胡 麗，宋文愛(ài)

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

CCD器件按其感光單元的排列方式分為線性CCD和面陣CCD兩類，但無(wú)論是線性CCD還是面陣CCD，由于其固有的物理特性、工作機(jī)理等原因以及芯片結(jié)構(gòu)、制作工藝等的限制，CCD像素精度不能做得很高。影響CCD測(cè)量精度的因素主要有:CCD像元的制造誤差，CCD對(duì)光照度的分辨率，A/D轉(zhuǎn)換的精度，照明系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，CCD驅(qū)動(dòng)電路的附加噪聲，成像系統(tǒng)調(diào)焦誤差，成像系統(tǒng)的誤差，外界環(huán)境的影響以及圖像處理水平和軟件算法優(yōu)劣等。

本文以TCD132D為例，根據(jù)線性CCD的基本工作原理及測(cè)量系統(tǒng)工作原理，從分析CCD輸出信號(hào)特征出發(fā)，從硬件及軟件兩方面介紹了提高線性CCD測(cè)量精度的方法。

1 線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)介紹

測(cè)量裝置主要由照明系統(tǒng)、CCD傳感器、視頻信號(hào)初級(jí)處理、信號(hào)采集、微處理器、顯示系統(tǒng)以及電源和外圍電路組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

照明系統(tǒng)產(chǎn)生均勻的平行光，將被測(cè)件被照明后成像在CCD光敏面上，由CCD傳感器輸出的原始視頻信號(hào)通過(guò)濾波、放大等初級(jí)處理送入視頻信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)采集后的信號(hào)再送入微處理器進(jìn)行計(jì)算處理。

在實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)確定CCD的型號(hào)后，影響測(cè)量精度的主要因素包括:(1)光源的選擇;(2)測(cè)試過(guò)程中外界環(huán)境的影響;(3)后期的數(shù)據(jù)處理。前兩個(gè)因素是決定CCD能否實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的前提，而后期的數(shù)據(jù)處理是得到精確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵之一。

2 硬件因素

在硬件方面，影響系統(tǒng)測(cè)量精度的主要是光源成像系統(tǒng)，線性CCD傳感器件和AD轉(zhuǎn)換器。

2.1 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一個(gè)比較理想的照明系統(tǒng)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，簡(jiǎn)化軟硬件設(shè)計(jì)方案，提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。但是，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，要考慮的因素比較多，比如光強(qiáng)，光的均勻度、偏振方向和入射方向;光源的大小和形狀、入射方式和背景;另外還有考慮被測(cè)物體的光學(xué)特性、工作距離、物體大小、發(fā)光器件特性、速度匹配和信息載入的方式等。在具體應(yīng)用中還要考慮光源的波長(zhǎng)，比如對(duì)感光材料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了不傷害被測(cè)物的表面功能，光源的波長(zhǎng)要大于940 nm［1-2］。所以在具體應(yīng)用中要分析具體情況選擇設(shè)計(jì)較為理想的光源。

2.2 CCD器件噪聲分析及解決方法

CCD器件的噪聲主要有散粒噪聲、暗電流噪聲和KTC噪聲，另外還存在低頻噪聲和寬帶白噪聲［3］。抑制CCD噪聲的一般方法:

(1)對(duì)于散粒噪聲，應(yīng)用傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的信號(hào)去噪聲方法，在處理信號(hào)和噪聲的頻帶重疊部分盡可能小時(shí)，起到濾除噪聲的作用。但當(dāng)信號(hào)與噪聲頻帶重疊部分很大時(shí)，這種方法就無(wú)能為力了。一種更好的方法是利用小波理論構(gòu)造一種既能降低圖像噪聲又能保持圖像細(xì)節(jié)信息的算法。

(2)對(duì)于暗電流噪聲，對(duì)于各像元暗電流平均的CCD來(lái)說(shuō)，如果在像元陣列的起始處有少量啞元，則對(duì)其輸出信號(hào)采樣存儲(chǔ)，并與后續(xù)有效像元號(hào)的輸出信號(hào)的相減以去除暗電流噪聲。必須保證兩次采樣的積分時(shí)間和溫度相同。對(duì)于含有暗電流尖峰的CCD，由于尖峰總出現(xiàn)在固定像元位置，因此可以預(yù)先記錄其位置及大小，每次采樣到這個(gè)像元時(shí)，與其相減即可去除暗電流尖峰。而且暗電流與電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間成正比，故需要盡量減小CCD的電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間。

