（物理电子学专业论文）面阵相机在led显示屏测量中的应用研究.pdf

摘要 摘要 利用亮度计等传统仪器，不能同时、高精度地测量l e d 显示屏每个发光灯点 的亮度，这严重制约了l e d 显示屏在亮度非均匀性校正、均匀性评价等方面的发 展。 针对上述问题，本文在面阵相机原理和光学测量理论的基础上，研究了面阵相 机在l e d 显示屏测量中的应用。本文对相机进行了标定，包括校正图像渐晕、镜 头畸变和c c d 像素响应非均匀性；检测和补偿c c d 盲元；修正光电响应曲线， 从而得到光通量和灰度值之间的函数关系。对于标定好的相机，在测量l e d 显示 屏参数过程中，本文用6 x 6 像素以上分辨率对l e d 显示屏灯点采样；用阈值分割 法计算亮度；用阈值法控制相机曝光量和焦距，保证数据的精度。 本文用开发的像测系统软件对一块3 2 x 1 6 的l e d 显示屏模块进行了测量，误 差为3 1 2 ，实现了l e d 显示屏每个灯点亮度的测量。 关键词：l e d 显示屏相机标定采样亮度计算相机曝光量 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t u s i n go ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t ss u c h 嬲l u m i n a n c em e t e r , w ec a l l t a c c e s st ot h e l u m i n a n c eo fe a c hl e dp o i n to ft h el e dd i s p l a ys y n c h r o n o u s l ya n de f f i c i e n t l y , w h i c hh a v es e r i o u s l yc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to ft h el e d d i s p l a yi nt h el u m i n a n c e c a l i b r a t i o n , u n i f o r m i t ye v a l u a t i o na s p e c t s t os o l u t et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no ft h el e d d i s p l a ym e a s u r e db ya r e a a r r a yc a m e r a , b a s e do nt h ea n a l y s i so fa r e a - a r r a yc a m e r a t h e o r ya n do p t i c a lp r i n c i p l e so fm e a s u r e m e n tt h e o r y t h ei m a g es h a d o wo ft h ec a m e r a , l e n sd i s t o r t i o n , c c dp i x e lr e s p o n s en o n - u n i f o r m i t yw 嬲c o r r e c t e d ；c c db l i n ds p o ti s d e t e c t e da n dc o m p e n s a t e d ；p h o t o e l e c t r i cr e s p o n s ec u r v ei sa m e n d e d ，a n dt h e nw ec a l l o b t a i nt h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e 蓼a yv a l u e sa n dl i g h tf l u x a f t e rt h e c a m e r ai sc a l i b r a t e d , t h i sp a p e rs a m p l e sl e dd i s p l a yl i g h t sp o i n tu s i n gm o r et h a n6 x 6 p i x e l s ，c a l c u l a t e sl u m i n a n c eu s i n gt h r e s h o l dm e t h o da n dc o n t r o l st h ec a m e r ae x p o s u r e a n df o c u su s i n gt h r e s h o l dm e t h o di nt h em e a s u r e m e n tp r o c e s so fl e dd i s p l a y p a r a m e t e r s ，s oi te n s u r e sd a t aa c c u r a c y i nt h i sp a p e r , w em e a s u