CCD相机内部参数标定论文.doc

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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 ratio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

8、像采集系统的特性参数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18

9、3结论与展望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11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

10、像传感等领域。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：

11、金融机关、银楼、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

12、本身具有优良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CC

13、D的光电响应非线性。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

14、矩阵法7:变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

15、提出一种两阶段标定方法: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

16、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。图 1.3 光点注入法其中：（1）（3）种方法主要是标定系统的畸变，我们在测量JAI-A50的内部参数时，基本上与畸变无关。1 .1 .4 CCD数码相机的主要特点和特性在许多应用中，CCD相机的性能与理想的光检测器相似。理想的光检测器能将一个入射光子转换为可检测的信号，而且能够在一幅图像中同时检测到非常强和非常弱的光信号。CCD相机的好坏主要区

17、别在于它的性能，表现在噪声低、灵敏度高、量子效率高、线性度好、动态范围大、像素响应均匀性和空间分辨率高等方面，其中一些特性，比如灵敏度、线性度和动态范围与相机扫描速度（即读出速度）直接相关的。CCD相机的主要内部参数有：（1）暗电流。所有的硅器件都会产生暗电流，其原因在于少数载流子的激发产生了许多热电子，在CCD器件中热电子形成暗电流。暗电流会影响系统性能。（2）线性度10。所谓线性度，是指CCD相机产生的电信号与入射和线性关系。在典型的视频或TV应用中，人们并不关心系统的线性度，高达20%的偏差是允许的。然而，在成像科学领域中，响应的线性是必须考虑的重要参数，理想情况下，每一个像素都可视为一

18、个高保真的光子测量器件；它产生的电信号与入射光的强度成精确的正比。（3）动态范围10。动态范围是指CCD相机可观察图像的照度范围。它可用数字化的灰度来表示：8bit、12bit等。动态范围决定了最小可分辨光强，是选择某些应用场合所需相机的关键参数。许多相机和成像系统的分辨率是按照电路给出的，但这并不能反映系统的实际情况，例如，由一个模拟视频相机和采集卡抽组成系统的分辨率通常是按照采集卡的分辨率来定义的有效的分辨率，通常由视频相机的噪声或线性度所限制。（4）噪声特性。CCD相机的电路噪声是限制相机灵敏度和分辨率的主要因素。一个设计良好的高性能CCD相机，噪声通常只是视频相机的百万分之一到千分之一

19、。（5）像素响应不均匀性。造成不均匀性的原因是多种多样的，硅材料本身的质量以及CCD的生产工艺造成的不均匀性是无法改变的，如沟道掺杂浓度不均匀、表面态密度分布不均匀以及栅氧化物厚度不同造成的开启电压不同，感光单元有效面积不同，从而引入了固定模式噪声，表现为暗电流及光电响应的不均匀性。（6）信噪比。信噪比的大小与CCD的成像质量有很大的关系，是CCD相机的一个重要参数。（7）灵敏度。灵敏度是CCD的最为重要参数之一，它具有两种物理意义。一种是表示光电器件的光电转换能力，与响应率的意义相同。对于给定芯片尺寸的CCD来说，其灵敏度可用单位光功率所产生的信号电流表示，单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux

20、、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。光辐射能流密度在光度学中常以照度Lux表示，其转换式为1W/m2=20lx。在有的资料中，也用mV/lxs来表示CCD的灵敏度，严格说来，这是CCD图像传感器的响应度，即单位曝光量所得到的有效信号电压，它反映了CCD图像传感器的灵敏度和输出级的电荷/电压转换能力。另一种是指器件所能传感的最低辐射功率（或照度），与探测率的意义相同。单位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。（8）分辨率。 分辨率是图像传感器的重要特性。与采用电子束扫描方式的电真空摄像管的结构不同，CCD图像传感器采用自扫描方式，每个光敏单元都被隔开较大的距离。因此

