带有饱和像素的CCD图像拖尾修正算法研究
2014-12-31黄煜
黄煜
摘要：该文分析了CCD像元饱和对帧转移CCD拖尾修正算法的影响，分析表明残余拖影误差与饱和像元位置的关系。并提出了一种利用CCD的虚拟参考行可计算出残余拖影误差的修正算法，该算法可有效修正带有饱和像素的图像拖影影响。
关键词：CCD；像素；拖尾
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号：1009-3044（2014）35-8520-01
帧转移CCD的拖影现象是指CCD完成一次曝光后，电荷由成像区向存储区转移时，由于成像区仍然接收光照，导致一部分未进入存储区的像元电荷会继续积累电荷。因而像元电荷在转移过程中收到污染，形成拖影，也称smear现象[1～3]。由于拖尾增量与帧转移时间与曝光时间的比值成正比，所以增大曝光时间可减弱拖影现象。但曝光时间由探测信号水平决定，不能无限增大。一些CCD制造商通过改变CCD驱动结构来抑制拖影现象，但不能从根本上消除拖影影响。此外，通过增加快门理论上可消除拖影影响，但需加硬件，系统可靠性降低。因此目前消除拖尾现象最好的方法是通过修正算法后续对图像进行处理。
1 拖影现象修正算法
Wim Ruyten在其文献[4]中，推导了帧转移CCD拖影问题修正的迭代算法。该算法的修正公式为：
[S（x，y）=I（x，y）+ak=1x-1I（k，y）]（x，y=1，2，…N） （1）
其中S（x，y）是指像元点（x，y）处受拖影影响的信号值；I（x，y） 是指像元点（x，y）的真实信号值；a等于每个像元转移时间与曝光时间的比值；x方向是帧转移方向。
为了求解上述方程中各像元的真实信号I（x，y），引入一个新的变量T（x，y），将（1）式写为：
[I（x，y）=S（x，y）-aT（x-1，y）] （2）
其中：
[T（x，y）=k=1xI（k，y）] （3）
由上面两式可得：
[T（x，y）=T（x-1，y）+I（x，y）] （4）
利用（2）式和（4）式进行迭代，CCD图像第1列（x=1）不受拖影影响，所以T（0，y）=0。然后依次迭代，计算像素x=2，3…N时的真实信号I（x，y）。
2 带有饱和像元的图像拖影修正算法
上述算法推导的前提是CCD输出图像经过了暗信号修正、非线性修正以及各像元均无饱和。当CCD输出图像中出现饱和像元时，上述修正算法并不能完全消除拖影的影响。，拖影实际上是由照射到CCD面上的实际光信号决定的。当图像中某像元饱和时，此像元的输出信号不能表征照射到该像元的实际光强信号，而是比实际光强信号偏小。而上述拖影修正算法是基于CCD输出图像信号计算拖影信号的，因而此时计算得到的拖影信号偏小。为了能有效的消除拖影影响，必须将CCD饱和像元的信号修复到真实信号。
当CCD输出像元信号超出数模转换的最大值时，该像元出现饱和现象。上述消除拖影算法并不能完全消除拖影影响，而是有一定的误差，即残余拖影。残余拖影误差可由图1表示：
由上图可知，在饱和像元之前，上述拖影修正算法可得到修正拖影影响，得到真实信号。在饱和像元处，修正该像元之前拖影影响后的信号比真实信号小，设误差为-Δ。根据（2）式，在饱和像元后的第一个像元处的误差为aΔ。同理，在之后的像元的误差为：
[E（n）=aΔ（1-a）n] （5）
由于大多数CCD带有虚拟参考行，虚拟参考行在CCD曝光时是不受光照的，所以虚拟参考行中像元的信号即为该行的拖尾信号，利用拖影修正算法修正后的信号就是该行的残留拖影误差。利用公式（5），即可计算出饱和像元的误差Δ，进而对饱和像元之后像元进行残余拖影修正，即可得到饱和像元之后像元的真实信号。
3 总结
当拖影修正算法用于带有饱和像元的CCD图像时，修正后的图像中在饱和像元之后的像元信号中会存在残余拖影误差。通过对残余拖影误差进行推导及利用CCD的虚拟参考行可计算出残余拖影误差，进而进行修正，即还原到CCD图像的真实信号。
参考文献：
[1] 张宇，张立国，张星祥.行间转移大面阵CCD相机的smear噪声实时去除[J].光学精密工程， 2013， 21（9）：2388-2394.
[2] 傅平.CCD图像传感器拖尾的研究[J].压电与声光，2004，26（1）：72-75.
[3] Young Seokhan，Euncheol Choi，Moon Gikang，et al.Smear Removal Algorithm Using the Optical Black Region for CCD Imaging Sensors[J]. IEEE，2009，3063（09）：2287-2293.
[4] Ruyten，Wim.Smear correction for frame transfer charge-coupled-devise cameras[J].Optics Letters，1999，24（13）：878-880.