r ea3 2 x 16o ft h el e dd i s p l a ym o d u l e su s i n gs o f t w a r e s y s t e m t h e s o f t w a r e s y s t e m s e i t o ri s3 1 2 s ot h i s p a p e ri m p l e m e n t t h e m e a s u r e m e n t so ft h el e d d i s p l a y ss i n g l ep o i n t k e y w o r d s ：l e dd i s p l a y c a m e r ac a l i b r a t i o np o i n ts a m p l el u m i n a n c e c a l c u l a t i o nc a m e r ae x p o s u r e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：丝叁整 本人承担一切相关责任。 日期型尘：! ：! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 年解密后适用本授权书。 日期趔竺：! ：! 日期筮! 呈：查：2 ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着l e d 显示屏行业的飞速发展，针对l e d 显示屏测量技术和测量精度的要 求在不断提高。传统上我们一般采用亮度计等仪器来测量l e d 显示屏的亮度等参 数信息，测量时一般先抽取少数的测量样点或区域，然后测量这些样点或区域及 其关联像素或区域的参数信息。测量过程中，每测量一次都需要移动仪器并且重 新对焦。这样，用传统的方法测量l e d 显示屏参数不但耗时费力，而且如果用来 测量全屏灯点的参数，其结果是比较随机和片面的。如何更快速、精确地测量l e d 显示屏的参数信息正成为研究的热点。 面阵相机是一种基于c c d c m o s 图像传感器的与人眼构造很相似的光学设备， 它和人眼一样可以同时采集视野中的各种光信息，面阵相机现在越来越多地被用 在l e d 显示屏的测量领域中，它能快速地测量出l e d 显示屏每个灯点的亮度、空间 位置、发光形状等信息。但是，在高精度的l e d 显示屏测量系统中，c c d 像素响 应非均匀性、暗电流、镜头渐晕等带来的误差会导致面阵相机采集到的图像数据 不准确，从而给测量结果带来误差。为了提高测量精度，实现对l e d 显示屏的校 正和均匀性评价等应用，必须尽可能减小面阵相机带来的测量误差。面阵相机在 l e d 显示屏测量过程中，l e d 显示屏灯点的采样、亮度计算和相机曝光量、对焦等 因素也会对结果带来误差，如何减小或消除这些误差成了关注的焦点。 1 2l e d 显示屏测量领域的研究现状 l e d 显示屏测量技术经历了从传统测量仪器，如照度计，亮度计到数码相机 的发展历程【l - 5 1 ，测试的主要方法和内容有： 1 ) 利用照度计进行测量。照度计主要是用来测量光环境内被照面上的照度 值，即单位面积上所接收到的光通量。照度计由滤光片、光接收器、放大电路和 指示器等组成。光接收器大多为硒光电池或硅光电池，为了测量微弱的光照度， 可以用光电倍增管。由于受照面的亮度与光源的入射角度有关，如果要测量各个 方向入射的光照度则需要在接收器上配置余弦校正器作为余弦补偿。颜色滤光片 常采用各种颜色的玻璃组合，由颜色滤光片把接收器的相对光谱灵敏度曲线匹配 成相应于人眼的光谱效率函数v ( 入) 曲线，以便使仪器的测量结果与人眼的观察结 果一致。照度计读数时需将光电池的感光面置于工作面上或待测试的视觉作业的 2 面阵相机在l e d 显示屏测量中的应用研究 操作平面上。 照度计测试简便直观，并能正确反映测点实际照度水平，它是能胜任一定范 围的测试要求的。但是，一般说来照度值并不直接反应人眼的明暗感觉，它还和 材料的反射系数及反射光的空间分布有关，因此，对于l e d 显示屏质量评价来讲， 平面照度是不足以说明问题的，还需要有亮度等其它值。再有，照度计测量方式 的特殊性( 感光面与被测点重合) 使得它的应用具有较大的局限，测量室外高大l e d 显示屏表面的照度是不现实的。 2 ) 利用亮度计进行测量。亮度计主要用来测量光源在某一方向上单位投影面 积、单位立体角中发出的光通量，实用的亮度计大多由透镜和光阑组成，从被测 光源的小面积出发把在一定立体角内发出的光通量投射到光探测器上。这类亮度 计通常设有目视系统，便于测量人员瞄准被测目标。 在采用亮度计测量环境亮度时，和照度计测照度的过程不同，它采用的是非 接触测量方式，测得的是目标物上某个点的亮度值，这种测单个点参数的方法是 比较精确的，从某种程度上它可以完成一定的测量任务。但遇到对某一远距离目 标物的表面亮度分布进行测量时，亮度计则无法胜任。