CN105872318B - 一种可增强ccd相机调制传递函数的方法及电路 - Google Patents
一种可增强ccd相机调制传递函数的方法及电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种可增强CCD相机调制传递函数的方法及电路。本发明的方法包括以下步骤：1.去除无效信号：去除原始CCD信号中的复位脉冲，同时将原始CCD信号离散化；2.有效信号放大：将经步骤1处理后的CCD信号输入品质因数Q>0.5的低通滤波器进行放大，同时CCD信号会产生多组振铃，且每组振铃的第一个振铃与输入滤波器的CCD信号振幅线性相关；3.AD量化：调整AD转换电路中AD量化芯片的采样保持点，使其落所述第一个振铃的极值点处，则获得的AD量化值较之原始CCD信号有一定的放大，在CCD相机的图像上表现为调制传递函数获得一定的增强。本发明电路结构原理简单、成本低、通用性强，对调制传递函数的增强完全可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种CCD相机指标的控制方法，尤其涉及相机调制传递函数调整的方法及电路。
背景技术
CCD相机主要由光学机械部件、CCD、驱动电路和信号处理电路组成。成像目标通过光学机械部件成像在CCD的光敏面上，在驱动电路所提供的驱动脉冲的作用下，CCD完成光电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信息转换为CCD电信号，信号处理电路将CCD电信号转换为计算机可以存储、处理的数字图像信号。
调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)是衡量CCD相机成像性能的重要指标之一，其表征了CCD相机对被照目标边界的表征能力：高的调制传递函数表现在图像上即目标有清晰的轮廓，低的调制传递函数表现在图像上即目标轮廓模糊。影响CCD相机调制传递函数的因素有相机光学***、CCD传感器及CCD信号处理电路。相机光学***的调制传递函数截止频率受前期设计及后期装配的影响，一旦装配完成后，调制传递函数在截止频率处的值就为一确定值；CCD传感器对相机的调制传递函数有一定的影响，但是对于一台相机来说，其影响也是一定的；CCD信号处理电路对调制传递函数的影响比较小，对于大部分CCD相机来说，可以忽略。
对于一般的CCD相机，目前提高调制传递函数的手段主要基于后期图像处理的方法，即图像的MTF增强。图像后处理的方法虽然能够在一定程度上提高图像调制度，但是往往会导致图像其他参数的恶化，如图像信噪比，因此具有一定的局限性。
发明内容
基于以上背景，本发明提供了一种可增强CCD相机调制传递函数的方法及电路。
本发明的技术方案是：
一种可增强CCD相机调制传递函数的方法，其特殊之处在于：它包括以下步骤：
(1)去除无效信号：将原始CCD信号输入相关双采样电路，以去除原始CCD信号中的复位脉冲，同时将原始CCD信号离散化；
(2)有效信号放大：将经步骤(1)处理后的CCD信号输入品质因数Q>0.5的低通滤波器，CCD信号在通过滤波器后放大并产生多组振铃，且每组振铃的第一个振铃与输入滤波器的CCD信号振幅线性相关；
(3)AD量化：调整AD转换电路中AD量化芯片的采样保持点，使其落在步骤(2)中所述第一个振铃的极值点处，则获得的AD量化值较之原始CCD信号有一定的放大，在CCD相机的图像上表现为调制传递函数获得一定的增强。
通过设置上述步骤(2)中低通滤波器的品质因数Q来控制调制传递函数的增强效果：低通滤波器的品质因数Q越大，调制传递函数的增强幅值越大。
通过设置上述步骤(2)中低通滤波器的带宽，对放大后的CCD信号在AD量化之前进行滤波，以降低噪声，提高最终图像的信噪比。
本发明还提供了一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特殊之处在于：它包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连；所述相关双采样电路用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化；所述低通滤波器的品质因数Q>0.5，用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放大后的CCD信号具有多组振铃；所述AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将所述低通滤波器输出的CCD信号数字化；所述AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点,使采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。