21、，CCD的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。光敏单元呈周期性排列，假设要摄取的光学图像是沿水平方向光强(亮度)为正弦分布的条状图像，经CCD的光敏单元进行光/电转换，所得的信号在时间轴方向也为正弦波信号。根据奈氏抽样定理，CCD的极限分辨率是空间抽样频率的一半，因此，CCD原分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高集成度的光敏单元可获得高分辨率，但光敏单元尺寸的减少将导致灵敏度降低。一些新的工艺结构的应用（如双层像感结构）可在范围内提高CCD的灵敏度。分辨率通常用电视线(TVL)表示。1 .1 .5研究的主要内容对JAIA50内部各个参数进行标

22、定：（1）平均暗输出；（2）暗输出不均匀性；（3）暗噪声；（4）光电响应非线性；（5）动态范围；（6）光电响应的不均匀性；（7）信噪比。2图像采集系统的特性参数2 .1 平均暗输出2 .1 .1原理在正常工作情况下，MOS电容处于未饱和的非平衡状态。然而随着时间的推移，由于热激发而长生的少数载流子是使系统趋向平衡。因此，即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电流。暗电流是大多数成像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要特性1。产生暗电流的主要原因是：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁，少数载流子在中性体内的扩散及Si-SiO2界面引起的暗电流。在

23、大多数情况下，以Si-SiO2界面引起的暗电流为主。为了减小暗电流，应采用缺陷尽可能少的晶体和减少玷污。另外，暗电流还与温度有关。温度越高，热激发产生的载流子越多，暗电流越大。即：暗电流的大小与光照强度无关，而与CCD像素的本征材料，大小，温度有关。系统在无光照情况下各像元Vid的平均值Vmd称为平均暗输出。如式（2-1）： （2-1）式中，N为系统总像元数。测量平均暗输出的方法简单，把JAI-A50相机置于全黑环境中，并让相机一直工作，从开机开始，每隔3分钟采集一幅图像，采集多幅图像。测量时应注意：1. 要保证所有像点灰度数据均大于零，以避免零值切割造成的噪声不能正负相抵。2. 在采集全黑环

24、境的暗输出时，必须把采集的图像保存为未压缩的格式。2 .1 .2 测试结果及结果分析图 2.1 平均暗输出从图2.1上可以看出：（1）相机平均暗输出随时间的不断延长基本上逐渐增大。由于相机自身温度随着工作时间的延长而不断上升，直到相机温度与环境温度达到平衡。所以，平均暗输出的增加也可以反映出相机的温度上升。因此，在工程测量中，若要得到较为精确的测量值，必须让相机工作在较低的温度下。（2）常温下，相机在工作100分钟后，输出灰度值基本上不再上升，可以认为相机平均暗输出在工作100分钟后基本上保持稳定。稳定在4.904.95之间。 （3）在0100分钟内的输出灰度值并非一直增大，而是在某些地方时间

25、靠后的灰度值比前面小，这反映出影响暗输出的因素并非只与工作时间有关，可能还与外部温度变化。 （4）通过计算，暗输出最大灰度值为25。2 .2暗输出不均匀性2 .2 .1原理暗电流的大小与光强度无关，而与CCD像素的本征材料、大小、温度等有关。CCD暗电流的主要成分有：（1）耗尽层内通过复合产生中心的热产生；（2）通过表面态的热产生；（3）通过本征跃迁过程的热产生；（4）在耗尽区边界的扩散电流。由文献4可知，在室温下，边界扩散电流可以忽略，以体内、表面复合中心贡献为主，本征产生贡献比它们小一个数量级以上。由此，CCD输出端一个像素产生的暗电流为： （22）其中，q为单位电荷量,为本征载流子浓度；

26、 为耗尽层宽度；0是对空穴或电子的俘获截面； 为电子热运动平均速度；是复合中心浓度；s0=svthDs*KT为表面复合速度；s是表面态的俘获截面；Ds*是有效表面态密度；K是波尔兹曼常数；T是绝对温度。由于受到加工工艺的限制，每个像素的材料、面积大小各不相同，导致了CCD每个像元暗电流大小不同，而形成暗输出不均匀性。系统在无光照情况下各像元暗输出Vid的标准差与其平均值Vmd的比值称为暗输出不均匀性。符号为NUD，可用百分数表示。如下式： （23）测量暗输出不均匀性，只要将CCD摄像机预热后，置于全黑环境，采集多副图像，对应像点进行平均以消除噪声影响，然后按式（21）和（23）计算即可。可用测