原因是：测亮度分布需要在 目标物上确定许多测点，这些测点距离相对较近，利用亮度计一点一点的进行瞄 准测试时无法做到对所有点都能准确定位；由于定位误差和逐点测试时间长所造 成的在可变光源环境条件下的测试误差将导致最后测量值的不准确；还有，在同 时测量多光源环境中( 如本文研究的l e d 显示屏领域) 每个光源的亮度分布时， 亮度计无法胜任。 传统测量仪器测量光环境参数的方法虽已发展的十分成熟，测量精度及通用 性较好，但相对于大面积、多光源下每个光源的亮度分布等要求，它有诸多局限 性；而且，由于与人视觉系统采集整个环境光信息的方式不同，采用这种方法测 评光环境的各参数也不便很好的同人的主观视觉相结合。 3 ) 利用面阵相机进行测量。面阵相机一般由光学镜头、光电转换器件、模 数( 丸，d ) 转换电路和存储器等组成，光电转换器件一般为电荷耦合器件( c c d ) 。 面阵相机的原理可以概述为电荷耦合器件接收光学镜头传递来的影像，经过模数 转换器转换成数字信号后保存在存储器中。面阵相机存储的是经过数字化后的图 像灰度值。在l e d 测量领域，随着工艺的提升，同一批次的l e d 光谱特性近似相 同，面阵相机感光器件记录下来的l e d 辐射通量值具有了更广泛的实用价值，其 感光图像包含了l e d 灯点的空间位置，发光形状及发光强度等信息。相对于亮度 计等仪器，面阵相机测量l e d 显示屏参数的优点有： 1 可以直接获得数字图像信息，有利于后续的图像处理； 2 可以快速、精确测量l e d 显示屏每一个灯点的亮度信息； 3 测量周期短，信息量大： 第一章绪论 3 4 成本低等。 在应用面阵相机测量l e d 显示屏参数的过程中，c c d 像素响应非均匀性、暗 电流、镜头渐晕等带来的误差会导致面阵相机采集到的图像数据不准确，从而给 测量结果带来误差。为了提高测量精度，实现对l e d 显示屏的校正和均匀性评价 等应用，必须尽可能减小面阵相机带来的测量误差。本文针对这些误差产生的原 因，首先对所使用的面阵相机进行了标定，亮度标定的主要步骤为暗电流校正， 均匀场校正，包括渐晕校正、镜头畸变校正、c c d 像素响应非均匀性校正、盲元 的检测和补偿，最后是c c d 像元灰度值和光通量的函数关系确定。本文采用了平 均相消法去除暗电流；用长焦镜头来减小畸变误差；用最小二乘法对c c d 像素响 应非均匀性进行校正；用“3 0 准则来检测盲元，如果存在盲元则用邻域平均法 补偿盲元；最后对光电响应曲线进行了线性修正，得到了灰度值与相对亮度值之 间的函数关系。对于标定好的相机，在l e d 显示屏测量过程中，l e d 显示屏灯点 的采样、亮度计算和相机曝光量、对焦等因素也会对结果带来误差。本文对l e d 单个灯点的采样进行了研究，必须保证采样在6 x 6 像素以上；采用阈值分割法计 算l e d 显示屏灯点的亮度，保证数据的精度；对于相机曝光量和对焦带来的误差， 应用数字图像处理技术，提出了阈值检测分析和对应的解决方案。本文实现了基 于面阵相机的l e d 显示屏测量软件，相对于亮度计c s 2 0 0 0 的测量精度为3 1 2 。 1 3 论文研究的主要内容和结构安排 本文在面阵相机成像原理、面阵相机测量方法等理论基础上，研究有利于工 业和计算机实现的l e d 显示屏参数测量方法并编制软件实现。对其中的关键技术 如相机标定( 光电响应非线性修正、c c d 非均匀性校正、暗电流校正、c c d 盲元 检测和补偿) 进行分析、探讨，并对l e d 显示屏实际测量过程中容易引起数据误差 的因素( l e d 显示屏灯点采样误差、亮度计算，相机线性工作区，l e d 显示屏成 像清新度) 进行了研究。 本文的章节安排如下： 第一章绪论阐述了l e d 显示屏测量领域的研究现状，分析了传统测量 方法的特点和缺点，对本文的研究内容做了简要介绍。 第二章面阵相机测量的相关技术详细介绍了c c d 工作原理、面阵相机 成像原理、面阵相机测量基础，针对影响面阵相机成像质量的因素，确定后期的 图像处理机制，得到l e d 显示屏的参数信息，并确定了整个测量方案。 第三章l e d 显示屏测量相机的标定研究面阵相机的标定方法，介绍了 c c d 盲元的产生原因和处理方法，分析图像渐晕对数据产生的影响，比较和实现 了常见的c c d 像素响应非均匀性校正算法，对c c d 的光电响应曲线进行了线性 4 面阵相机在l e d 显示屏测量中的应用研究 修正，最后，对相机标定结果进行了分析。 第四章l e d 显示屏测量技术的实现研究了相机在实际测量l e d 显示屏 参数过程中影响数据精度的因素：l e d 显示屏灯点采样误差、l e d 显示屏灯点亮 度的计算、相机线性工作区以及l e d 显示屏成像清晰度，提出了减小误差的解决 方案，实现了整个像测系统软件并给出了两个子系统功能流程图以及界面图。最 后，利用像测系统对一个显示屏模块进行了实验分析。 第二章面阵相机测量的相关技术 第二章面阵相机测量的相关技术 面阵相机测量l e d 显示屏参数的基本部分是数据采集部分和数据处理部分， 数据的采集一般都采用图像传感器，本文所设计的系统采用的是基于c c d 图像传 感器的面阵相机，因此，以下本章主要对c c d 图像传感器及面阵相机做介绍。面 阵相机在测量过程中，暗电流、c c d 非均匀性、曝光量等因素都对成像质量有影 响，本章也将做详细介绍。 