（电气工程专业论文）图像传感器不均匀性校正方法及实现研究.pdf

重庆人学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y st h eh u m a nb e i n gh a sc o m ei n t o t h ei n f o r m a t i o na g e i tb e c o m e s r e s e a r c hf o c u sh o wt og e tt h ei n f o r m a t i o n h o w e v e r , t h em a s si n f o r m a t i o nm o r et h a n 8 0 i sg o tb yv i s u a lo r g a n s a sat y p eo fb a s i cd e v i c eo fg e t t i n gv i s u a li n f o r m a t i o nt h e i m a g es e n s o r sa r ed e v e l o p i n gf a s tw i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo f s e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t e dc i r c u i ta n da r eu t i l i z e dw i d e l yi nm a n yf i e l d ss u c ha sc i v i lu s e ， m i l i t a r i a e s s ，a s t r o n o m y ，m e d i c i n e ，i n d u s t r i a ld e t e c t i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o la n ds oo n b u ta n yt y p eo fi m a g es e n s o rh a st h eq u e s t i o no fn o n u n i f o r m i t y t h i sq u e s t i o nw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fi m a g ea n di m a g es e n s o r su s i n gr a n g e a sar e s u l t ，i ti sv e r y n e c e s s a r yt or e s e a r c ht h i sq u e s t i o na n df i n dam e t h o dt or e s o l v et h i sq u e s t i o n f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fn o n u n i f o r m i t ya n dt h ei m a g i n g c h a r a c t e r i s t i c s o nt h i sc o n d i t i o n ，t h et h e s i sb r i n g sf o r t ht h em e t h o dw h i c hl i n e a r i z e c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o no fi m a g es e n s o rb ys e v e r a ls e g m e n t sa n dt h e p r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo fn o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa l s o p u tf o r w a r dt h ed e s i g ns c h e m ew h i c hi n t e g r a t e sd a t a s a m p l i n g ，a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ， c o n t r o l l i n g ，d i g i t l t o a n o l o gc o n v e r s i o na sw e l la sd a t a c o m m u n i c a t i o n i ta l l o w st h e s y s t e mt os a t i s f ya l ld e m a n d so ft h ec o r r e c t i o ne f f e c t i v e l ya n ds t a b l y s e c o n d l y , t h et h e s i si n t r o d u c et h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r mw h o s ec o n t r o lc o r e i s h i g