嚴(yán)維鵬，宋 巖，姚志明，宋顧周，段寶軍

(強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

ICMOS相機(jī)是由像增強(qiáng)器(image intensifier)與CMOS相機(jī)耦合而成[1-2]，基于像增強(qiáng)器對(duì)光強(qiáng)的增強(qiáng)效果，ICMOS相機(jī)可拍攝光強(qiáng)較弱時(shí)的2維光學(xué)圖像，且與傳統(tǒng)CMOS相機(jī)相比，具有更快的讀出速度[3-4]。因此，在需要實(shí)時(shí)獲取高速圖像時(shí)，ICMOS相機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。但I(xiàn)CMOS相機(jī)也存在固有的缺點(diǎn)，它的圖像傳感器一般采用列放大器和列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)，每列各自進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換，造成多路并行信號(hào)之間存在不一致性，使拍攝圖像的質(zhì)量受到固定模式噪聲的影響[5-7]，如圖像灰度值的均勻性分布等?，F(xiàn)階段消除ICMOS相機(jī)固定模式噪聲主要采用理論建模的方法[8-11]，雖在很大程度上抑制了模式噪聲，但運(yùn)算較為復(fù)雜，且要求模式噪聲服從某種正態(tài)分布。本文提出了一種“逐點(diǎn)校正”的方法來消除ICMOS相機(jī)的固定模式噪聲，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了結(jié)果驗(yàn)證。

1 校正方法

本文校正方法的思路是將ICMOS相機(jī)傳感器的每個(gè)像素看作獨(dú)立的探測(cè)器，經(jīng)過運(yùn)算消除每個(gè)像素點(diǎn)之間的差異性，達(dá)到消除固定模式噪聲的目的。ICMOS相機(jī)工作時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)接受的入射光強(qiáng)I與輸出的灰度值G呈線性關(guān)系。根據(jù)這一特點(diǎn)，在均勻光源下拍攝圖像，調(diào)節(jié)ICMOS相機(jī)像增強(qiáng)器增益及光源與相機(jī)之間的距離使圖像接近飽和，隨后逐漸減弱光源光強(qiáng)并繼續(xù)拍攝圖像，對(duì)拍攝的所有圖像進(jìn)行處理后就可得到每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的I-G曲線。圖1為ICMOS相機(jī)模式噪聲校正原理示意圖。

由圖1可見，當(dāng)I=x時(shí)，a、b對(duì)應(yīng)的灰度值G為y1和y2，2者之間存在差異性；而當(dāng)G為y1和y2時(shí)，a、b對(duì)應(yīng)同一個(gè)x值，消除了a、b之間的差異性。以此類推，對(duì)相機(jī)的每一個(gè)像素點(diǎn)都做這樣的處理，即可消除所有像素點(diǎn)之間的差異性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將圖像每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值與對(duì)應(yīng)的I-G曲線做插值運(yùn)算，使圖像每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值轉(zhuǎn)換為入射光強(qiáng)度，這樣就可去除像素點(diǎn)相互之間信號(hào)不一致的影響，達(dá)到消除固定模式噪聲的效果。

2 實(shí)驗(yàn)布局

實(shí)驗(yàn)采用西北核技術(shù)研究所研制的CMOS相機(jī)，像元大小為13.2 μm×13.2 μm，像素為1 280×1 024，曝光時(shí)間3 ms；微通道板(micro channel plate，MCP)像增強(qiáng)器與CMOS相機(jī)之間通過光錐耦合的方式組合。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局示意圖如圖2所示。將脈沖氙燈產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)分為2路，一路用于觸發(fā)信號(hào)源；另一路輸入示波器。當(dāng)信號(hào)源被觸發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生2個(gè)輸出信號(hào)通道，通道1用于觸發(fā)CMOS相機(jī)，通道2用于觸發(fā)快門，快門時(shí)間為500 ns，快門的檢測(cè)信號(hào)由示波器接收。調(diào)整通道2的延時(shí)時(shí)間，使快門信號(hào)處于氙燈信號(hào)峰值位置，氙燈和快門輸出信號(hào)如圖3所示。其中：1為氙燈輸出信號(hào)；2為快門輸出信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開始前，面對(duì)ICMOS相機(jī)，將脈沖氙燈放在在一定距離處，使氙燈發(fā)出的光覆蓋整個(gè)像增強(qiáng)器光陰極。將ICMOS相機(jī)加電15 min至相機(jī)背景噪聲達(dá)到平衡。首先，在氙燈上放置45A的衰減片，逐步提升像增強(qiáng)器增益，直到圖像飽和，固定像增強(qiáng)器增益；然后放置一系列衰減系數(shù)逐漸減小的衰減片，直到ICMOS相機(jī)拍攝的圖像為本底，在同一衰減片下，拍攝10幅圖像，每2幅圖像時(shí)間間隔為5 s，對(duì)所得圖像求和取平均值以減小隨機(jī)偏差。不同型號(hào)的衰減片對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)，如表1所列。不同型號(hào)衰減片下ICMOS相機(jī)獲得的圖像如圖4所示。