2 1 面阵相机成像原理 2 1 1 电荷耦合器件( c c d ) 及其原理 1 9 7 0 年，美国贝尔实验室的s m i t h 等人提出一种新的半导体器件电荷耦合 器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 概念并进行了验证。这种器件与我们熟 知的p n 结工作的晶体管不同，是一种无结器件【6 。8 l 。 c c d 由密排m o s 器件组成，工作时在这些m o s 结构的金属电极上施加适当的 电压，使信号载流子( 电子或空穴) 存储在特定电压下的半导体表面上，通过周 期地改变其电极电压，使载流子沿半导体表面传输。c c d 的特点是以电荷作为信 号，实现电荷的产生、存储、传输和检测。c c d 的本质是移位寄存器。c c d 不仅 具有存储信号的能力而且具有传输信号( 自扫描) 的能力。 电荷耦合器件( c c d ) 是在p 型( 或n 型) 的硅衬底( 作为衬底电极) 上生长 一层厚度约1 2 0 n m 的孵a 绝缘层，再在绝缘层上按照一定顺序沉积一系列间隙很小 ( 小于0 3 m ) 的金属( 铝) 电极( 称为栅极) 制成的。每个金属电极和它下面 的绝缘层及半导体硅衬底形成一个m o s 电容器，所以c c d 基本上是由一系列m o s 电容器组成阵列，再加上输入与输出端构成。由于m o s 电容器之间靠得很近，因 此相互间可以发生耦合，被注入的电荷可以从一个电容移到另一个电容，电荷转 移的过程实际上是电荷耦合的过程，故将其称之为电荷耦合元件，图2 1 为m o s 电 容器的结构图。 6 面阵相机在l e d 显示屏测繁中的应用研究 茸2 崔2 2 12 面阵c c d 成像原理 蚓2lm o s 电容器的结构 金属( 销) 电极2 一。2 绝缘层 f 曲p 删( b ) n 型 按一定的方式将一维线型c c d 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，就 构成了二维面阵c c d 。 i 于排列方式不同，面阵c c d 有帧转移、行州转移、线转 移和仝帧转移等方式。 l 帧转移c c d 图22 为面阵帧转移c c d 器件的结构示意图。它分为战像区、暂存区和水平 读出寄存器三部分。成像区由并行排列的若干i b 荷耦合沟道组成，各沟道之间用 沟道阻隔开，水平电极横贯各沟道。暂存区的结构和单元数都和成像区相同，暂 存区与水平读出暂存器均被屏蔽。 成像k 暂存k 凄山甫仃器 f t 5 k r 斟2 2 帧转移c c d 图像首先经过物镜成像到成像区。当成像区的某一相电极加有适当的偏压时 第二章面陴相机懂的相关技术 光生电荷被收集到这些电投下方的势阱罩，这样就将被摄光学图像转为光积分电 极下的电荷包图像。在光积分周期结束时，通过加到成像区和存储区电极上的垂 直驱动脉冲，将代表整个一帧图像的电荷全部转移到存储区中对应的存储单元内， 这个过程称之为帧转移。 完成帧转移后，在存储区脉冲作用下存储区内的每行的电荷以平移方式向f 移 动，逐行进入读出寄存器。然后在读出脉冲的作用下沿水平方式移动，最后经输 出电路输出。 在当第一场信号读出的同时，第二场信息通过光积分又收集到势阱中。当第一 场全部读出的同时，第二场信息随之传送到寄存器，使之连续的读出。 帧转移面阵c c d 的特点足结构简单，光敏单元的尺0 较小，但光敏血积占总面 积的比例小。 2 行间转移c c d 行间转移c c d 又称隔列转移c c d ，它的像敏单元呈二维排列每，u 像敏单兀 被遮光的读出寄存器用沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之问又有转移栅控制。 每一个像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另 一侧被沟阻隔开。图2 3 为行间转移c c d 器件的结构图。 行间转移c c d 有以下几个特点： i输入速度快：曝光和数据读出可同时进行i - 具有电子快门功能； i i i 动态范用较小。 l ：t 传 午千枰m 创2 3 行问转移c c d 3 线转移c c d 线型转移c c d 取消了存储区多了一条寻址电路。它的光敏单元一行行紧密 排列，类似于帧转移犁的成像区。它没有水平读出寄存器，只有一个输出寄存器。 面阵相机在l e d 显示屏9 茸中的席崩研究 这种转移方式的优点是有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高但是电路结 构复杂。 4 全帧转移c c d 全帧转移c c d 器件除了部分辅助电路外，大部分区域都是感光区，没有存储 区，图2 4 为结构图。全帧转移c c d 器件的特点有以下几点： i 动态范围宽： 扎信噪比高； i i i 分辨率高： i v 没有电子快门功能； v 成像速度慢。 2 21 晰阵相机测量基础 成博k # 移油道 h h 、l o 凹2 4 全帧转移c c d 2 2 面阵相机测量原理 根据摄影理论和照相光度学，相机能通过镜头将目标成像在c c d 上，图像上 每个像素的扶度值与目标物相应点的曝光量存在定的关系o 。