hd e n s i t yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( h d p l d ) ，w h i c hc o n s i s t so fa n o l o g t o d i g i t a l c o n v e r t o r , d i g i t a l t o - a n o l o g c o n v e r t o r , h d p l d ， m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ( m c u ) ，m e m o r ya n ds oo n t h i r d l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g no fc o r r e c t i o ns o f t w a r ew h i c hi n c l u d e sm c u p r o g r a m ，h d p l dp r o g r a ma n dcl a n g u a g ep r o g r a m o np c t h ec l 5 1 2 jc m o si m a g e s e n s o rw h i c hi sp r o d u c e da tt h ec h o n g q i n gu n i v e r s i t yi su s e di nt h en o n u n i f o r m i t y c o r r e c t i o ne x p e r i m e n t i nt i l ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n t t h ep ci su s e dt or e a l i z et h e c o r r e c t i o na l g o r i t h ma n da n a l y z et h ei n d e xo fp e r f o r m a n c ea tf i r s t t h e nt h ec o r r e c t i o n s y s t e mo p e r a t e ss i n g l ya n dr e a l i z e st h en o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o no fc l s l z i t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h en o n u n i f o r m i t yo fc l 5 1 2 jd e c r e a s e sf r o mm o r et h a n4 5 t ol e s st h a n2 i ti ss e e nt h a tt h ec o r r e c t i o ns y s t e mh a ss t a b l ep e r f o r m a n c ea n dc a nb e f l e x i b l yu p d a t e da n de a s i l ye x t e n d e d f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y s e sh o wt o u s et h ec o r r e c t i o ns y s t e mt or e a l i z et h e n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o no fi m a g es e n s o r so fo t h e rt y p ei np r i n c i p l e i i 重庆大学硕十论文 英文摘要 k e y w o r d ：i m a g es e n s o r , n o n u n i f o r m i t y , h d p l d u i 重庆大学硕士论文l 绪论 1 绪论 1 1 图像传感器及其不均匀性问题概述 当前，人类进入信息时代，如何获取各种信息已经成为研究的热点。而人类 获取信息量的8 0 以上，是通过视觉器官得到的。各种图像传感器作为现代视觉 信息获取的一种基础器件，随着半导体集成电路技术的不断进步，有了快速的发 展，已经在民用、军事、天文、医学、工业检测与自动控制等各个领域得到越来 越广泛的应用。 图像传感器作为一种基础器件，其功能是将光学图像信息转换为电信号，即 图像传感器能够将入射到其光敏面上按空间分布的光强信息( 可见光和不可见 光) ，转换为按时序串行输出的电信号一一视频信号。因而，视频信号能再现入射 的光辐射图像【1 1 。 1 9 7 0 年，美国贝尔实验室发明了c c d 图像传感器。自那以后，图像传感器得 到了长足的发展。到目前为止，其类型主要包括c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 和 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 两种，c m o s 也称为自扫描 光电二极管阵列( s e l fs c a n n e dp h o t o d i o d ea r r a y ，简称s s p a ) 。 