暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置与方法，针对光线较暗的场景，具体采用的是图像前处理和后处理相结合的混合方法。前处理主要包括创造性地加了一个外部补光红外光源、结合CCD(电荷藕合器件图像)电子快门原理解决了外部光源与图像传感器的同步问题；后处理提出了基于加权亮度直方图的反馈算法，从而达到实时获取高质量的图像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于图像传感器与图像处理领域，具体涉及暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的系统与方法。技术背景视觉是人类最主要的感觉器官，视觉信息是人们由客观世界获得信息的主要来源之一，占人们五官获得信息量的70％以上，因此，获得高质量的图像就显得至关重要。随着摄像机的广泛应用与普及，在各种复杂环境下如何获取更加清晰的图像不仅是相关科研人员研究的热门课题，也是市场的强烈需求。图像传感器成像系统在远程监控、辅助驾驶、安全防护、科学研究、安全刑侦、人机交互等领域获得了越来越广泛的应用。一般来说，在获取清晰帧图像的方法上总的可以分为两类：一类被称为是图像的前处理，它是用图像传感器在获取图像时采取一系列的技术，如：选择合适的光圈大小，确定最佳的曝光时间以及放大增益等等，来得到高质量帧图像；另一类被称为是图像的后处理，它是在获取图像之后，采用适当的技术来得到最终高质量图像，如经常用到的图像增强技术，通过提取光强度信号(诸如直方图统计、像素灰度值的数学期望等)，确定阈值，从而获得图像的曝光信息以做进一步调整等。综合来看，对于图像传感器成像技术，人们研究的最多的是基于外界光照没有明显不足的情况。只有在这种环境下，才有可能出现相应的算法去调节最佳的曝光时间、光圈大小等影响因素。换句话说，如果在光线明显不足的环境下，无论怎样去调节相应的影响因子，都不会获得高质量的图像。而这些光线较暗的场景时常会发生，如没有光源的室内，晚间的野外，夜间驾驶、观察和瞄准，甚至是医疗设备用于检查人体内的组织等。本专利技术主要是针对如何在像上面所说的光线较暗场景下获得高质量的图像。系统采用了近红外光源作为黑暗条件下的补光光源。近红外波段辐射工作有许多优点，其狭窄光束照明目标，使目标在视场中突出出来，造成与背景较大的反差，从而获得较为清晰的图像。而且，其价格便宜。在补光源的基础之上，本专利技术结合了图像的前处理和后处理方法，在前处理中目标对红外光进行反射，经红外滤光片进行光学滤波，由图像传感器完成光信号到电信号的转换，采集卡采集图像传感器输出的电信号转换为特定格式的数字视频信号。同时也解决了外部光源与图像传感器的同步问题。经过前处理后得到的图像传送给后处理模块，后处理模块主要是算法模块，通过归一化的加权亮度直方图来反馈外部补光源的每个周期的发光长度，从而控制每帧图像曝光的多少，达到实时动态的高质量帧图像。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对在光线不足的黑暗场景下，提出了实时获取清晰图像的系统与方法。重点在解决了：一是主动外部红外光源和图像传感器的控制同步问题，使得图像传感器的曝光和外部红外光源的发光同步，在此基础之上，根据CCD电子快门的曝光原理，提出了新的高效的外部光源发光控制机制；二是针对较暗场景条件下，提出了一种自适应的基于亮度直方图的光源发光反馈控制算法。本专利技术的技术方案是：暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置，包括CCD传感器单元，信号处理电路单元，图像前处理单元和图像后处理单元；所述图像前处理单元包含同步信号提取与控制电路模块和外部光源模块；所述CCD传感器单元将采集的原始图像信号送入信号处理电路单元的同时，还将原始图像信号送入同步信号提取与控制电路模块；所述同步信号提取与控制电路模块从原始图像信号中提取同步时钟信号，控制外部光源模块，使得CCD传感器单元曝光和外部光源模块发光同步。进一步的，所述外部光源模块采用近红外光源作为外部光源。进一步的，所述信号处理电路单元接收来自CCD传感器单元采集到的原始图像信号，并对原始图像信号进行加工处理，A/D转化，去噪，图像增强和格式转换。本专利技术还提供暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的方法，已知VD是提取出的同步时钟信号；Q是在每个像素点上积累的电荷量；CS代表外部光源的控制信号，高电平表示光源亮，低电平表示光源灭；外部光源模块中外部光源控制信号的具体控制方法如下：在每个周期内增加一个RP，RP代表复位脉冲序列，RP上升沿有两个功能：一是Q的触发信号，每个像素点从RP的上升沿开始积累电荷；二是清空每个像素点上之前积累的电荷；设一个周期内最后一个复位脉冲点为s，那么在点s之前CS保持低电平。进一步的，定义外部光源在一个场周期内发光的长短为η：其中，TEE为一个场周期中有效的曝光时间，TLO为一个场周期中外部光源的点亮时间，0≤η≤1；η的理想值η0的具体计算方法在图像后处理单元中实现，所述图像后处理单元包括直方图统计模块，亮度计算模块和逻辑控制模块；所述理想值η0的具体计算方法如下：步骤一、采用直方图统计模块计算每帧图像的归一化加权亮度直方图；步骤二、亮度计算模块基于直方图统计模块，首先确定较暗区域的灰度值d和较亮区域的灰度值b(d值与b值的确定关系到图像曝光情况的判定，本专利技术是经过大量的试验而得到的一个相对较优的值)；然后用变量sumd来表示从灰度值0到灰度值d之间的所有灰度的比重之和，所述从灰度值0到灰度值d之间包括包含0和d，用公式表示为：其中，ni表示灰度等级i加权归一化后所占的比重；用变量sumb来表示从灰度值b到255之间的所