“，见c c d 的感 光特性曲线图25 。图巾纵坐标为数字图像的扶度值，横坐标为曝光量h 。 第二章面阵相机测量的相关技术 9 1 8 0 6 0 图2 5c c d 的感光特性曲线 图中曲线分三段，a b 段是曝光不足段或叫趾部，c d 段为曝光过亮段或称肩 部。直线段b c 是摄像主要的利用段，拍摄图像的曝光量只有在b c 对应的范围内 才可获得清晰的像。该直线段的斜率y 称反差系数，它是感光材料的主要特性指标。 直线段横坐标的差值即以一h 。，一般用l 来表示，称作宽容度，它是测量过程 中曝光量的使用范围。曝光量h 的大小同像面照度磊存在如下关系： h = e o t ( 2 - 一1 ) t 为相机的曝光时间。 对于小视场大孔径或者大视场大孔径的光学系统，其视场轴心的像面照度磊 公式为： 磊2 i 7 r b ( 争寿似 f 是镜头的透射系数，b 为物体的实际亮度，f 为相机光圈数。 将( 2 _ ) 式带入( 2 1 ) 式，得到曝光量h 的大小和摄像过程中所采用的相机光 圈数f 、曝光时间t 、目标物的亮度b 存在的关系式： 日：8 y 三f 4 ，2 ( 2 3 ) 其中f 为镜头的光学透射系数，它反映了感光材料的主要特性指标。 根据前面对c c d 的了解，c c d 对外界光能量的响应理论上是线性的。在数码 相机的感光特性曲线中，纵坐标d 是数码相机生成的数字图像的灰度值，它与曝 光量h 存在线性关系d = f ( h ) ( 特性曲线中的直线段部分) 。利用这个线性关系， 只要获取了某幅图像的灰度值d 后就可反求出图像拍摄时所用的曝光量h 。有了 1 0 面阵相机在l e d 显示屏测鼍中的应用研究 曝光量h ，根据式( 2 - 3 ) 就可推得所拍物体的亮度b 了。这个过程是面阵相机测量 的基础。 2 2 2 影响面阵相机成像质量的因素 对于面阵相机来说，影响其成像质量的因素有： 1 暗电流 c c d 暗电流是指在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下的输出 电流，其主要成分有：( 1 ) 通过耗尽区内复合产生的热；( 2 ) 通过表面态的热产生； ( 3 ) 通过本征跃迁过程的热产生：( 4 ) 在耗尽区边界的扩散电流。暗电流会限制元 件的灵敏度与动态范围，引起固定图像噪声。 2 噪声 在c c d 图像传感器中有以下几种噪声源：( a ) 电荷注入器件时由电荷量的起伏 引起的噪声；( b ) 电荷在转移过程中由电荷量的变化引起的噪声；( c ) 检测电荷时常 需要对检n - 极管进行复位操作，因此复位脉冲将导致信号的监测噪声。这些噪 声的叠加使信号再现的精度受到影响。 3 c c d 非均匀性 c c d 由于自身材料的差异和相机镜头等因素的影响，在均匀背景光环境下， 其每个像元的响应不一样，这就是c c d 的非均匀性。 4 像元尺寸和填充因子 像元尺寸即传感器上的感光像素的面积大小。像元尺寸越大，采集到的光信 号也就越多；几何填充因子是有效像素( 感光) 面积与像素总面积( 包括像素边 界与电路) 之比。一般来说，像元尺寸越大和填充因子越高，相机的动态范围、 灵敏度和信噪比也越高。 5 分辨率 分辨率为相机采集到图像的像素的个数，表征图像的精密度，即分辨率越大， 采集到的图像所占的像素数越多，也就越精细。 6 动态范围 动态范围即灰度等级数。动态范围越大，图像测量的越精细，对比度越大。 7 曝光量 图像传感器得到光量的多少称为曝光量。曝光准确，物体成像明暗反差合适； 曝光不足，物体成像集中在低灰度，画面反差小：曝光过度，物体高光部分无法 分辨。 8 成像清晰度 成像清晰度是物体成像反差( 对比度) 的表现。相机处于对焦状态时，图像包 第二章面阵相机测量的相关技术 含丰富的细节信息，边缘清晰可辨，也就是图像的对比度最强；相机处于离焦状 态时，图像变的模糊，边缘变得淡化，图像的对比度减弱。 对于一款选定的面阵相机，为了减小测量误差，在测量前。应该对相机进行标 定，即消除暗电流、c c d 非均匀性等对图像质量的影响。相机标定后，在实际测 量过程中，还应该减小曝光量和成像清晰度等对图像质量的影响。 2 3 面阵相机测量l e d 显示屏参数方案设计 用面阵相机来测量l e d 显示屏参数前，首先应该选定一款合适的相机。选定相 机后，我们必须对相机进行标定，因为相机像元问感光材料的差异性等因素导致 相机并不是一个标准的测量工具，标定的目的是保证相机在均匀光场的照射下， 每个像元输出一致的数据，标定的步骤为盲元检测和补偿，暗电流校正，非均匀 性校正，光电响应函数的确定。对相机标定完后，在用相机对l e d 显示屏的测量 过程中，有很多因素容易引起图像数据的误差，! t h l e d 显示屏灯点采样、l e d 显示 屏灯点亮度的计算、相机是否曝光良好、对焦是否清晰，应该对其一一进行处理。 图2 6 为本文用面阵相机测量l e d 显示屏参数的方案设计。 