但是，任何类型的图像传感器，都存在不同程度的不均匀性问题。在理想的 情况下，当图像传感器受均匀光照时，输出的视频信号幅度应该完全相同。但实 际上，由于制作器件的半导体材料不均匀、掩膜误差、缺陷以及工艺条件等客观 因素的影响，必然造成器件中光生电荷扩散长度的差异、光子吸收深度的差异以 及象元光敏面尺寸大小的差异，同时，图像传感器本身也具有非线性特性。在这 些因素的共同影响下，造成图像传感器输出视频信号的幅度并不一致。通常，采 用n u 值来表示图像传感器的不均匀性，其定义如下【1 1 ： nu= 输出最大值一输出最小值 1 0 0 ( 1 1 ) 输出最大值+ 输出最小值 在理想的情况下，n i l 值等于零。n u 值的大小，体现了图像传感器不均匀性 的程度，n u 值越大，不均匀度越大。不均匀性问题直接影响着图像传感器的成像 质量，以及应用范围。例如，在低对比度信号的测量中，如果出现图像信号模糊 不清，必然导致图像传感器失去测量能力。 对于c c d 图像传感器，在既无光注入又无电注入的情况下，也会有输出信号， 这种信号称为暗信号，是由暗电流引起的。产生暗电流的根本原因在于半导体的 重庆大学硕士论文1 绪论 热激发，暗电流受温度的强烈影响，且与光积分时间成正比。暗电流加入到信号 电荷中，形成固定图像噪声，由于工艺和半导体材料的问题，使得每个像元的暗 电流并不一样，于是造成了视频输出信号的不均匀性。 同样，c m o s 芯片普遍受到噪声的影响，使信号沿线路读出时产生歧变，产 生了不均匀性的问题，影响图像质量。噪声来源主要包括： 积分暗漏电流，各光敏单元的暗漏电流不相同。 开关瞬间通过寄生电容耦合进入视频线的固定图形噪声，它与时钟脉冲的 上升和下降时间、电路的布局和设计方案有密切关系。 热动态噪声，c m o s 在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而 过热，容易出现噪点。 并且，由于c m o s 传感器集成度高，光电传感元件与电路之间距离很近，相 互之间的光、电、磁干扰较为严重，噪声对图像质量影响很大，必然也会产生不 均匀性问题。这就是在消费类应用中大部分采用c c d 芯片的原卧“2 1 3 “】。 此外，大多数的光学路径也存在不均匀性的问题，例如，镜头上的尘粒，使 得照射到相应光敏元上的光强变小，输出视频信号幅度变小的不均匀问题现象。 1 2 国内、外研究现状 很长时间以来，一直以c c d 型图像传感器应用最为广泛。例如，数码相机的 感光传感器绝大部分都是采用c c d 型，其各方面性能优良。c c d 技术目前主要掌 握在索尼、佳能、奥林巴斯等几大厂商手中降”。 九十年代以来，随着v l s i 技术的发展和用户对小型化、低功耗和低成本成像 系统的需求，研究c m o s 成为热点。美国、日本等国家均投入巨资开发、研究c m o s 图像传感器，并取得令人满意的成果。同时，发达国家为了保持其领先地位，对 c m o s 图像传感器及其成像系统的研究和开发长期进行资助。例如，m 公司、 美国国防先进研究工程机构和国家科学基金会对开发图像处理器所进行的研究 3 0 1 ；美国国家航空航天管理局的先进概念和工艺处及先进科研工程机构对加州理 工大学发动机喷气实验室的资助，帮助他们开发了各种类型的c m o s 图像传感器 等【3 。 目前，国内从事c m o s 图像传感器的开发单位不多，主要有：西安交通大学、 上海交通大学、重庆大学等。重庆大学是全国主要开展c m o s 图像传感器方面研 究工作的单位之一，在“八五”、“九五吱关项目中完成了3 2 位到1 0 2 4 位的c m o s 线阵列和面阵列图像传感器的研究。相比较而言，研制c c d 图像传感器的单位比 较多，以机电部4 4 所和1 3 所水平较高。但和国外相比，无论是c m o s 还是c c d 图像传感器方面，都相对落后1 1 14 i 。 重庆大学硕士论文1 绪论 图像传感器不均匀性问题，由于直接影响了成像的质量和传感器的应用范围， 所以，进行相应的研究势在必行。 在国外，往往采用提高制造工艺以及先进的相关技术，来减小图像传感器视 频输出信号的不均匀性。到目前为止，在开发图像传感器中所采用的先进的关键 技术主要包括： 相关双取样( c d s ) 电路技术； 微透镜阵列制备技术； 数字信号处理( d s p ) 技术； 抑制噪声电路技术； 亚微米光刻技术； 光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构甚至其它结构等。 例如，c o n e x a n t 公司( 前r o c k w e l l 半导体公司) 生产的一台先进的c m o s 图 像传感器上，每一个像素中部设计并使用了6 个晶体管，使得测量到的读取噪声 只有一个电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给光敏二极管的空间 逐渐减少，为了避免这个比例( 又称填充系数) 的下降，一般都使用了微透镜。 而每个像素中的放大器的阈值电压都有着细小差别，这种固定图形噪声会引起不 均匀性，这种效应在图像传感器的设计和制造工艺的不断改进下，已经得到了显 著弱化f 7 3 1 32 1 。 