龔 恒

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

CCD和CMOS圖像傳感器都采用了硅的光電效應(yīng)原理，區(qū)別在于光生電荷的讀出方式。早年CMOS傳感器受到分辨率及成像質(zhì)量等條件制約，成像效果遠(yuǎn)不及CCD器件，發(fā)展較慢。近年來，CMOS工藝飛速發(fā)展，CMOS圖像傳感器技術(shù)日益成熟，配合圖像處理技術(shù)，其圖像采集效果已可與CCD傳感器采集效果媲美；同時(shí)CMOS器件體積小，便于集成，程序簡單，其應(yīng)用日趨廣泛。本文通過搭建一個(gè)小型圖像采集系統(tǒng)，研究基于白色LED的CMOS圖像采集系統(tǒng)，并利用MATLAB對圖像采集結(jié)果進(jìn)行處理。

1 CMOS圖像采集系統(tǒng)

1.1 LED光源系統(tǒng)

伴隨LED工藝的發(fā)展，LED發(fā)光效率大大提高，色度也已實(shí)現(xiàn)全部可見光波段。用白色LED設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)，成本低，體積小，亮度高，使用壽命長且使用穩(wěn)定；LED為冷光源，發(fā)熱量低，非常適合對溫度敏感的化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮LED型號，驅(qū)動(dòng)芯片等因素，光照要求穩(wěn)定，均勻，亮度高。我們采用表貼高亮度LED及四通道并聯(lián)恒流驅(qū)動(dòng)芯片CDT—2504，每四個(gè)LED為一組，由一個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)。用SET電阻值調(diào)節(jié)LED電流即亮度，計(jì)算得:Iled＝230×Iset，；Iled＝20 mA；Rset＝14.3 kΩ。

光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下:表貼型高亮LED按等歐式間距焊接在基板上并配以擴(kuò)散膜，基板為圓環(huán)狀，中心留孔放置CMOS傳感器，另在圖像采集模組外加微距鏡頭，可使物距縮短2cm～5cm結(jié)構(gòu)如下:

圖1 光源系統(tǒng)

1.2 光源測試

（1）以點(diǎn)樣紙為參考，測量電壓—亮度的關(guān)系。

表1 電壓-亮度關(guān)系

（2）距離—亮度關(guān)系，電壓為5V。分別取中心、歐式四領(lǐng)域基板50%半徑、邊緣等處。

表2 光源亮度均勻性

由此可知電壓在4.3-5V之間亮度高且穩(wěn)定，中心最亮，隨半徑增加亮度輕微衰減，衰減值可忽略。據(jù)檢測，白色LED光源吸收波峰在460nm及570nm處。本圖像采集系統(tǒng)主要檢測對象的顏色變化，故圖像采集系統(tǒng)重現(xiàn)真實(shí)顏色至關(guān)重要，這就需要全光譜光源，而實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，因此就有必要對圖像采集結(jié)果進(jìn)行矯正和補(bǔ)償處理。

2 圖像采集結(jié)果

圖像采集質(zhì)量主要取決于光源系統(tǒng)及圖像傳感器,我們以5×5化學(xué)試劑點(diǎn)狀陣列為對象，a圖為高分辨率掃描儀得到的圖像；b圖為CMOS傳感器系統(tǒng)所得圖像；c圖和d圖分別是以日光燈和LED為光源，由CMOS傳感器采集所得圖像:

圖2 圖像采集結(jié)果對比

由以上對比可知，CMOS傳感器色彩還原性好，但亮度損失較大；而LED亮度及色彩還原性都可與日光燈媲美，由此可知，以高亮LED為光源,CMOS圖像傳感器采集圖像，其主要不足體現(xiàn)在亮度及色彩的丟失上，這就需要進(jìn)行后期圖像處理。

3 MATLAB圖像處理

3.1 算法及流程設(shè)計(jì)

針對以上采集結(jié)果，后期處理包括兩個(gè)主要方面:一是消除背景噪聲及亮度補(bǔ)償；二是顏色校正。首先提取圖像采集標(biāo)準(zhǔn)背景作為基準(zhǔn)，所有圖像的校正都以同等條件下拍攝的白紙圖像為基準(zhǔn)，故這種方式不會(huì)影響特征差值信息的提取。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)背景進(jìn)行白平衡處理，色彩明顯改善，但背景亮度均勻度不夠，需再次對背景校正，因此MATLAB處理流程如下:

圖3 MATLAB圖像處理流程

3.2 圖像處理結(jié)果分析

在對圖像進(jìn)行處理的過程中，首先對圖像進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的大小對圖像校正結(jié)果有較大影響，分區(qū)過大會(huì)導(dǎo)致圖像信息塊狀丟失，而分區(qū)過小會(huì)造成圖像模糊。為了準(zhǔn)確選擇這一分區(qū)參數(shù)，我們進(jìn)行了以下過程分析，下圖中共四組圖像，每組中三幅圖像分別為校正中間過程、校正結(jié)果、校正前后差值。

圖4 校正結(jié)果分析圖

根據(jù)圖像信息得知，不同參數(shù)，會(huì)造成圖像不同位置的顏色丟失和模糊效應(yīng)，數(shù)字圖像的細(xì)微變化無法通過肉眼分辨，我們利用統(tǒng)計(jì)方法對以上各參數(shù)下圖像信息進(jìn)行分析。

3.3 圖像差值分析

下表為各個(gè)參數(shù)下圖像校正數(shù)據(jù)對比:

表3 各參數(shù)下圖像差值比較

圖5 各參數(shù)校正結(jié)果比較

3.4 圖像反應(yīng)前后，灰度直方圖、灰度頻率統(tǒng)計(jì)直方圖不同參數(shù)分析

在直方圖分析中，橫軸為像素值，白色像素值為255，黑色為0，其他顏色灰度值介于0-255之間?？v軸代表各像素值的幅值，表征該像素的強(qiáng)度信息。根據(jù)直方圖可以看出，由于圖像反應(yīng)前后差值主要體現(xiàn)在化學(xué)試劑點(diǎn)上，大部分背景相減后像素趨近于0，即圖像以黑色為主，占整個(gè)圖像的四分之三左右，同時(shí)各敏感物質(zhì)顏色差值也很低，大部分介于10-20之間，直方圖幅值集中在零點(diǎn)以及低像素值部分。即便如此，根據(jù)直方圖的分布情況，還是可以看出不同校正系數(shù)下差值圖像的區(qū)別。以下是各參數(shù)下差值圖像灰度直方圖:

圖6 各參數(shù)下校正圖灰度直方圖

由圖可以清楚看出，其有效像素主要集中在低像素值部分，但僅用直方圖還未能很好地說明數(shù)據(jù)的分布形式。此外，除了像素值總和，全圖的標(biāo)準(zhǔn)差也是一個(gè)重要參數(shù)，它反映了圖像的校正效果，我們不僅要獲得單個(gè)敏感點(diǎn)最好的校正效果，同時(shí)還要獲得對整幅圖像的校正效果，因此，用灰度頻率統(tǒng)計(jì)直方圖分析各像素值的分布如下:

圖7 各參數(shù)下灰度頻率統(tǒng)計(jì)直方圖

下表為各參數(shù)下差值圖像灰度頻率統(tǒng)計(jì)直方圖分析結(jié)果:

表4 灰度頻率統(tǒng)計(jì)直方圖各參數(shù)分析

圖8 灰度頻率統(tǒng)計(jì)直方圖分析圖

針對不同的圖像采集對象，系統(tǒng)關(guān)注的顏色對象及圖像的特征都有所不同，對圖像進(jìn)行校正和補(bǔ)償?shù)膫?cè)重點(diǎn)也有所不同，此處著重分析的是以點(diǎn)狀化學(xué)敏感物為對象的圖像采集系統(tǒng)，該類系統(tǒng)著重分析的是化學(xué)敏感物與目標(biāo)物質(zhì)反映前后的顏色差別，根據(jù)顏色差值的特征信息表征與該化學(xué)敏感物反映的目標(biāo)物質(zhì)的特征信息。就該系統(tǒng)而言，根據(jù)以上分析可知，無論是圖像RGB分量差值以及圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差分析，結(jié)論都顯示，圖像顏色最低丟失位置為M=55處。根據(jù)不同的圖像采集和分析需要，應(yīng)當(dāng)會(huì)有不同的圖像特征提取方式及圖像校正方法。

5 結(jié)論

可以應(yīng)用采集化學(xué)敏感物質(zhì)反應(yīng)前后顏色差值，基于白色高亮LED及CMOS圖像傳感器的圖像采集系統(tǒng)，具有體積小，集成度高，發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對溫度較為敏感的圖像采集環(huán)境。通過MATLAB圖像處理彌補(bǔ)了白色LED光譜特性不全的缺點(diǎn)，較好地解決了圖像采集中的顏色丟失、背景噪聲等問題，CMOS圖像傳感器的圖像采集質(zhì)量得到了極大提高。

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