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1、CCD相机内部参数标定摘要为了在精确测量中尽量消除误差，标定 CCD相机在实际测量环境中的内部参数有着重要的意义。本文讨论了图像采集系统的主要时域特性参数, 包括平均暗输出、暗输出不均匀性、暗噪声、动态范围、光电响应不均匀性、光电响应线性度、信噪比等。根据它们产生的原因和实际的应用环境，在避免抽象的量子理论的情况下，得到了一套简单标定各个内部参数的方法。同时给出了各个参数的曲线图。用工作时间与输出灰度值关系标定平均暗输出；用各幅图像的最大输出灰度值与输入光强之间的关系来标定系统输入与输出的非线性；用白纸和毛玻璃组成的光路衰减自然光得到均匀的光，并用来标定输入均匀光强的情况下输出灰度值不均匀的特
2、性；用信号与噪声的比值来标定CCD相机的信噪比。在处理采集的图像中，充分利用MATLAB的强大的图像处理功能，避免了直接测量CCD相机输出电压值。关键词：CCD；暗输出；非线性；不均匀性；信噪比；动态范围 Calibration of CCD Camera Internal ParameterABSTRACTIn order to eliminate the error in the accurate measurement, calibrating the internal parameter of CCD in the real environment is significant. In
3、 this chapter, the main characteristic parameters in temporal domain of the image acquisition and processing system are discussed. Those parameters include average dark output, dark output non-uniformity, dark output noise, non-linearity and non-uniformity of photo-electron response, signal to noise
4、 ratio, etc. According to the reason why they produce and real working environment, and in case of avoiding quantum theory, we get a simple method of calibrating the internal parameter of CCD. In the same time, I provided the curve graph of each parameter. Using the relationship of working time and
5、output the grey level value to calibrated the average dark output; Using the relationship of the input light intensity and the maximal output grey level value to calibrated the non-linearity of photo-electronic response; Using the blank sheet of paper and frosted glass to decay the nature light inte
6、nsity and to get a uniformity light intensity, which are used to calibrating the non-uniformity of photo-electron; Using the ratio of signal and noise to calibrated the SNR of the CCD camera. In dealing with the picture, we fully utilize the MATLAB to processing the image, in order to avoid directly
7、 measuring output voltage of the CCD camera.Keywords：average dark output; dark output non-uniformity; dark output noise; non-linearity; non-uniformity; signal to noise 目录摘要IABSTRACTII1绪论11 .1 CCD11 .1 .1 CCD的应用11 .1 .2 CCD标定的目的和意义21 .1 .3国内外对相机内部参数标定的方法31 .1 .4 CCD数码相机的主要特点和特性41 .1 .5研究的主要内容62图像采集系统
8、的特性参数72 .1 平均暗输出72 .1 .1原理72 .1 .2 测试结果及结果分析82 .2暗输出不均匀性92 .2 .1原理92 .2 .2测试结果及分析102 .3暗噪声112 .3 .1 原理112 .3 .2 测试结果及分析112 .4 光电响应线性度122 .4 .1 原理及光路图122 .4 .2 测试结果及分析132 .5 动态范围142 .5 .1 原理142 .5 .2 测试结果及分析162 .6 光电响应不均匀性162 .6 .1 原理及光路图162 .6 .2 测试结果及分析172 .7 信噪比182 .7 .1 原理182 .7 .2 测试结果及分析183结论与展