日本富士( f u j i f i l m ) 公司研发了s u p e rc c d 传感器。这种传感器没有采用 常规正方形二极管，而是采用八边形二极管，像素以蜂窝形式排列，光线集中率 比较高，随之使感光性、信噪比和动态范围都有所提高，相应的也就提高了均匀 性。 相关双取样( c d s ) 电路技术的基本原理是，由传感器引出两路输出，一路 为实时信号，一路为参考信号，通过两信号相减去掉相同的或相关的干扰信号，也 就降低了图像传感器的不均匀度。 在国内，由于国产器件在基础工业上的局限。如果从工艺着手来解决图像传 感器不均匀性问题，就目前的技术而言，不均匀度大于7 ，要进一步改善图像传 感器的均匀性就较为困难了。为解决这一难题，国内科技人员研制出了查表法【8 1 、 程控增益法 2 1 等方法来对图像传感器不均匀性进行校正，并取得了一定的效果。 1 3 问题的提出及研究意义 在国内，尽管采用已经提出的一些校正方法，在改善图像传感器不均匀性上， 取得了一定的效果。但同时，也存在着不足。例如，采用查表法进行不均匀性校 f ，要求存储器容量大，要达到较高的频率指标，每个器件必须有较高的工作频 重庆大学硕士论文 1 绪论 率，电路实现较为困难。相比较而言，采用程控增益法来完成不均匀性校正，克 服了查表法要求存储器容量大的缺点，工作频率也有了提高，电路较为简单【2 1 。但 是，不均匀度最多校正到3 ：而且，照射到图像传感器光敏元上的光照强度受限 在饱和光强值的1 0 到9 0 的范围内，如果超出此范围，图像传感器将得不到有 效的校正。因此，在一些低对比度或者光强在上述限定范围之外的情况下，该校 正方法是不能满足要求的。 同时，各种校正方法的实现电路，只能针对具体某种类型和型号的图像传感 器使用。一旦改变图像传感器，就不得不改变校正电路，重新设计、生产，非常 不方便，也不利于节约成本和进行推广使用。 于是，针对图像传感器存在的不均匀性问题，以及目前采用的校正方法所存 在的优缺点，结合国内图像传感器发展的现状，本文拟对图像传感器的不均匀性 的校正方法作较深入的理论分析研究，并将研究结果采用实验方法加以验证，从 而完成利用数字化方法对图像传感器进行的不均匀性校正的算法实现与电路实 现。从而，为利用图像传感器创造了更好的条件，使图像传感器的应用范围扩大。 所以说，本课题将有很好的应用前景。 1 4 论文研究的主要目的和研究内容 本文研究的主要目的和内容是： 在给定的非线性条件下，理论分析图像传感器光敏元的不均匀性现象，在此 基础上，提出了将图像传感器光电转换特性曲线进行分段线性化处理的方法，以 及不均匀性校正算法。 提出以高密度可编程逻辑器件( h i g hd e n s i t yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 简称h d p l d ) 为核心控制器件，集高速a d 采样、微控制器配置可编程逻辑器件、 d a 转换等功能于一体的数字化不均匀性校正集成系统设计方案。 根据所提出的设计方案，研制出能够对图像传感器进行有效不均匀性校正的 系统硬件平台。 以c i _ 5 1 z i 型c m o s 图像传感器为实验对象，完成不均匀性校正系统的软件 设计与调试。主要包括： ( 1 ) 设计h d p l d 、微控制器程序，实现对c l 5 1 2 j 图像传感器视频输出信号的 采集。 ( 2 ) 通过h d p l d 、微控制器程序与计算机t u r b oc 程序的设计，实现计算机( p c ) 与系统平台的通讯，分析图像传感器视频输出信号，检测不均匀性校正算法所能 达到的校正指标。 ( 3 ) 设计h d p l d 、微控制器程序，使校正系统实现对c l s l 2 j 图像传感器视频 4 重庆大学硕士论文 1 绪论 输出信号的实时不均匀性校正。 从理论上分析如何利用校正系统来实现各种类型图像传感器的不均匀性校 正。 重庆大学硕士论文2 不均匀性校正方案设计及其基本工作原理 2 不均匀性校正方案设计及其基本工作原理 2 1 不均匀性校正原理 由于图像传感器的不均匀性直接体现为，在均匀光照的情况下，传感器的各 个光敏元对应的视频输出电压值不同。从而，图像传感器的不均匀性也就表现为 各个光敏元的光电转换特性曲线不相同。 图像传感器的光电转换特性是指传感器信号电荷与曝光量的关系特性，也常 常表示为视频输出电压与光强的关系特性。当光强达到某一个值h s 后，视频输出 电压就达到最大值，而不再增加( 电压与光强的关系特性呈水平线) 。称h s 为饱 和光强，对应的输出电压为饱和电压【1j 。 对于各种类型的图像传感器，都有一个大致的线性工作区，即在一个特定的 光强范围内，输出电压和光强成正比，光电特性曲线在这个光强变化区域内表现 为一条直线。事实上，这只是对图像传感器光电转换特性的一种近似处理。目前， 已经提出的图像传感器不均匀性校正方法，都以此为前提，因此，不可避免的影 响了校正的效果和范围。 为了尽可能准确的分析图像传感器的输出电压与有关参数的关系，参考文献【4 】 对c m o s 图像传感器的每一位光敏元的光电二极管采用了非线性二阶等效电路模 型来模拟。该文献分析得出，每个光电二极管的光电流与二极管电容初始电压的 关系、输出电压与初始电压的关系都具有明显的非线性特性。