图2 6 面阵相机测量l e d 显示屏参数方案 2 4 本章小结 滔 岫皿 薄 黹 贴 啡 蘸 幂 面阵相机在测量前应该对其进行标定，标定可以消除暗电流、c c d 非均匀性 1 2 面阵相机在l e d 显示屏测量中的应用研究 等对图像质量的影响。标定后，在实际测量过程中还要减小曝光量和成像清晰度 等对图像质量的影响，本章对这些影响面阵相机成像质量的因素作了介绍。本章 研究了面阵相机的成像原理，介绍了电荷耦合器件( c c d ) 及其工作原理。介绍 了帧转移c c d 、行间转移c c d 、线转移c c d 和全帧转移c c d 的基本结构。本章 还研究了面阵相机测量的理论基础，即可以根据相机的参数推导出所拍物体的亮 度信息，并给出了设计方案。 第三章l e d 显示屏测量相机的标定 1 3 第三章l e d 显示屏测量相机的标定 面阵相机在用于高精度测量前，需要对其进行标定。标定的主要目的是保证在 均匀背景光环境下，相机每个像元的响应是相同的。亮度标定的主要步骤为盲元 检测和补偿，暗电流校正，均匀场校正，包括渐晕校正、c c d 像素响应非均匀性 校正，最后是c c d 像元灰度值和光通量的函数关系确定。 3 1l e d 显示屏测量相机选型 用于l e d 显示屏参数测量的相机应该是达到一定精度的相机。为了达到基本 测试要求，它们应具备以下几个条件： 1 拍摄过程中每幅图像的曝光时间、光圈大小及影响相机生成数字图像的相 关参数均能记录下来。这样做的主要目的是为了能方便的利用上述参数计 算出外界环境亮度值。 2 具有手动调节拍摄功能，可根据环境实际调节图像采集条件。只有具备了 这项功能，遇到亮度差别较大的测量环境时，才能通过调节曝光条件将所 需测点全部采集下来。 3 为达到测量结果的精度和效率要求，相机应至少有5 0 0 万像素的分辨率。 分辨率越高，遇到远距离或小面积光源的测试情况时，就可以利用较多的 像素点来表述它们，从而提高测量结果的精度。 4 应具有较大的测光范围，即有足够的灵敏度，至少能够拍摄亮度为0 3 c d m 2 的环境。当遇到较暗的环境时，仍需要相机能感光正常，以完成测量任务。 同时要求相机对强光源也能拍摄，即有极短的曝光时间或配有中性滤光 片。 5 应具有较大的对焦范围，以便能够实现对环境中近距离和远距离目标物的 非接触测量。 基于上述的理论基础以及价格等因素，系统最终确定使用尼康d 3 0 0 0 高端数码 相机。表3 1 为该相机的性能参数。 表3 - 1 尼康d 3 0 0 0 性能参数 有效像素 1 0 2 0 。珏 感光元尺寸2 3 6 1 5 8 毫米 像素精度 1 4 位 滤镜模式r g b 原色b a y e r 滤镜 1 4 ， 面阵相机在l e d 显示屏测量中的应用研究 拍摄模式手动、自动 感光度 i s 0 1 0 0 1 6 0 0 降噪处理支持长时间曝光降噪和高i s o 降噪 由表可知： 1 尼康d 3 0 0 0 有效像素为1 0 2 0 万，超过了测试用数码相机的基本要求； 2 其具有自动和手动两类拍摄模式，并且光圈和快门具有较大的上下波动幅 3 4 5 6 7 度，这说明其在拍摄时可选择的曝光范围很广，能拍摄的环境亮度的差别 可以很大； 其具有多种感光度( i s 0 1 0 0 到1 6 0 0 ) ，说明可以正常拍摄各种常见环境( 从 白天到夜晚) ，且可拍摄的视野和距离较大； 支持全手动设置，支持自动对焦及曝光补偿； 对于噪声，支持长时间曝光降噪功能和高i s o 降噪功能； 图像精度达到1 4 位； 数码相机成像一般为j p e g 等压缩图像，为了适合人眼观测，数码相机在 存储为j p e g 图像时都会对图像数据做一些白平衡处理，色温补偿来达到 最好的视觉效果。但这样的处理会使图像数据偏离真实值。尼康d 3 0 0 0 提 供了获取相机原始数据的接口，保证图像数据的真实性。 3 2c c d 盲元检测和补偿 c c d 盲元，或称失效元，是指电荷耦合器件中的响应过高和过低的探测器单 元。盲元的数量及其分布对器件性能的影响很大，如果盲元数过多，在成像时不 经过相应的处理，则会在图像中出现大量的亮点或暗点，严重影响成像质量。通 过盲元补偿剔除过亮或过暗的像元，可提高相机的成像质量，具有很高的应用价 值和意义。 盲元的定义主要是从器件对无光照背景的响应程度作为量化指标的。 像元响应率r ( i ，j ) ：c c d 在一定帧周期和一定动态范围条件下，像元对每单 位照度功率产生的输出信号电压( 单位为伏特瓦) 。其可表示为： 聊) 2 半( 3 _ 1 ) 其中，p 表示像元所接收的照度功率，矿对应于照度功率p 的响应电压，i = l m ， j = i - n ( m 和n 分别是c c d 像元的总行数和总列数) 。 像元噪声电压：指c c d 在背景光照条件下，像元输出信号电压涨落的均方根 值( 单位为伏特) ，记为“，j ) 。 盲元也称为无效像元，包括死像元和过热像元。死像元是像元响应率小于1 1 0 第三章l e d 显示屏测量相机的标定 1 5 平均响应率的像元；过热像元为像元噪声电压大于1 0 倍平均噪声电压的像元。盲 元率可表示为： ：坐1 0 0 。肘+ ( 3 _ 2 ) 其中d 和h 分别是死像元和过热像元数。 