光纤锥耦合CCD相机图像的平场校正方法

2020-02-12 来源：星星旅游

　第16卷　第11期　2004年11月

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.16,No.11　

Nov.,2004　

文章编号:　100124322(2004)1121361204

光纤锥耦合CCD相机图像的平场校正方法

江孝国,　祁双喜,　王婉丽,　王　伟

(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900)

　　摘　要:　对于光纤锥或光纤面板耦合的CCD相机所获图像中存在的响应非均性问题进行了阐述,分析了

CCD相机输出信号的构成情况和图像传递间的响应关系,并给出了相应的表达式。利用平场校正方法对存在较

严重非均性的图像进行了处理,处理过程分为三步:首先获取系统的暗本底图像(包括了暗电流及系统偏置),所选择的积分时间与被用来校正的图像的积分时间相同;其次,获取均匀光场的图像,并将其作为平场校正的参考图像;最后扣除本底,用相对标定的方法对图像进行校正,从而获得图像各像素响应率的相对标定系数,再用它对原始图像进行平场校正即可获得很好的结果。校正后的图像更清晰,噪声更小,很多细节都能在灰度图像中直接看出,经过边界处理和伪彩显示后可清晰地看到小于0.1mm的细缝,达到了图像精密处理的效果。　　关键词:　光纤锥;　响应非均性;　固定花样噪声;　平场校正;　CCD相机　　中图分类号:　O439;TN386.5　　　　文献标识码:　A

　　高性能的科学CCD相机由于其低噪声、量子效率高、动态范围大等优点已广泛用于科研生产中。但是,实际的CCD相机在光敏元的响应、噪声水平、量子效率等方面存在差异,相同的条件下各个光敏元将产生不同的光电子数,所对应的输出信号也不一致,这种现象称为响应的非均性(photo2responsenon2uniformity),简称PR2NU[1]。对于阵列探测器而言,响应非均性的现象总是存在的;如果系统中采用了光纤面板或光纤锥、镜头等耦合器件,则系统表现出来的响应非均性更严重。响应的非均性实际上可以看作是由成像系统像面上的像元间(包括相应路径上)的响应失配引起的。平场校正可以有效地消除这些差别,使输出图像完全反映所拍摄的真实图像。本文根据所述系统的组成分析了系统输出信号的成份及其响应规律,表明只有在线性响应关系下才能使用平场校正方法;并以该系统为例,阐述了平场校正方法的具体步骤,给出了校正前后的图像。

1　光纤锥或光纤面板耦合的CCD相机结构

　　图1是X射线CCD相机典型的光学传输结构,其中X光转换屏是光纤面板结构的发光玻璃转换器,厚度为5mm,X光在其体内被吸收并被转换为可见光,沿纤维方向传播到光纤锥的入射端面。利用光纤锥所具有的较高能量耦合效率将可见光图像高效地传输到CCD光敏面上,并完成图像面积的变换,获得分辨率未受严重影响(视光纤的直径而定)的图像,最后由系统输出已数值化的图像。

Fig.1　TypicalstructureoffibercoupledX2rayCCDcamera

2　图像传递中的响应关系

2.1　X光转换器

图1　光纤耦合的X射线CCD相机典型结构

　　在X光转换器中,材料对X光的响应是线性的,与材料种类、厚度、光纤端面积、X光光子能量有关,可以

简单地表示为[2]

(1)Sx(x,y)=ηx(x,y)Xi(x,y)式中:Sx(x,y)为(x,y)处的单根发光光纤的输出光信号,表示在X光的激发下单根光纤输出的光子数;ηx(x,

y)为(x,y)处单根发光光纤对X光照射量的响应效率,它已经综合了光纤的端面积、长度及X光能量的影响,表示每C・kg-1的照射量所产生的光子数;Xi(x,y)为(x,y)处入射X光的照射量,单位为C・kg-1。由于发

X收稿日期:2004203213;　　修订日期:2004205218

基金项目:国防科技基础研究基金资助课题

),男,硕士,副研究员,主要从事CCD测量系统设计及应用、作者简介:江孝国(1968—图像信号处理技术的研究工作;E2mail:J-xg-caep@so2

hu.com。

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光材料及光纤端面积的差异而导致ηx(x,y)明显地不同,并且由于光纤排列的原因,X光转换器内ηx(x,y)并

不一致,存在一定的分布,甚至相邻两根发光光纤的ηx(x,y)值可能相差很大。2.2　耦合光纤锥

　　耦合光纤锥传输可见光图像时,可以用传输效率、透射率或耦合效率来描述其传输光能的性能[3],在此以耦合效率χ如上所述,相邻两根传输光纤的耦合效率可能完全不同。对于一幅图像的传输而言,光o来表示。纤锥的输出可以描述为