但是，输出电压与 光电流的线性特性却相对较好。由于光电流与光强成线性关系，进而输出电压与 光强之间也就具有相对较好的线性特性。而且，光电二极管的p n 结电容c p n 的值 越小，传感器的线性特性越好。一般认为，图像传感器输出视频电压和入射光强 服从抛物线模型。 针对图像传感器光电转换特性曲线所表现出来的非线性特性，本文采用分段 线性函数对光电转换特性曲线进行逼近。显然，与只将光电转换特性曲线当作一 条直线相比，经过分段线性化处理后的光电转换特性曲线能够更准确的反映图像 传感器的实际情况。从而，图像传感器的不均匀性也就表现为各光敏元光电转换 逼近直线段斜率以及偏置系数不一致。 在采用分段线性化处理时，分段越多，就能够越准确的反映图像传感器实际 光电转换特性，但实现起来也越困难。同时，图像传感器在光强较弱和接近饱和 时，线性最差。为此，本文采用了将光电转换特性曲线分成五段线性化的处理方 法，即将整个光强从0 到h s 的范围划分成五个光强区域：0 1 0 h s 、1 0 h s 3 0 h s 、3 0 h s 7 0 h s 、7 0 h s 9 0 h s 和9 0 h s h s ，每个光强区域内用一 重庆大学硕士论文2 不均匀性校正方案设计及其基本一作原理 条直线来逼近光电转换特性曲线。 在认为采用分段线性化模型能够精确表示图像传感器光电转换特性的基础 上，本文提出了数字化的算法，通过斜率和偏置系数的校正，使得所有的光敏元 在同样的光强下，有相同的视频输出信号电压值，使各光敏元的光电转换特性曲 线相同，从而有效的改善传感器的不均匀度。 例如，图像传感器中任意两个光敏元a 和b ，当光强h 在( 舯，h 1 ) 范围内 变化时，其光电转换曲线的逼近直线段如图2 1 所示。 图2 1 光电转换特性 f i g u r e2 1c h a r a c t e r i s t i co f p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n 则光敏元a 的逼近直线可表示为： u a = l ( a h + ( u a o l ( a x 1 0 ) = k x h + p 。 h ( h o ，h i ) ( 2 1 ) 其中： 磁：逼近直线的斜率，如= ( u 。1 - - u 。o ) ( h l h o ) ； p 。：逼近直线的偏置常数，p 。= u a o 一磁h o 。 同理，有光敏元b 的逼近直线可表示为： u b = k b xh + ( u b 0 - - k b x h o ) = k b x h4 - p b ( 2 2 ) 可见，图像传感器光敏元的不均匀性，即相同的光强h 下，u 。u b ，表现为各 光电转换逼近直线斜率ki 和偏置常数pi ( j = a 或b ) 不同。为了达到校正目的， 使所有的光敏元在相同光强的情况下，有相同的输出信号电压值，分别对斜率l ( i 和偏置常数p i 按公式( 2 _ 3 ) 、( 2 4 ) 进行校正处理。 gi = k k i = k x ( h l h o ) ( u 。l u 扣)( 2 3 ) c i = m - - u i oxg i ( 2 4 ) 其中： g i ：为光敏元i 的斜率校正系数； c i ：为光敏元i 的偏置校正系数； k 、m ：常数，针对不同的传感器，通过实验来选择合适值。 重庆大学硕士论文 2 不均匀性校正方案漫计及其基本工作原理 最后，通过公式( 2 5 ) 对视频输出电压进行不均匀性校正。 uc i = u i g i + c i ( 2 5 ) 其中： u i ：为光敏元i 视频输出电压： ud ：为光敏元i 校正后的视频电压值。 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入( 2 5 ) ，有： u 。i = k x ( h h o ) + m ( 2 6 ) 可见，因为k 、m 和h o 均为常数，经过校正处理后，在同一光强的照射下， 两个光敏元都有相同的视频输出电压，并且，视频输出电压值与光强大小成一一 对应的线性关系。 由于，本文对光电转换曲线分成五段进行线性化处理，则对于光敏元i ，五个 区域的斜率校正系数公式分别为： g i l = k x ( 0 1 h s 一0 ) ( u j l u i o ) = k x 0 1 h s u i l ( 2 7 ) g i 2 m - k x ( 0 3 h s o 1 h s ) ( u j 2 一u i l ) = k x0 2 h s u i 2 ( 2 8 ) gi 3 = k x ( o 7 h s o 3 h s ) ( u i j u 吐) = k xo 4 h s u i 3( 2 9 ) gi 4 = k x ( 0 9 h s o 7 h s ) ( u i 4 一u i 3 ) = k x0 2 h s u i 4( 2 1 0 ) gi s = k x ( h s o 9 h s ) ( u i s - - u i 4 ) = k x0 1 h s u i5 ( 2 1 1 ) 其中： g i j ：光敏元i 在五个区域内的斜率校正系数，j = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ； u i i ：光敏元i 在五个区域的六个边界点处的视频输出电压值，产0 ，1 ，2 ， 3 ，4 ，5 ： k ：常数，各个区域采用了相同的k 值。 