9、望20致谢22参考文献23附录 1 开题报告1附录 2 中期报告1附录 3 英文原文1附录 4 英文翻译1附录 5 MATLAB程序清单1绪论1 .1 CCD1 .1 .1 CCD的应用CCD（电荷耦合器件，Charge Coupled Device），是70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年提出了CCD的概念，随后建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论。30多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD技术得到了较快的发展。目前，CCD技术已广泛应用于信号处理、数字存贮及影像传感等领域
10、。其中，CCD技术在影像传感中的应用最为广泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。CCD的应用领域：（1）医疗分类：电子显微镜 ；口腔內视观察 ；齿科观察；特殊电子内视镜； （2）产业分类：色彩管理、定位、量测；外观检查-工厂自动化；条码识别；工厂废气排放监控；建筑、机械微小间隙检查；超小工业内视镜；管路检查；高速检查；高速移动物体件记录，快速重播（修正错误用）。（3）按教育分类：各种实验、实习的观察，记录。 （4）电脑资讯：影像扫描器；网路影像电话。（5）交通应用：路况、流量监控；车辆牌照记录、搜寻（犯罪车、遗失车、超速）；汽车倒车影像；（6）一般管理： 金融机关、银
11、楼、超市店铺等、住家访客过滤、自动提款机安全监视；大楼通道、电梯、停车场、出入口等重要场所安全管理；工厂出入口、生产线、机械操作、员工管理；特种营业场所，饭店旅游馆出入口、内部营业状况监控。1 .1 .2 CCD标定的目的和意义一个理想的CCD 摄像系统应该是无畸变、无噪声的线性空间不变系统, 但实际系统无法满足这个条件。不同的应用领域对CCD 的要求不一样, 厂家提供的一些性能指标并不能完全满足实际应用需求。另外, 由于CCD 的性能参数随着时间将发生变化, 所以为了保证观测的可靠性, 需要对CCD 在实际应用的环境下进行标定。例如：在新型光电传感器中，电荷耦合器件（CCD）由于本身具有优良
12、的光电和机械特性而应用于各个领域中。但是在实际应用中，特别失在高量化率的精密测量中，CCD各像元光电特性的不均匀性会给测量结果带来较大的误差。为了提高测量精度，必须对CCD器件本身的不均匀性进行测量，以便在测量过程中能对检测结果进行校正5。在CCD用于时时动态测量时，CCD像元光电响应不均匀性及非线性会给测量精度带来影响。CCD在实时动态测量时该满足下面的关系： （1-1）式(1-1)中：V（x）是CCD的x像元输出的电压；E（x）是CCD的像元的曝光量；Kx,E(x)是比例系数，既是位置x的函数，又是曝光量E（x）的函数。中位置x表征了CCD的光电响应的不均匀性；E（x）表征CCD的光电响应
13、非线性。由上式可知，由于光电响应的不均匀性和非线性，使CCD输出的电压信号没有真实反映曝光量分布。我们知道，CCD测量技术就是提取CCD曝光量空间分布的特征信息的技术。由于曝光量分布的失真，使提取的特征信息发生失真，其结果必然导致测量误差。因此，为了提高测量精度，对光电相应的不均匀性和非线性要进行校正2。在天文应用中CCD是在很特殊的条件下工作的，如观测对象极暗，积分时间很长，天文学家所关心的是量子效率、光谱响应和噪声特性。在低光度观测中，CCD的噪声问题显得尤为突出。所以，对暗噪声和信噪比的测量也很重要。1 .1 .3国内外对相机内部参数标定的方法 传统摄像机标定方法:(1)变换矩阵法7:变
14、换矩阵法从透视变换的角度,在针孔(pin hole) 模型的基础上建立摄像机成像模型。这种方法不需要最优方法,直接从已知的三维空间坐标点求解摄像机的内外参数,运算速度快便于实时计算,但由于引入了中间变量,要求解的方程组为参数方程组,只能得到较好的隐式解。(2)非线性最优化方法7:该方法利用三维坐标的一些特征点与相应的图像点的坐标的相互关系,建立方程,寻找在某些约束条件下的最小值。虽然这种方法建立的摄像机模型具有较高的准确性,然而最后求解一般采用递归方法,如果初始值设定不当,不一定能得到理想的解。(3)Tsai 的两级标定法8：Tasi 根据摄像机的径向畸变模型,利用径向准直约束条件提出一种两阶
15、段标定方法:首先根据径向准直约束求解出大部分模型参数,然后通过非线性搜索方法求解畸变系数、有效焦距等参数。(4) 使用尖劈法标定CCD系统线性动态范围6：尖劈由两个表面构成, 分别镀不同反射率的膜层, 两表面的夹角可调。一束入射光入射到尖劈上, 经尖劈的两个表面的多次反射形成一列光强分布相似能量逐级递减的子光束。相邻子光束的能量衰减倍数为R1。然后，根据输入线性光强，而输出非线性灰度值来标定系统非线性。此方法能同时测量光电响应非线性和光电响应不均匀性，但是在实际测量时，尖劈最好用法伯标准具，因此光路不好实现。光路如图1.1，图1.2： 图1.1 图1.2(5)使用光点注入法标定光电响应不均匀性5：测试中采用光点注入法，即用直径为50微米的光点沿像元排列方向逐个对像元进行扫描，测试系统的原理框图见图1.3，被测CCD每个像元所接收的光强相等。这样保证了输入光强的均匀性。但是，测量仪器比较复杂并且控制比较难，在一般的测量中难以实现。