′

So(x,y)=χo(x,y)Sx(x,y)

(2)

′

式中:So(x,y)为光纤锥(x,y)处光纤的输出光信号;χo(x,y)为光纤锥(x,y)处光纤的耦合效率;Sx(x,y)为光纤锥(x,y)处入射的光信号,它与X光转换器(x,y)处发光光纤输出的光信号的关系为

′

(3)Sx(x,y)=χx-o(x,y)Sx(x,y)

式中:χx-o(x,y)为X光转换器与光纤锥间的耦合效率,与光纤端面的对齐情况、间隙大小和折射率匹配的程度有关。

2.3　CCD相机响应

　　对于CCD而言,它对照射到其光敏面上的可见光的响应是线性关系[4],可以表示为

′

PCCD(x,y)=ηqe(x,y)So(x,y)关;S′x(x,y)为入射可见光信号,它与光纤锥输出信号间的关系为

S′x(x,y)=χo-CCD(x,y)So(x,y)

(4)

式中:PCCD(x,y)为CCD对输入光信号产生的光电子数;ηqe(x,y)为CCD响应的量子效率,与入射光波长有

(5)

式中:χ端面间隙大小和折射率匹配的程度有o-CCD(x,y)为光纤锥与CCD间的耦合效率,与端面的对齐情况、关。

　　CCD相机的灰度输出图像信号GCCD(x,y)可以表示为

GCCD(x,y)=K[PCCD(x,y)+i((x,y)t]+Goff

(6)

式中:K表示CCD相机中的模数转换关系,可以看作常数;i(x,y)为CCD在工作时的暗电流,若以像元进行考

虑,单位可以用电子数/(秒・像元)来表示;t为CCD拍摄一帧图像的时间;Goff是CCD相机的偏置,为常数。　　综合(1)～(6)式,CCD相机输出的灰度图像可表示为

ηqeχGCCD(x,y)=Ko-CCDχoχx-oηxXi+Ki(x,y)t+Goff=

η(x,y)Xi(x,y)+Ki(x,y)t+Goff

(7)

式(7)是一个准确描述CCD光敏面响应分布的表达式,由于系统结构固定不变,右边的第一项的系数可以用一

个与(x,y)相关的单一系数η(x,y)表示,该系数实际上就代表了每个像元的响应特性。在使用了发光光纤及光纤锥作耦合后,系统光敏面各像元间的响应就可能存在较大的差异了。

3　平场校正方法

　　在式(7)中的Ki(x,y)t项与暗电流相关,而暗电流与CCD光敏元本身的性能有关,具有位置固定的特性,称之为CCD的固定花样噪声(fixedpatternnoise,简称FPN)[1,5],这是一种基线噪声,可以通过减法来消除,而减法同时也可以消除偏置项Goff。因此,作平场校正的第一步就需要获得系统的暗本底图像Gb(x,y),且所选择的曝光时间要与被用来校正的图像G(x,y)的曝光时间相同,暗本底图像Gb(x,y)可表示为

Gb(x,y)=Ki(x,y)t+Goff

(8)

　　第二步很关键:通过对均匀光场的成像来获得一幅要用于平场校正的参考图像Gr(x,y),该图像原则上要求用均匀光场进行照明且曝光时间与暗本底图像Gb(x,y)的曝光时间相同,参考图像Gr(x,y)可表示为

Gr(x,y)=η(x,y)X0+Ki(x,y)t+Goff

(9)

由于采用了平场光照明,入射光场的照射量Xi完全相等,如果各像素响应率η(x,y)相同,则各像素输出灰度的Gr也应该相等。但实际情况中各像素的η(x,y)不可能都相等,故Gr不全相同,这正好反映出各像素响应率的不同,对其进行标定就可以确定各像素的响应率。如果能精确测量Xi,也可以将η(x,y)的绝对值标定出来,最终也能对图像进行校正。实际上这项操作存在较大的困难,所以采用了相对标定的方法———平场校正

第11期　　　　　　　　　　江孝国等:光纤锥耦合CCD相机图像的平场校正方法1363

法,该方法的优点在于无需准确知道入射光场的照射量,只要求光照水平尽量高且光场均匀以减小信号涨落引发的问题。用式(9)减式(8)可得

η(x,y)=[Gr(x,y)-Gb(x,y)]/Xi(10)这样就获得了对应于每一个像素响应率的数据,相当于对CCD所有的像素建立了一个响应率的数据表,就目

前而言还不必知道Xi的值。　　第三步就可以进行图像的校正了。按上述要求,被用于校正的图像G(x,y)表示为

(11)G(x,y)=η(x,y)X(x,y)+Ki(x,y)t+Goff显然,当系统是线性响应的时候(η(x,y)是一常数),由式(11)减去式(8)并结合式(10)可得