各个区域相应的偏置校正系数公式为： c i j = m j - - u i 0 - 1 ) g 日 ( 2 1 2 ) 其中： c i j ：光敏元i 在五个区域内的偏置校正系数，j = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ； m j ：常数，j = l ，2 ，3 ，4 ，5 am i 的值通过实验来选择，其它m i 的值 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知，分别等于光强为0 1 h s 、0 3 h s 、0 7 h s 、0 9 h s 时，校 正后的视频电压值。从而保证了光电转换曲线分段线性化后的连续性。 同理，对有n 个光敏元的图像传感器，分别对每个光敏元按照式( 2 7 ) ( 2 1 2 ) 求取出对应的斜率和偏置校正系数。然后，通过式( 2 5 ) 对视频输出电压进行不 均匀性校正，就能够使所有的光敏元有相同的输出信号电压值。 重庆大学硕士论文 2 不均匀性校正方案设计及其基本j 二作原理 2 2 方案设计 根据图像传感器不均匀性校正的原理，全盘综合考虑系统功能的实现，对校 正系统提出如下要求： 能够对图像传感器视频输出电压进行预处理( 放大、范围调整等) ； 能够实现图像传感器视频输出电压实时a d 采样； 能够与计算机进行通讯； 能够完成实时校正，并由d 慷转换输出； 通过校正，使图像传感器的不均匀度降到2 以下； 实现对不同类型、型号图像传感器的不均匀性校正； 具有保护功能。在系统运行故障或死机时提供系统复位。 根据上面的要求，本文提出了图像传感器不均匀性校正系统设计方案，其总 体框架如图2 2 所示。 图2 2 校正系统框架图 f i g u r e2 2b l o c kd i a g r a mo fc o r r e c t i o ns y s t e m ss t r u c t u r e 号 出 图像传感器不均匀性校正系统采用a l t e r a 公司的高密度可编程逻辑器件 ( h d p l d ) a c e x 系列芯片a c e x i k l 0 0 作为控制核心。a c e x l k l 0 0 的主要功 能包括：控制高速a d 转换器实现对图像传感器输出视频电压信号的采样：实现 将采样得到的视频数据经微控制器传送给计算机；实现不均匀性校正算法，对视 频输出信号进行不均匀性校正：控制d a 转换器将校正后的数字信号转换成模拟 信号输出。 微控制器利用其串口实现与计算机的通讯。并且，在校正系统进行不均匀性 校正工作前，控制完成对校正系统的初始化配置。 校正系统中的信号调理单元，一方面，实现对图像传感器视频输出信号的预 处理，将信号调整到a d 转换器高效工作的采样电压范围内；另一方面，将d a 转换器输出的经过校正的视频信号，调理为一个合适的电压信号输出。 9 重庆大学硕士论文 2 不均匀性校正方案设计及其基本l 作原理 多电压电源模块则提供校正系统中各种不同器件所需的工作和参考电压。 2 3 校正系统基本工作原理 在对图像传感器不均匀性实现校正的过程中，校正系统的工作分成两个阶段： 采集图像传感器视频输出信号，利用计算机，实现数字化不均匀性校正算 法，分析不均匀性校正性能指标。 首先，在选定的光强下，校正系统接收来自图像传感器的工作信号以及反映 光强信息的视频输出信号，并利用系统的信号调理单元对视频输出信号进行预处 理，调整信号的幅度和变化的范围。同时，在h d p l d 控制下，由高速a d 转换 器对调整后的视频电压信号进行采样，并将采样得到的数字信号经h p p l d 传送到 微控制器中暂存。当完成了对图像传感器一个扫描周期信号的采样之后，将采样 数据通过微控制器的串口发送给计算机，以文件的形式进行保存。 然后，按照图像传感器光电转换曲线分段线性化的分段区域，调整光源，改 变光强的大小，对各个区域边界点光强下的视频输出信号分别进行采样、保存。 接着，依据图像传感器不均匀性校正原理，在计算机上，求取图像传感器所 有光敏元每一段光强区域的斜率和偏置校正系数。 最后，利用获取的斜率和偏置校正系数，对其它光强下采样得到的信号数据 进行不均匀性校正，分析不均匀性校正性能指标。 校正系统独自完成图像传感器的实时不均匀性校正。 设计校正系统的最终目的就是使该系统能够独自有效的实现各种类型图像传 感器的不均匀性校正。 当系统上电时，由微控制器实现对校正系统的初始化配置，包括将保存在 f l a s h 存储器中的h d p l d 配置文件写入到h d p l d 中，以及将保存在微控制器 内部存储器中预先获取的斜率和偏置校正系数写入静态存储器s r a m 。 完成初始化配置后，在h d p l d 控制下，高速a d 转换器对经过凋理单元调 整后的视频信号进行采样，同时，h d p l d 从s r a m 的相应单元中读出斜率和偏置 校正系数，并且由h d p l d 实现校正算法，完成对各个视频信号的不均匀性校正。 校正后的数字信号，由d a 转换器实时转换成模拟信号，并经过调理单元进行处 理后输出。 