[發(fā)明專(zhuān)利]快速高精度電子倍增CCD自動(dòng)增益系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210107482.1
• 申請(qǐng)日: 2012-04-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102769723A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何偉基;陸震熙;陳錢(qián);顧國(guó)華;張聞文;錢(qián)惟賢;隋修寶;屈惠明;柏連發(fā);張毅;路東明;于雪蓮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04N5/372
• 分類(lèi)號(hào): H04N5/372
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

1.一種快速高精度電子倍增CCD自動(dòng)增益系統(tǒng)，其特征在于由EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路、增益電阻查找表以及時(shí)序電平轉(zhuǎn)化電路組成，其中所述的EMCCD芯片、AD數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA芯片、圖像輸出電路依次相連，該FPGA芯片與時(shí)序電平轉(zhuǎn)化電路相連，該時(shí)序電平轉(zhuǎn)化電路與EMCCD芯片相連；EMCCD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號(hào)形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號(hào)傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號(hào)后進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得出下一步調(diào)整所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號(hào)以及配置信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號(hào)，以及驅(qū)動(dòng)EMCCD芯片的時(shí)序信號(hào)；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號(hào)；增益對(duì)照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉(zhuǎn)化為倍增電路中的電阻值，調(diào)整系統(tǒng)的倍增值；時(shí)序電平轉(zhuǎn)化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)以及增益對(duì)照表傳輸?shù)脑霰峨娐冯娮柚担{(diào)整加載到EMCCD芯片端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序與信號(hào)電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.一種快速高精度電子倍增CCD自動(dòng)增益方法，其特征在于EMCCD芯片將采集到的圖像信息以模擬信號(hào)形式傳輸給AD采集芯片，該AD采集芯片將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號(hào)傳輸給FPGA芯片，該FPGA芯片接收到數(shù)字圖像信號(hào)后進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得到直接增益調(diào)節(jié)和逐次逼近增益調(diào)節(jié)所需的增益值，將增益值傳送給增益電阻查找表，F(xiàn)PGA芯片還產(chǎn)生AD采集芯片所需的采樣信號(hào)以及配置信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生圖像輸出電路所需的數(shù)字圖像信號(hào)，以及驅(qū)動(dòng)EMCCD芯片的時(shí)序信號(hào)；圖像輸出電路輸出系統(tǒng)采集到的圖像信號(hào)；增益對(duì)照表在接收到FPGA芯片的增益值后，轉(zhuǎn)化為倍增電路中的電阻值，調(diào)整系統(tǒng)的倍增值；時(shí)序電平轉(zhuǎn)化電路接收FPGA芯片產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)以及增益對(duì)照表傳輸?shù)谋对鲭娐冯娮柚担{(diào)整加載到EMCCD芯片端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序與信號(hào)電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速高精度電子倍增CCD自動(dòng)增益方法，其特征在于直接增益調(diào)節(jié)是在EMCCD芯片采集完一幀的圖像數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)中FPGA芯片對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到當(dāng)前幀的加權(quán)平均亮度值Y_n；計(jì)算出G_n+1，即系統(tǒng)需要調(diào)整到的增益值，計(jì)算出G_n+1后，F(xiàn)PGA芯片將G_n+1值發(fā)送到增益電阻查找表中得到倍增電路電阻值，系統(tǒng)按照電阻值調(diào)整電路參數(shù)改變系統(tǒng)的增益值，具體過(guò)程為：

采用加權(quán)灰度均值Y作為自動(dòng)增益整體亮度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于成像系統(tǒng)圖像的平均灰度Y_a為：

Ya=Σj=0knj×YjΣj=0knj]]>(k＝0，1，2，...，2^m)(1)

式中Y_j代表圖像中第j級(jí)灰度，n_j是Y_j的數(shù)量，m是成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)位數(shù)；

以Y_a為圖像灰度值的分界點(diǎn)，計(jì)算出高于Y_a的平均灰度值Y_aH，低于Y_a的平均灰度值Y_aL，a為Y_aH和Y_aL的分界點(diǎn)：

YaH=Σj=k2mnj×YjΣj=k2mnj]]>(k＝a+1，a+2，...，2^m)(2)

YaL=Σj=0knj×YjΣj=0knj]]>(k＝0，1，2，...，a-1)(3)

圖像的加權(quán)灰度均值Y表示為：

Y＝t_LY_aL+t_aY_a+t_HY_aH????(4)

其中t_L、t_a、t_H分別為Y_aL、Y_a、Y_aH的權(quán)重系數(shù)，t_L、t_a和t_H的值由環(huán)境因素決定，其滿足關(guān)系如下：

t_L+t_a+t_H＝1(5)

電子倍增CCD的曝光函數(shù)可表示為：

Y＝k×L×G×T????(6)

式中Y為圖像加權(quán)灰度均值，k為系統(tǒng)常數(shù)，L為入射光強(qiáng)度，G為增益值，T為曝光時(shí)間；

對(duì)上式取對(duì)數(shù)簡(jiǎn)化運(yùn)算得：

logY＝logk+logL+logG+logT????(7)

對(duì)前后兩幀圖像有：

logY_n＝logk+logL_n+logG_n+logT_n????(8)

logY_n+1＝logk+logL_n+1+logG_n+1+logT_n+1(9)

Y_n、L_n、G_n和T_n分別為當(dāng)前幀圖像的加權(quán)灰度均值、入射光強(qiáng)度、增益值和曝光時(shí)間，Y_n+1、L_n+1、G_n+1和T_n+1為下一幀圖像的平均亮度、入射光強(qiáng)度、增益值和曝光時(shí)間；

對(duì)于高幀頻成像系統(tǒng)，在前后兩幀圖像的成像過(guò)程中入射光強(qiáng)度不發(fā)生變化，即L_n＝L_n+1，積分時(shí)間相同，即T_n＝T_n+1；

由公式(8)、(9)可得

logL_n+1＝logL_n＝logY_n-logk-logG_n-logT_n(10)

將式(10)代入(9)得

logY_n+1＝logk+logY_n-logk-logG_n-logT_n+logG_n+1+logT_n????(11)

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(12)

圖像的理想亮度值Y₀，即經(jīng)過(guò)增益調(diào)節(jié)后下一幀圖像加權(quán)灰度均值Y_n+1所要達(dá)到的亮度值：

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(13)

化簡(jiǎn)得：

Gn+1=Y0YnGn---(14)]]>

G_n+1就是下一步調(diào)整的增益值。