上述低通滤波器为二阶低通滤波器。
上述二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；所述电阻R1的一端与所述相关双采样电路的输出端相连，另通过电阻R2与运算放大器的同向输入端相连；所述电阻R1和电阻R2之间还接有电容C1，电容C1的另一端接运算放大器的输出端；所述电阻R2和运算放大器的同向输入端之间还接有电容C2，电容C2的另一端接地；所述电阻R3的一端接运算放大器的输出端，另一端分别接电阻R4和运算放大器的反向输入端；所述电阻R4的一端接运算放大器的反向输入端，另一端接地。
本发明的优点是：
1、本发明可在CCD相机的光学***及CCD传感器确定的情况下，对***的调制传递函数进行一定的增强，且电路结构原理简单、成本低、通用性强。由于CCD信号在通过滤波器放大的同时会产生多组振铃，本领域技术人员往往考虑到振铃处信号不平稳，通常会避免在振铃及其附近采样。而本发明却跳出常规思维，将采样保持点选择在每组振铃中第一个振铃的极值点处，利用第一个振铃与输入CCD信号振幅线性相关的特性(即滤波器对CCD信号的放大在振铃处是等比例放大)，对放大后的CCD信号进行AD量化，得到的结果较之原始CCD信号并未出现失真现象，在信号放大的同时确保了图像质量。
2、本发明可实现CCD相机的调制传递函数的增强完全可控，根据CCD相机的使用要求调整滤波器的品质因数Q，可方便地控制CCD相机调制传递函数的增强，且滤波器的品质因数Q越高，调制传递函数的增强幅值越大。
3、本发明通过设置低通滤波器的带宽，对CCD信号在AD量化之前进行滤波，能有效降低噪声，提高最终图像的信噪比。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2a～2c为CCD相机对条纹靶标成像时，采用本发明对CCD信号处理过程的原理示意图，其中图2a为原始CCD信号，图2b为相关双采样后的CCD信号，图2c为经二阶滤波器放大后的CCD信号；
图3为振铃的最大振幅与方波振幅的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
CCD输出的每个像元的模拟电信号都包括三部分：复位脉冲A、复位电平B及信号电平C，如图2a所示。其中，复位脉冲A是无效信号，复位电平B与信号电平C的差等于有效信号的幅值。本发明首先采用相关双采样电路去除复位脉冲A，同时获取复位电平B与信号电平B的差值，相关双采样电路的输出即为有效信号的电平值，如图2b所示；然后利用低通滤波器对相关双采样电路输出的有效信号进行放大，同时信号在通过低通滤波器后会产生多组振铃，图2c中仅示意出三组振铃Z1、Z2和Z3，且每组有两个振铃；最后对放大后的有效信号进行AD量化获得每一个像元的灰度值，在AD量化时使采样点落在每组振铃中第一个振铃的峰(谷)处，如图2c中所示的Z11、Z21和Z31处。
基于上述原理，本发明所提供的可增强CCD相机调制传递函数的方法包括以下步骤：
(1)去除无效信号：将原始CCD信号输入相关双采样电路，以去除原始CCD信号中的复位脉冲，同时将原始CCD信号离散化；
(2)有效信号放大：将经步骤(1)处理后的CCD信号输入品质因数Q>0.5的低通滤波器(Q越大，调制传递函数的增强幅值越大)，CCD信号在通过滤波器后放大并产生多组振铃，且每组振铃的第一个振铃与输入滤波器的CCD信号振幅线性相关；
(3)AD量化：调整AD转换电路中AD量化芯片的采样保持点，使其落在步骤(2)中所述第一个振铃的极值点处，则获得的AD量化值较之原始CCD信号有一定的放大，在CCD相机的图像上表现为调制传递函数获得一定的增强。
通过设置上述步骤(2)中低通滤波器的带宽，对放大后的CCD信号在AD量化之前进行滤波，以降低噪声，提高最终图像的信噪比。
本发明同时提供了一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，如图1所示，它包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器和AD转换电路；其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连，用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化；低通滤波器的品质因数Q>0.5，用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大；AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将低通滤波器输出的CCD信号数字化；AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点。