盲元产生的机理， 在实际成像系统中，c c d 的信号输出是探测单元、读出电路、信号处理电路 ( 例如放大、模数转换等) 等各种因素综合的结果。 首先，c c d 平面阵列中物理损坏的探测单元构成盲元。 其次，在c c d 制造过程中如有效光敏面以及材料掺杂不均等原因，引起各探 测单元光电转换特性曲线的不一致和暗电流的不均匀等，当这种不一致性过大时， 就形成了盲元。 第三，1 f 噪声，通常认为它是由半导体的表面电流引起的，1 f 噪声会使探测 单元性能恶化，形成盲元。 第四，信号电荷传输读出的影响。在采用移位读出的c c d 器件中，通道障碍 可使相关像元信号衰减而形成盲元。 最后，c c d 器件工作所处的温度随机变化将影响像元性能，在一定环境温度 下，例如过高或过低的气温下，部分像元将产生性能劣变，失去探测能力，而成 为盲元。 由于c c d 阵列探测器各像元的响应非均匀性使得图像表现为区域灰度不一 致，这就给直接采用全局阈值进行判断带来了困难，阈值太大容易造成漏判，阈 值太小又会造成局部过判，我们采用基于滑动窗口的自适应阈值检测方法可以较 好地克服以上困难。这里滑动窗口指的是以某一像元为中心，取一个( 2 n + 1 ) x ( 2 n + 1 ) 的窗口，通过求窗内像元的均值与标准差来判断该中心像元是否为盲元。 在这里窗口的大小选取非常重要，如果窗口太大将不能有效地消除区域非均匀性 对盲元检测的影响；而太小的话，基于统计特性的均值和标准差又不是很准确， 经反复实验：n 取4 或5 时检测精度最高。本文采用“3 0 ”准则对盲元进行判断， 即把响应值在平均响应灰度3 盯之外的像元判定为盲元。阈值计算公式为： 仃( f ，) = 式中：盯( f ，) 为中心坐标( i ，j ) 的窗口像元灰度标准差，n 为半窗宽，f ( k ，) 为 窗内像元灰度值叫“) = 面l 而丕i + n 差似棚是中心坐标为( i ，j ) 的窗口像 元的灰度平均值。 盲元检测的具体实现步骤为： 1 6 面阵相机在l e d 显示屏测量中的应用研究 1 ) 对原始图像进行镜像延拓； 2 ) 以( i ，j ) 为中心进行加窗，并计算以( i ，j ) 为中心像元时窗内像元均值( f ，j ) 与标准差c r ( i ，j ) ； 3 ) 计算中心像元灰度值与均值的偏差p ( f ，) ，即p ( f ，) 刊f ( i ，) - z ( i ，) l ； 4 ) 判断口( f ，) 是否大于3 0 ( i ，力，如果是则判定为盲元，并记录当前的坐标( i ，j ) ， 进入下一步，否则直接进入第6 ) 步； 5 ) 将盲元的灰度值f ( i ，_ ，) 用均值( f ，) 替代，以提高后续像元的盲元检测精度： 6 ) 将窗口中心移动到下一个像元，返回第2 ) 步，直到中心像元扫描完所有的像 素。 在得到准确的盲元定位后，我们就可以进行盲元补偿了。本文采用邻域平均法 来进行补偿，即由像素邻域内的各点的灰度值的平均值来代替该像素原来的灰度 值。本文采用3 x 3 邻域平均模板。 i + 11 + i 确，) = 厂( 后，1 ) h ( k - i + l ，1 - j + 1 ) ( 3 一) k = i - i = y - 1 式中：f ( i ，_ ，) 为邻域平均补偿的结果，f ( k ，) 为盲元邻域内的灰度值，h 为邻域平 ，f ，1 l 1 、1 均算子阵列，日= 三ll 01l 。 8 h1 lj 3 3 1 暗电流产生的原因 3 3 暗电流校正 c c d 暗电流是指在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下的输出 电流。暗电流的大小与光照强度无关，而与c c d 像元的本征材料、大小、温度等 有关。c c d 暗电流的主要成分有：( 1 ) 通过耗尽区内复合产生的热；( 2 ) 通过表面态 的热产生；( 3 ) 通过本征跃迁过程的热产生；( 4 ) 在耗尽区边界的扩散电流。在室 温下，边界扩散电流可以忽略，以体内、表面复合中心贡献为主，本征产生贡献 比它们小个数量级以上。由此，c c d 输出端一个像素产生的暗电流别为： ，l， 1 ，d = i g 氇杨g o ，+ i q s o 吩 ( 3 5 ) z二 其中，q ) b 单位电荷量；n j 为本征载流子浓度；为耗尽层宽度；o 。是对空穴 或电子的俘获截面；为电子热运动平均速度；，是复度； s o = ；r t ：( y s v t h d ；k t k t 为表面复合速度；o ，是表面态的俘获截面；巧是有效表面态密度； ( 3 6 ) k 是波 第三章l e d 显示屏测量相机的标定 1 7 尔兹曼常数；t 是绝对温度。由于受到加工工艺的限制，每个像素的材料、面积大 小各不相同，导致t c c d 暗电流的不均匀。 3 3 2 暗电流校正 相机的噪声中，暗电流的噪声占主要部分，除暗电流之外，还有一些感光芯 片的固有噪声以及随机噪声，这些噪声所占的比重很小，可以忽略不计。采集暗 电流图像的方法如下：用镜头盖将相机镜头遮住，使镜头进光量为0 ，采集此时的 图像数据作为暗电流图像数据。