(3)對(duì)于KTC噪聲，采用相關(guān)雙采樣CDS技術(shù)，不僅可以較好地濾除KTC噪聲，而且對(duì)低頻噪聲(1/f噪聲)也有一定的濾除作用，此外在CDS理論基礎(chǔ)上還發(fā)展了微分采樣法、反射延遲法和相關(guān)四采樣法等。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分之一，它決定采樣的精度和速度。AD轉(zhuǎn)換器是測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)重要器件。為了識(shí)別AD轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)和CCD像元的數(shù)據(jù)，AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘必需與線性CCD掃描結(jié)束時(shí)的時(shí)鐘同步，因此在選擇AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)候必須以線性CCD的參數(shù)為參考。AD轉(zhuǎn)換器的性能是決定采樣的速度和精度的關(guān)鍵，位數(shù)越高，采樣頻率越高，得到的數(shù)據(jù)精度越大，數(shù)據(jù)量也越大。

3 軟件因素

線性CCD的驅(qū)動(dòng)電路與線性CCD工作的穩(wěn)定性直接相關(guān)，也與采集信息的信號(hào)直接相關(guān)，所以必需要設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路以保證線性CCD的光電轉(zhuǎn)換達(dá)到最佳效果。目前來(lái)說(shuō)，CPLD驅(qū)動(dòng)方法是比較好且發(fā)展前景比較廣的驅(qū)動(dòng)方法。

圖2 軟件處理流程圖

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)使線性CCD產(chǎn)生圖像信號(hào)。信息采集的準(zhǔn)確度直接影響著系統(tǒng)的測(cè)量精度。目前采用較多的是相關(guān)雙采樣法［4-6］。下面給出三種典型的相關(guān)雙采樣電路。

(1)雙相關(guān)采樣法:原理如圖3，在復(fù)位期間，對(duì)復(fù)位電平進(jìn)行第一次采樣，使S2短時(shí)間閉合，C2電容保持的電壓為復(fù)位電平(KTC噪聲、復(fù)位噪聲)。在信號(hào)輸出期間，進(jìn)行第二次采樣，使S1短時(shí)間閉合，C1電容上的電壓為KTC噪聲、復(fù)位噪聲和有用視頻信號(hào)的疊加。兩次采樣間隔為Tg。兩次采樣值相減后得到的信號(hào)電平為輸出信號(hào)。在本信號(hào)輸出周期結(jié)束前，輸出有效信號(hào)。雙相關(guān)采樣電路的RC常數(shù)較小，采樣點(diǎn)應(yīng)盡可能選取復(fù)位電平或信號(hào)電平的穩(wěn)定點(diǎn)。其本身不具有低通濾波特性，應(yīng)在它之前加低通濾波器限制帶寬。

圖3 雙相關(guān)采樣電路原理

(2)雙斜積分法:雙斜積分法的電路原理如圖4所示，在輸出信號(hào)周期的開(kāi)始S3關(guān)閉，積分電容C放電清零;在復(fù)位期間S1閉合，S2斷開(kāi)，復(fù)位電平(KTC噪聲、復(fù)位噪聲)經(jīng)過(guò)一反向器后對(duì)其進(jìn)行積分;在信號(hào)輸出期間，S2閉合，對(duì)疊加有KTC噪聲、復(fù)位噪聲的有用信號(hào)電平進(jìn)行正向積分。在輸出周期結(jié)束前積分結(jié)束，系統(tǒng)輸出電壓為有用視頻信號(hào)。