上述低通滤波器可采用二阶低通滤波器，本发明采用的二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2。电阻R1的一端接相关双采样电路的输出端，另一端分别接电容C1和电阻R2；电容C1的另一端接运算放大器的输出端；电阻R2的另一端分别接运算放大器的同向输入端和电容C2；电容C2的另一端接地；电阻R4的一端接地，另一端接运算放大器的反向输入端；电阻R3的一端接运算放大器的反向输入端，另一端分别接运算放大器的输出端和电阻R4。
下面以CCD相机对黑白条纹靶标进行成像为例，具体说明本发明对调制传递函数的增强效果。
如果CCD相机对黑白条纹靶标进行成像，条纹靶标的空间频率为相机的极限截止频率，条纹靶标的像与CCD像元尺寸相当，在经过精确对准后，获取的图像也为黑白条纹。通过黑白条纹的灰度就可以计算得到相机的对比度传递函数(CTF，Contrast TransferFunction)，(DN为灰度值)。将对比度传递函数CTF进行傅里叶展开即可获得相机的调制传递函数MTF，在不考虑傅里叶展开高次项的情况下有调制传递函数由于最终图像的灰度实际上是每一个像元信号在AD量化后的结果，故相机的对比度传递函数CTF也可以利用信号电平进行计算，因此在没有经过滤波器放大处理时相机的对比度传递函数
本发明在信号AD量化之前设置一个品质因数Q>0.5的二阶低通滤波器，CCD信号(方波信号)在通过滤波器后会产生振铃，如图3所示，每组振铃的第一个振铃幅值与方波振幅之间的关系为ΔV1为方波振幅，ΔV1＝V1-V2。调整AD量化的采样点，令其落在每组振铃的第一个振铃的峰(谷)处(如图2c中所示Z11、Z21、Z31处)，这样相机的对比度传递函数可以看出，在这种情况下，相机的CTF提升量为相应的，调制传递函数MTF的提升量为调整滤波器的品质因数Q，就能够获得不同的调制传递函数MTF增强效果。
Claims (6)
1.一种可增强CCD相机调制传递函数的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)去除无效信号：将原始CCD信号输入相关双采样电路，以去除原始CCD信号中的复位脉冲，同时将原始CCD信号离散化；
(2)有效信号放大：将经步骤(1)处理后的CCD信号输入品质因数Q>0.5的低通滤波器，CCD信号在通过滤波器后放大并产生多组振铃，且每组振铃的第一个振铃与输入滤波器的CCD信号振幅线性相关；
(3)AD量化：调整AD转换电路中AD量化芯片的采样保持点，使其落在步骤(2)中所述第一个振铃的极值点处，则获得的AD量化值较之原始CCD信号有一定的放大，在CCD相机的图像上表现为调制传递函数获得一定的增强。
2.根据权利要求1所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的方法，其特征在于：所述步骤(2)中低通滤波器的品质因数Q越大，调制传递函数的增强幅值越大。
3.根据权利要求2所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过设置低通滤波器的带宽，对放大后的CCD信号在AD量化之前进行滤波。
4.一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于：包括依次连接的相关双采样电路、低通滤波器、AD转换电路，其中，相关双采样电路的输入端与原始CCD信号源相连；
所述相关双采样电路用于去除原始CCD信号中的复位脉冲，并将原始CCD信号离散化；
所述低通滤波器的品质因数Q>0.5，用于将相关双采样电路输出的CCD信号动态放大，且放大后的CCD信号具有多组振铃；
所述AD转换电路包括AD量化芯片和AD驱动时钟电路，用于将所述低通滤波器输出的CCD信号数字化；所述AD驱动时钟电路用于精确控制AD量化芯片的采样保持点，使采样保持点落在所述多组振铃中第一个振铃的极值点处。
5.根据权利要求4所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于：所述低通滤波器为二阶低通滤波器。
6.根据权利要求5所述的一种可增强CCD相机调制传递函数的电路，其特征在于：所述二阶低通滤波器包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；所述电阻R1的一端与所述相关双采样电路的输出端相连，另通过电阻R2与运算放大器的同向输入端相连；所述电阻R1和电阻R2之间还接有电容C1，电容C1的另一端接运算放大器的输出端；所述电阻R2和运算放大器的同向输入端之间还接有电容C2，电容C2的另一端接地；所述电阻R3的一端接运算放大器的输出端，另一端分别接电阻R4和运算放大器的反向输入端；所述电阻R4的一端接运算放大器的反向输入端，另一端接地。
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