2 4c l 5 1 2 j 型c m o s 图像传感器及其工作波形 为了能够检验不均匀性校正算法的有效性，检测校正系统所能达到的校正性 能指标，系统必须针对实际的图像传感器进行相应的校正实验。重庆大学是国内 主要研制c m o s 图像传感器的单位之一，因此，校正系统以重庆大学自行研制的 重庆大学硕士论文2 不均匀性校正方案设计及其基本工作原理 c l 5 1 z i 型c m o s 图像传感器作为对象，进行相应的实验。并在最后，从理论上分 析系统如何实现其它类型图像传感器的不均匀性校正。 c l 5 1 2 j 图像传感器的工作波形如图2 3 所示。 s 厂一 凹广 厂 厂 厂 厂 八 cl512。 厂 厂 厂 厂 几 图2 3c l 5 1 2 1 工作波形 f i g u r e2 3w o r k i n gw a v eo fc l 5 1 2 j 其工作频率( 内时钟信号c p 的频率) 最高可达3 0 0 k hz ，具体的工作频率值 可以通过图像传感器驱动电路上的电位器进行调节。在实验中，工作频率调整为 1 0 0 k h z ( 周期t ：1 0 9 s ) ，占空比达5 7 。 传感器以起始脉冲s 信号( 低电平有效) 表示每一次扫描输出的开始。光敏 元的视频输出电压v o 与时钟信号c p 同步，在c p 的上升沿时刻开始输出，经过 短暂的上升时间后，稳定下来；在时钟信号c p 为低电平时，输出电压变为0 。 重庆人学硕士论文3 校正系统的硬件殴讦 3 校正系统的硬件设计 本章主要论述不均匀性校正系统的硬件电路设计。为了更好的实现系统的功 能和指标，硬件电路的设计将遵循以下三条原则： 采用硬件设计与软件设计相结合的方法，优化硬件电路。尽管采用软件来 实现硬件的功能时，响应时间会比使用硬件时长，而且还需要占用微控制器( m c u ) 时间。但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性，同 时还可以降低成本。因此，在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前 提下，尽可能地将硬件功能用软件来实现。 可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系 统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路扳 上受干扰的可能性也就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下力争 使用较少数量的芯片。同时，在设计中，需要考虑当系统不能正常工作的最坏情 况下，能够让系统尽快重新恢复运行。 灵活的功能扩展。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。一 次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升 级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件 甚至不修改硬件裁能完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下， 能够通过修改软件程序，完成功能的改变和扩展u “。 根据第二章中提出的系统设计方案，结合以上三条原则，确定了系统硬件的设 计。校正系统主要由如下一些功能单元构成。 3 1 高速a d 采样单元 刖d 转换器( a d c ) 是模拟信号源与计算机或其它数字系统之问联系 的桥梁。它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机 或数字系统进行处理、存储、控制和显示等。在工业控制、数据采集等许 多领域中，a d 转换器是不可缺少的重要组成部分。 由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的a d 转换器。 a d 转换器主要有以下各种类型：逐位比较型、积分型及计数型、并行比 较型、电压一频率型等。在选用a d 转换器时，主要应根据使用场合的具 体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素来决定选 择何种类型。对大多数应用来说，采样速率应是a d 转换器输入信号最高 重庆犬学硕士论文3 校上e 系统的硬件蛙计 频率的3 4 倍。 t l v 5 5 8 0 是德州仪器公司( t i ) 生产的一种8 位单极性8 0 m s p s ( m e g a s a m p l i n gp e rs e c o n d ) 高速a d 转换器。 其主要特性包括： 6 3 8 位分辨率8 0 m s p s 采样并行a d c ； 低功耗：1 6 5 r o w ( 典型值，使用外部基准) ； 宽模拟输入带宽：7 0 0 m h z ( 典型值) ； 3 3 v 单电源： 数字i o 与3 3 vt t l c m o s 兼容； 片内基准为3 3 v ，片外部基准0 3 3 v 可选。 芯片能够以最高8 0 m h z 的采样速率将模拟信号转换成8 位二进制数 据。并且，由于采用3 3 v 电源和c m o s 工艺改进的单管线结构，功耗低。 更为重要的是，该芯片的参考电压基准使用非常灵活可以分别采用片内 和片外部基准。