图3 1 为测试相机尼康d 3 0 0 0 某幅暗电流图像第 l o 行的数据曲线。由图可知，在进光量为0 的情况下，相机仍有电流输出，且呈 不规则的随机起伏。 5 0 01 0 0 01 5 0 0 图3 1 暗电流图像第1 0 行灰度值曲线 x 一般地，将两幅暗电流图像相减可减少噪声点，但是由于暗电流噪声的随机 性，仍然会存在部分噪声无法消除。基于此，本文采集3 5 幅暗电流图像，将统计 后所求得的平均值图像作为标准暗电流图像，在后续计算中，用采集到的图像数 据减去该标准暗电流图像数据，可较好的消除图像中的暗电流影响。图3 2 为一幅 图像与标准暗电流图像数据相减后的第1 0 行数据曲线。 面阵相机在l e d 显示屏测鼙中的向用研究 酗32 减去标准暗电流图像数据后的第1 0 行灰度值曲线 由图3 2 可知，用平均相消法可以有效减小暗电流带来的数据误差 3 4 图像渐晕校止 当相机采集甲行光时，平行光可阻入射到感光芯片的每个光敏元上，因此， 整个成像视场的光线是均匀的：但是，在实际的成像中，大多数光线都是以定 的角度入射到感光芯片，图像的渐晕就是因为外界光成不同的角度入射相机镜头， 镜头巾央接收到的光通量大于镜头四周接收到的光通量，从而出现中间亮，四周 暗的现象。图33 为渐晕现象横刑图 j 图33 渐晕模型幽像 在l e d 显示屏成像时，相机的渐晕会给边缘的l e d 灯点的定位和亮度计算带 柬误差。因此，在l e d 显示屏成像之前，必须对相机的渐晕进行校正从而保证 整个视场的均匀性。 可以使用标准光源( 如积分球) 束校币成像的渐晕。在均匀视场下，图像的 渐晕和像素响应非均匀性都会使成像不一致，因此，本文把渐晕和像素响应非均 匀性引起的误差放在一起校正。图34 为标准光源校正模型。 第三三章l e d 显示屏测量相机的标定 标准光谣 r 图3 4 标准光源校正模型 3 5c c d 像素响应非均匀性校正 35lc c d 像素响应不均匀的原因 造成c c d 像素响应不均匀性的原因是多种多样的，如硅材料本身的质量以及 c c d 的生产工艺造成的不均匀性，这些都是无法改变的，再由于沟道掺杂浓度不 均匀、表面态密度分布不均匀以及栅氧化物厚度不同造成的开启电压不同，感光 单元有效面积不i 刊，从而引入了固定模式噪声不均匀，这种不均匀具体表现为暗 电流及光电响应的不均匀性。 设投射n c c d 光敏面上的光信号能量分布函数为吼域x ，y ，o 。，0 。) 。其中 表示时i n j t l n j 隔内投射 u c c d 光敏面上的光信导总能量；坟x ，y ，0 ，0 ) 表示信号 能量的分_ 1 1 i 规律。0 ，0 、为分布函数中代表位置特征点的位罱参数( 如峰点、重心 位置等) 。假设分布不随时问变化，且光源为一准单色光源，则在第( i ，j ) 像素上， 光信号所产生的光电子数为： ”；”i d 扩争r 2 m 点e 一x 咖 ( 3 _ 7 ) 一d i 其中，r l 。为像素的量子效率；h 为昔朗克常数；v 为光予的频率；d 为像桑 的边长。假设像素是j 下方形的，誓，x ，为第( i j1 ) 个像素几何中心位置坐标。具 有较长吸收长度的光子( 波长小于1 0 0 r i m 或大于6 0 1 t i n ) 量子效率主要决定于感光 区域的厚度；中问波长的光子具有相对短的吸收长度，这个光谱区内的量子效率 主要决定十感光区域上层材料的透明度、反射系数和表面状态。每个像素的材料 不同，导致了透明度、反射系数、表面状态以及感光区域厚度的不同，所以每个 像素的量子效率互不相同，相同光信号在不同像素产生的光电子数不同，即导致 了c c d 光电响应的不均匀性。 2 0 面阵相机在l e d 显示屏测量中的廊用研究 3 5 2 像素响应不均匀校正 3 5 2 1 传统校正方法 根据图像传感器像素光电响应呈线性或非线性的特点，已经有很多种非均匀 性校正算法以及针对像素光电响应不均匀性响应模型的研究和不均匀性对系统测 量影响的研究【1 3 。2 4 1 ，不同方法的复杂度和处理效果是不同的。总体上可将它们分 为两大类，即定标校正和自适应校正。定标校正需要在校正之前定标，即获取非 均匀性校正的校正因子，再在校正过程中读取出这些校正因子作相应的运算，就 完成了对非均匀性的校正，这也是定标非均匀性校正的两个步骤。主要校正方法 有一点校正、两点校正、多点校正等。自适应校正法是基于场景非均匀性的校正 研究方法，这种方法在图像校正之前不需要定标，非均匀校正因子的获得是通过 对数帧图像的计算之后自动更新，用于非均匀性实时校正。主要校正方法有时域 高通滤波器法、人工神经网络法等。 目前的非均匀性校正算法有很多是针对单通道( 红外) 图像传感器的，在此基 础上也可以应用到多通道( 可见光) 的图像传感器上。下面介绍几种常见的方法： 1 一点定标校正算法 算法原理： 所谓一点定标校正是指在某一均匀光照射下，把各个像素的输出校正为一致， 即把输出不同的各个像素信号校j 下为某一个输出值，这个输出值可以为所有像素 输出的平均值，也可以是它们之间的最大值、最小值或者是第一个像素的响应输 出等。 选取标准光源下某一光通量鸣作为定标点，对所有像素响应输出信号m ( 吗)