表1 不同衰減片型號(hào)對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)Tab.1 Attenuation coefficient corresponding to different types of attenuation slice

(a) 45A

由圖4可見，中心區(qū)域偏亮，周圍區(qū)域偏暗，且圖像中出現(xiàn)條紋，說明相機(jī)固有模式噪聲對(duì)拍攝圖像質(zhì)量有較大的影響。選取圖4中較亮區(qū)域和較暗區(qū)域內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)，其I-G變化曲線如圖5所示。由圖5可見，每個(gè)像素點(diǎn)I-G曲線都是線性變化的，但斜率之間有差別。

4 算法應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

均勻光源下拍攝的圖像校正前后的對(duì)比，如圖6所示。圖6(a)為在氙燈前放置衰減系數(shù)為17%的衰減片，拍攝得到的圖像。由圖6(a)可見，圖像各處灰度值存在較大差異，且有固定模式噪聲干擾，中心區(qū)域灰度明顯高于周圍區(qū)域。采用1節(jié)所述方法對(duì)圖6(a)做校正處理，結(jié)果如圖6(b)所示。由圖6(b)可見，校正后圖像各處灰度值差異較小，固定模式噪聲被去除。固定校正前后圖像的某一行并計(jì)算灰度值的變化情況，如圖6(c)所示。由圖6(c)可見，校正后圖像的灰度值起伏明顯減小，約為4%，表明圖像各處基本均勻，校正達(dá)到了效果。

圖6(a)中所示5個(gè)區(qū)域校正前后灰度值的相對(duì)偏差計(jì)算結(jié)果如表2所列。由表2可知，校正后圖像灰度值的相對(duì)偏差均為10-3量級(jí)，與校正前相比，至少小了一個(gè)量級(jí)，表明校正后圖像各處基本達(dá)到了均勻，驗(yàn)證了本文校正方法的可行性。

表2 圖6(a)中5個(gè)區(qū)域校正前后灰度值的相對(duì)偏差計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of relative gray level deviation of 5 areas before and after correction in Fig.6(a)

此外還研究了相機(jī)固定模式噪聲對(duì)圖像分辨率的影響。固定模式噪聲校正前后圖像的分辨率對(duì)比結(jié)果，如圖7所示。由圖7可見，校正前后雖分辨率均為2 lp·mm-1，但與校正前相比，校正后的圖像清晰可見。計(jì)算得到校正前后的對(duì)比度分別為0.3和0.5，表明本文的校正方法可使圖像質(zhì)量得到明顯改善。

5 結(jié)論

本文提出了一種校正ICMOS相機(jī)固定模式噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響的方法。在氙燈光源前放置不同衰減系數(shù)的衰減片，使用ICMOS相機(jī)獲得一系列圖像。將拍攝圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值與對(duì)應(yīng)的I-G曲線做插值運(yùn)算，將灰度值轉(zhuǎn)換為入射光強(qiáng)度，去除像素點(diǎn)之間的差異，從而校正ICMOS相機(jī)固定模式噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，校正后圖像質(zhì)量得到明顯改善，固定模式噪聲影響顯著下降。與校正前相比，校正后圖像灰度值的相對(duì)偏差至少小了一個(gè)量級(jí)，驗(yàn)證了本文提出的校正方法的可行性。本文為ICMOS相機(jī)拍攝圖像的固定模式噪聲處理提供了一種解決方案。