有灰度的比重之和，所述从灰度值b到255之间包含d和255，用公式表示为：同样，ni表示灰度等级i加权归一化后所占的比重；步骤三、采用逻辑控制模块判断当前帧是否曝光不足或是过曝光，并确定理想值η0，具体如下：(1)给η赋一个初始值initial_value；(2)比较sumd与事先设定好的阈值td的大小，如果sumd＞td，则被认为曝光不足，下一帧的η值将以的方式获取，Bn表示当前帧图像的加权亮度均值，Bn+1表示下一帧图像的加权亮度均值；如果某个时刻刚好达到了sumd＜td，则此时被称为曝光不足临界点，相应的η值被记作：ηd；过了曝光不足临界点后，则要比较sumb与同样是预先设定好的阈值tb的大小；如果sumb＜tb，下一帧的η值将同样以的方式获取，若达到sumb＞tb，则标志着过曝光已经发生，此时被称为是过曝光临界点，相应的η值被记作：ηb，阈值td与阈值tb的设定是为了确定当前的曝光情况，同样是经过大量试验得出的一个较优值；(3)将ηd和ηb取平均值得到η的理想值η0。进一步的，实时监测ηd和ηb两个量的动态变化，如果不发生变化，则下一帧的η值将继续以获取；若是发生了变化，则理想值η0也会跟着相应的变化，即重新计算变化后的ηd和ηb平均值，更新为新的η的理想值η0，达到一个动态的平衡。进一步的，步骤一所述采用直方图统计模块计算每帧图像的归一化加权亮度直方图，具体如下：定义图像的中心部分为图像的感兴趣区域和图像的边缘部分为非感兴趣区域，并将感兴趣区域和非感兴趣区域分配不同的权重，之后计算每帧图像的归一化加权亮度直方图。进一步的，一张图像被分为了九个区域，具体来说，试验中选取的一种长度与高度的各部分比例分别为：|OP|:|PQ|:|QR|＝1:2:1|OM|:|MN|:|NK|＝1:2:1即：图像的宽度上以1∶2∶1的比例划分为三段OP、PQ、QR，高度上也以1∶2∶1的比例划分为三段OM、MN、NK，这样形成的九个方形区域，最中间部位划分为感兴趣区域，四周8个部位划分为非感兴趣区域。进一步的，所述最中间部位划分为相同大小的九个区域，九个区本文档来自技高网...

【技术保护点】
暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置，其特征在于：包括CCD传感器单元，信号处理电路单元，图像前处理单元和图像后处理单元；所述图像前处理单元包含同步信号提取与控制电路模块和外部光源模块；所述CCD传感器单元将采集的原始图像信号送入信号处理电路单元的同时，还将原始图像信号送入同步信号提取与控制电路模块；所述同步信号提取与控制电路模块从原始图像信号中提取同步时钟信号，控制外部光源模块，使得CCD传感器单元曝光和外部光源模块发光同步。

【技术特征摘要】
1.暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置，其特征在于：包括CCD传感器单元，信号处理电路单元，图像前处理单元和图像后处理单元；所述图像前处理单元包含同步信号提取与控制电路模块和外部光源模块；所述CCD传感器单元将采集的原始图像信号送入信号处理电路单元的同时，还将原始图像信号送入同步信号提取与控制电路模块；所述同步信号提取与控制电路模块从原始图像信号中提取同步时钟信号，控制外部光源模块，使得CCD传感器单元曝光和外部光源模块发光同步。2.根据权利要求1所述的暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置，其特征在于：所述外部光源模块采用近红外光源作为外部光源。3.根据权利要求1所述的暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置，其特征在于：所述信号处理电路单元接收来自CCD传感器单元采集到的原始图像信号，并对原始图像信号进行加工处理，A/D转化，去噪，图像增强和格式转换。4.利用权利要求1-3任一所述的暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的装置实现的暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的方法，其特征在于：已知VD是提取出的同步时钟信号；Q是在每个像素点上积累的电荷量；CS代表外部光源的控制信号，高电平表示光源亮，低电平表示光源灭；外部光源模块中外部光源控制信号的具体控制方法如下：在每个周期内增加一个RP，RP代表复位脉冲序列，RP上升沿有两个功能：一是Q的触发信号，每个像素点从RP的上升沿开始积累电荷；二是清空每个像素点上之前积累的电荷；设一个周期内最后一个复位脉冲点为s，那么在点s之前CS保持低电平。5.根据权利要求4所述的暗场景下基于CCD传感器实时获取清晰图像的方法，其特征在于：定义外部光源在一个场周期内发光的长短为η：η=TLOTEE]]>其中，TEE为一个场周期中有效的曝光时间，TLO为一个场周期中外部光源的点亮时间，0≤η≤1；η的理想值η0的具体计算方法在图像后处理单元中实现，所述图像后处理单元包括直方图统计模块，亮度计算模块和逻辑控制模块；所述理想值η0的具体计算方法如下：步骤一、采用直方图统计模块计算每帧图像的归一化加权亮度直方图；步骤二、亮度计算模块基于直方图统计模块，首先确定较暗区域的灰度值d和较亮区域的灰度值b；然后用变量sumd来表示从灰度值0到灰度值d之间的所有灰度的比重之和，所述从灰度值0到灰度值d之间包括包含0和d，用公式表示为：sumd=Σi=0dni]]>其中，ni表示灰度等级i加权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，赵建梁，赵翰卿，张李明，张胜楠，姜田，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32