准差。

对标准矩匹配算法进行改进，添加一个移动窗口，μ_τ和σ_τ如式(9)所示。其中，k是窗口中心位置，w是窗口参数。

具体实现步骤如下：

(1)计算并保存图像y_new_r每一行的μ_i和σ_i；

(2)设置行矩匹配窗口参数w；

(3)根据式(9)计算μ_τ和σ_τ；

(4)将参考均值和标准差带入到式(8)，校正相应行的RFPN；

(5)沿着行方向移动一个像素，重复步骤3-4，直到最后一行的RFPN被校正。

(二)CFPN校正

由于CFPN的存在，噪声图像的列均值曲线呈现无规则的波动，并且CFPN服从均值为零的高斯分布。因此，b(j)可以通过合适的滤波方法得到。

不考虑随机噪声，由式(1)可得，RFPN校正后的图像灰度表示如下：

z(i,j)＝x(i,j)-b(j)1≤i≤L,1≤j≤N (10)

其中，z(i,j)是校正RFPN后像素(i,j)的灰度值。然后，图像列均值可以表示为：

Z(j)＝X(j)-b(j) (11)

通过使用一个基于双边滤波结构的算子来估计理想图像的列均值X(j)，其中，滤波使用移动窗口模式，start是窗口的起点列数，end是窗口终点列数。如式(12)所示。

其中，是X的估计值。算子的具体形式如下：

其中，w_bf是H_j算子窗口参数，下标bf代表双边滤波，以区别于矩匹配窗口参数，用于控制窗口大小。该算子包含两个子函数α_j和β_j。其中，α_j对那些离窗口中心较近的列分配较高的权重，而对那些较远的列分配较低的权重，遵循了空间相关性。β_j对那些与中心列均值数值相近的列分配较大的权重，而对那些均值相差较大的列分配较小的权重，避免了过渡平滑。

具体实现步骤如下：

(1)计算并保存RFPN校正后图像每一列的均值μ_j；

(2)设置H_j算子窗口参数w_bf；

(3)根据式(13)计算H_j；

(4)将H_j带入到式(12)，可以得到

(5)沿着列方向移动一个像素，重复步骤3-4，直到计算出最后一行的

最后，可以得到b(j)，如式(14)所示。

另外，考虑到8-bit图像的灰度值范围是(0–255)，还需要对校正过程进行一些约束，如式(15)所示。

其中，y_new_c(i,j)是滤波后(i,j)的灰度值。

以上过程称为双边滤波。CFPN校正可以通过列矩匹配算法完成，如式(16)所示。

其中，Y_ij是校正后像素(i,j)的灰度值，X_ij是双边滤波后像素(i,j)的灰度值，μ_j是第j行像素均值，σ_j是第j行标准差，μ_τ是参考均值，σ_τ是参考标准差。

对标准矩匹配算法进行改进，添加一个移动窗口，μ_τ和σ_τ如式(17)所示。其中，k是窗口中心位置，w是窗口参数。

具体实现步骤如下：

(1)计算并保存图像y_new_c每一列的μ_j和σ_j；

(2)设置窗口参数w；

(3)根据式(17)计算μ_τ和σ_τ；

(4)将参考均值和标准差带入到式(16)，校正相应列的CFPN；

(5)沿着列方向移动一个像素，重复步骤3-4，直到最后一列的CFPN被校正。

首先基于128级模拟域累加TDI-CMOS图像传感器设计了一套成像系统，使用设计的成像系统采集图像。然后设置参数，阈值U_th＝1，行矩匹配窗口参数w＝13，双边滤波窗口w_bf＝10,；列矩匹配行矩匹配窗口参数w＝3。

实验结果表明，均匀光照下拍摄的图像的行均值标准差从校正前的5.6761LSB减小到了校正后的0.1948LSB，其列均值标准差从校正前的15.2005LSB减小到了校正后的13.1949LSB。

从图5也可以看出，原始行均值曲线波动很大，且存在周期性跳变(椭圆标记处)。使用提出的方法校正RFPN后，所有跳变完全消失，因此校正曲线比原始曲线光滑了许多。另外，从图6可以看出，原始列均值曲线波动较大，使用提出方法校正CFPN后，曲线更加平滑。另外，校正曲线的形状和走势都与原始曲线一致，表明提出的方法在校正FPN的同时可以很好地保留原始图像的细节信息。