圖4 雙斜積分法電路原理

(3)鉗位采樣法:鉗位采樣法原理如圖5所示。當(dāng)CCD器件處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，鉗位電平Clamp為高電平，將T2柵極鉗位到高電平Vr。當(dāng)CCD器件進(jìn)入信號(hào)采樣狀態(tài)后，延遲一段時(shí)間，使CCD輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)將鉗位信號(hào)Clamp置為低電平。CCD輸出信號(hào)通過(guò)電容C1、Cs耦合到輸入端。將采樣電平Sample置為高電平T3導(dǎo)通，并保持足夠長(zhǎng)時(shí)間，CCD信號(hào)到達(dá)CH，并對(duì)CH進(jìn)行充電至CCD信號(hào)電平。此時(shí)通過(guò)T4，CCD輸出信號(hào)變?yōu)榭捎?，從Out端輸出。當(dāng)CCD器件復(fù)位信號(hào)跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，采樣電平Sample置為低電平，鉗位電平Clamp置為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。其中，電容網(wǎng)C1、Cs將CCD輸出信號(hào)中的直流噪聲及高頻干擾都濾除了，Out端得到的為信號(hào)電平。由于該采樣電路的鉗位電平、采樣電平都與CCD器件的時(shí)鐘周期及復(fù)位信號(hào)有緊密的相關(guān)性，其更適合于作CCD芯片內(nèi)集成的信號(hào)輸出處理電路。

圖5 鉗位采樣法電路原理

3.1 軟件算法

邊緣是圖像的基本特征，圖像邊緣的提取一直是CCD圖像處理的一個(gè)經(jīng)典難題，也是CCD細(xì)分研究的重要方向。圖像邊緣的細(xì)分一般是先考察CCD圖像的某個(gè)像元的灰度值，再以鄰近的灰度值函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行細(xì)分，確定邊緣的準(zhǔn)確位置。在CCD邊緣檢測(cè)細(xì)分研究中，對(duì)動(dòng)態(tài)概率法、調(diào)制解調(diào)法、空間擬合函數(shù)法、多項(xiàng)式插值法等方法進(jìn)行了理論上的分析，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了這些方法的機(jī)理對(duì)新近發(fā)展的模糊成像法等方法也進(jìn)行了原理介紹和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

目前使用的像點(diǎn)定位細(xì)分方法大多能使測(cè)量精度達(dá)到亞像元級(jí)精度甚至超像元精度，應(yīng)用比較多的有二值化電平切割法、內(nèi)插法、截至電壓法、按比例求中心法、重心法和階梯法。這些方法是利用目標(biāo)像點(diǎn)的灰度分布特性，內(nèi)插細(xì)分確定目標(biāo)像點(diǎn)的準(zhǔn)確位置來(lái)達(dá)到提高系統(tǒng)的測(cè)量精度的。階梯法是最新的細(xì)分方法，結(jié)合了重心法和二值化法的優(yōu)點(diǎn)，并克服其缺點(diǎn)，在理論上可以進(jìn)行無(wú)限制的細(xì)分。

4 結(jié)論

對(duì)CCD視頻信號(hào)的處理有兩種方法，歸納起來(lái)就是硬件測(cè)量方法和軟件測(cè)量方法。硬件測(cè)量方法在對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行二值化時(shí)應(yīng)用電壓比較器以閾值電平為基準(zhǔn)截取高低電平，信號(hào)邊緣的確定與閾值電平息息相關(guān)。當(dāng)閾值電平不能很好地反映真實(shí)測(cè)量狀態(tài)時(shí)，測(cè)量的精度就得不到保證。如果對(duì)測(cè)量精度有更高的要求時(shí)，硬件方法就不能滿足測(cè)量的需要了。而對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，在計(jì)算機(jī)終端應(yīng)用軟件方法處理就可以最大程度地提高測(cè)量精度。這兩種方法在對(duì)信號(hào)處理上存在著根本的不同，硬件方法是通過(guò)由硬件組成模擬和數(shù)字電路對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行濾波放大、電平比較從而得到標(biāo)準(zhǔn)二值化信號(hào);軟件方法是通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)濾波放大的CCD視頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集，再把數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，然后運(yùn)用軟件處理算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在處理過(guò)程中，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，尋找函數(shù)曲線變化率最大值的辦法來(lái)確定CCD視頻信號(hào)的變化邊界。

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