X(x,y)/Xi=[G(x,y)-Gb(x,y)]/[Gr(x,y)-Gb(x,y)]

(12)

式(12)表示的是一幅经过平场校正后的相对值图像,它并不对图像处理产生不良影响。当系统的偏置和暗电

流都很小时(即Gb(x,y)nGr(x,y)和G(x,y)),在要求不是很高的情况下,可以直接用图像数据点对点地除以参考图像数据,也能得到一定效果的校正。如果系统的偏置和暗电流都较大,在校正时就必须考虑系统的偏置和暗电流的影响。在精密的图像处理中,还是应该严格地按照上述三个步骤进行。

4　实验结果

　　采用上述方法对实际系统进行了图像校正,实验获得了成功。通过调节软X光机与X射线CCD相机的距离,在相机处小的照射场内可以产生比较均匀的入射光场。图2是获得的用于平场校正的参考X光图像及穿过参考图像中间位置的剖线数据,可以看出像元响应的严重非均性及相对固定的位置关系。图3是用铜和铁做成的台阶的原始X光图像及其边界的检测图(用Sobel算子计算),该图像的噪声明显偏大,而且像元响应的严重非均性已经明显地影响了图像处理的效果,该图像无论如何处理都无法获得所需的详细信息,并且对一些相对明显的边界的处理效果也不好。经过平场校正后的图像如图4所示,相对于未作平场校正的原始图像而言,该图像要清晰得多,噪声也要小很多,很多细节都能在灰度图像中直接看出,经过边界处理和伪彩显示后则可清晰地看到小于0.1mm的细缝。

Fig.2　ImageforcorrectionanditsdatacrossthemiddleFig.3　Originalimageanditsedgeenhancedimage

图2　用于校正的参考图像及中心区域剖线图图3　原始图像及边界处理图像

Fig.4　Flat2fieldcorrectedimageanditsedgeenhancedimage

图4　平场校正图像及边界处理图像

　　本系统中引起响应非均性分布的主要环节是X光转换器和光纤锥,而CCD像素本身的响应非均性并不很严重。

5　结束语

　　由光纤面板或光纤锥器件与CCD构成高效率的探测系统时,由于各光纤的性能存在较大差异或响应的不

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一致,使输出信号也出现较大的差异,对图像产生了严重的不良影响,需对图像作平场校正。同时,能够进行图

像平场校正的系统必须是线性响应的,这是前提条件。当这种不一致的响应分布是固定的时,就可以采用平场校正的方法来得到响应一致的校正图像。图像的平场校正是在作精密图像处理时必须进行的一项工作,是消除图像各点响应不一致的较好方法。参考文献:

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Flat2field2correctionmethodforimagetaken

byafiberoptictapercoupledCCDcamera

JIANGXiao2guo,　QIShuang2xi,　WANGWan2li,　WANGWei

(InstitudeofFluidPhysics,CAEP,P.O.Box9192106,Mianyang621900,China)

　　Abstract:　ImagetakenbyafiberoptictapercoupledCCDcamerasystemcharacterizesthegreatdifferenceamongitspixelsresponsivity.

Thisdifferencewillobviouslydegradesimagequalityandmakesitdifficultytogetaclearimage.Theflatfieldcorrectionmethodespeciallyforthesystemmentionedaboveisaveryusefulmethodtogetabetterclearimage.Theflatfieldcorrectionmethodincludesthreesteps:1.Ablackback2groundimageisfirstlyobtainedfromsuchasystemunderthecertaintemperatureandintegrationtime;2.Theimagewhichwillbetreatedasaref2erenceimageforflatfieldcorrectionshouldbetakenunderuniformityirradiationaspossibleandthesametemperatureandintegrationtime;3.Sub2tractingtheblackbackgroundimagefromthereferenceimagewillobtainanimportantlookuptableimageandcancalibrateeachpixelsresponsivitytogetaclearimage.Inourworks,someimageswithverybigPRNUproblemareprocessedbytheflatfieldcorrectionmethodandthegoodresultcanbeobtained.

　　Keywords:　Fiberoptictaper;　Photo2responsenon2uniformity;　Fixedpatternnoise;　Flat2fieldcorrection;　CCDcamera

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