在使用外部基准时，可以关闭内部基准，降低芯片功耗。 由于不同类型图像传感器的工作频率，即图像传感器的视频信号串行 输出的频率，从数k h z 到数十m h z ，甚至同一型号的传感器，其工作频 率也能够在较宽的范围内加以选择。并且，校正系统的设计目的之一是 系统能够针对不同类型的图像传感器进行不均匀性校正工作。所以，选择 采用t l v 5 5 8 0 来构成高速采样单元，完全能满足校正系统的需要。 高速a d 采样单元硬件电路原理图，如图3 1 所示。 d ，w “ v ” 2 ，吼 di l g i g d 曼皂趟一； d 0a 卅d 2 mi i dlnf j jl 口4 瞄口 0 2c h l d 】l p l n j c o i t l k l g mw x a d 1 】 c ，8 a d j 0 43，cnd1 0 4 d 巩 d s- , 4n m 口m m o ，口 d e i t f - f i b 0 ie f 阼rc 6 n i l c n o d 7 咎e 九1 嚣器蕊“叫h i 笋 d * 啡磐雎盯o d ，； 、抽 l86kdc , 5 2 c l i r _q o 7l i c n d - 氍鼍播c o t w j 露磐= u _ 鼻鼎乳 - 盘 d v 砒s t b y 图3 1t l v 5 5 8 0 采样电路 f i g u r e3 1s a m p l i n gc i r c u i to ft l v 5 5 8 0 由于t l v 5 5 8 0 片内基准为3 3 v ，是一个固定值。为了提高采洋单元 的灵活性，在本系统采样单元的使用中，采用了外部基准。因此，殴计了 一个精密电压源( c w l 4 0 3 ) ，其输出电压( v o i ) 为2 5 v ，经过可变电阻r 2 0 重庆大学硕士论文 3 校正系统的硬件设计 分压后，连接到t l v 5 5 8 0 的顶部参考电压输入脚r e f t i 处，为t l v 5 5 8 0 提供参考输入电压。所以，t l v 5 5 8 0 的最大采样范围为0 v 到+ 2 5 v ，具 体采样范围通过调节r 2 0 加以选择。 图像传感器的视频输出信号经信号调理单元处理后送到t l v 5 5 8 0 的 2 6 脚( a i n ) ，由t l v 5 5 8 0 完成信号的采样工作。采样得到的数字信号， 从t l v 5 5 8 0 的d 0 d 7 端输出，传送给高密度可编程逻辑器件( h d p l d ) ， 由h d p l d 进行下一步的处理。 t l v 5 5 8 0 转换时序如图3 2 所示。 图3 2t l v 5 5 8 0 转换时序图 f i g u r e3 2c o n v e r s i o nt i m i n go ft l v 5 5 8 0 根据时序图，可以清楚、准确的把握t l v 5 5 8 0 对输入模拟信号的转换 过程。o e 是输出使能信号，控制是否将转换好的数字信号输出到t l v 5 5 8 0 的d 0 d 7 端，当使能信号有效时( o e = 0 ) ，允许数字信号在d 0 d 7 端输出；否则，不允许输出，d 0 d 7 端为高阻态。t l v 5 5 8 0 在时钟信 号c l k ( 由芯片的1 2 脚引入) 的上升沿时刻，将模拟信号读入，如果输 出使能信号有效，在c l k 时钟信号的4 5 个周期后的下降沿时刻，对应的 数字信号由d o t d 7 端输出。 在本系统中，t l v 5 5 8 0 的c l k 时钟信号和o e 输出使能信号均由 h d p l d 提供，即校正系统由h d p l d 控制a d 转换器t l v 5 5 8 0 完成对图 像传感器视频输出信号的采样工作。 1 4 重庆人学硕士论文3 校正系统的硬件设计 3 2d a 转换单元 校正系统采用德州仪器公司( t i ) 的t l 5 6 3 2 c 芯片构成了d a 转换 单元，完成将数字信号转换为模拟信号的工作。 该芯片的主要特性包括： 8 位分辨率的d a 转换器( d a c ) ； 转换输出模拟信号的频率最高可以达到6 0 m h z ； 内部带有高稳定的参考电源输出； 模拟输出幅值范围为：+ 3 9 8 v + 5 v ： 三通道( 通道r 、g 和b ) d a c ，即可以同时输出三路模拟信号。 d a 转换单元电路如图3 1 3 所示。 r t ，i 1 图3 3d a 转换电路 f i g u r e3 3d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r s i o nc i r c u i t t l 5 6 3 2 c 转换时序如图3 4 所示。 在系统进行不均匀性校正的过程中，h d p l d 将经过校正处理后的视 频数字电压信号送到t l 5 6 3 2 c 芯片r 通道的数字信号输入端r 1 r 7 ，同 时，h d p l d 还提供r 通道的时钟信号c l k r ( 由芯片的2 8 脚引入) 。在 c l k r 时钟信号的上升沿时刻，t l 5 6 3 2 c 将数字信号读入，经过t p l h 时间 后，由芯片的4 0 脚r o u t 将相应的模拟信号输出。芯片转换得到的模拟 信号，送到调理单元进行下一步处理。 重庆