27、量平均暗输出所采集的图像来计算暗输出不均匀性。2 .2 .2测试结果及分析图 2.2 暗输出不均匀性从图2.2可以看出：（1）常温下，暗输出不均匀性随着CCD工作时间的延长，从12到9.5之间逐渐减小。（2）结合图2.1，我们可以得出，在实际的测量中，为了校正平均暗输出和输出不均匀性，最好让相机工作100分钟后再进行测量。因为这时暗输出的不均匀性较小变化也小，平均暗输出也基本上稳定在4.93上。 （3）比较平均暗输出和暗输出不均匀性（图2.1和图2.2），我们可以看出 ，平均暗输出越大，暗输出越均匀。2 .3暗噪声2 .3 .1 原理随机涨落（不包括固定的不均匀性）的标准差称为暗噪声。符号为V

28、n，如式（2-4）： （24）式中,为暗输出的抽样值，为平均值，N为抽样次数。测量暗噪声可以由定义出发，随机选取任意一个像点，进行多次测量得到抽样值进而计算暗噪声。为了保证随机性，抽样次数必须很多。2 .3 .2 测试结果及分析图 2.3 暗噪声从图 2.3可以看出：像面上各像元的暗噪声大小分布在0.10.7之间，而且集中在0.3751左右。但是，由于实验条件的限制而不能在很短的时间内测量多幅图像，暗噪声不能成明显的正态分布。2 .4 光电响应线性度2 .4 .1 原理及光路图定义：光电响应线性度是系统重要的特性参数，定义为系统输入、输出信号的关系接近线性的程度。即在规定得范围内，探测器的输出

29、电量精确地正比于输入光量的性能9。测量原理：线性度是辐射功率的复杂函数，指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差来度量。 （2-5）式（2-5）中，为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；分别为线性区中最小和最大响应值。光路图：图 2.4 测量非线性光路图 为了让光度计测量到的光强从0开始逐渐增大，在这里用激光器和两个偏振片来实现；图中的扩束镜和毛玻璃的作用是减小光强，这样避免了偏振片之间的夹角改变很小而输入光度计和相机的光强却改变很大，并且会增大测量误差，分束镜选用7：3是为了减小光度计所带来的误差。2 .4 .2 测试结果及分析图 2.5 非线性在数据处理时，选用图片中最

30、亮点，我们把这些点认为是输入光强的对应值，因为在计算非线性和动态范围时，可以认为各像元的光电转化能力都是一样的；而且，当光路不变时，可以认为像面上各像元的输出灰度值改变只与偏振片夹角的改变有关。从图 2.5可以看到出：CCD相机的线性范围是：相机输出灰度值为22255之间；通过三阶拟和，在线性区内，CCD相机的输出灰度值在两条平行线之间，因此可以求出它的非线性值：注意： 在测量中由于不能在暗室进行，而且一直选用图中最亮的点，因此，我们得到最大的暗输出值为22，远远超出了平均暗输出值,所以，我们对输出值进行三阶拟和得到的线性范围为15255。采用光强计监测激光输入能量, CCD 记录光电响应,

31、得到输入与输出响应曲线。其缺点是将能量测量误差引入标定结果, 测量精度降低。2 .5 动态范围2 .5 .1 原理 定义：动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定1。势阱的最大电荷存储量： （2-6） 栅极电压 MOS电容容量 A栅极电压的面积由式（2-6）可知，CCD势阱的最大电荷存储量与电极面积A成正比；与栅极电压成正比；与单位面积的氧化层电容成正比。另外，还与器件的结构（SCCD还是BCCD；二相还是三相CCD）等因素有关1。如某CCD的电极面积为，P型Si的杂质浓度NA为，氧化膜厚度为0.1，栅极电压为10V，则SCCD结构势阱的电荷最大存储量为0.6PC或个电子。在BCCD

32、结构情况下计算比较复杂，随着沟道深度的增加，势阱可容纳的电荷量减少，对于与上述SCCD相同条件的BCCD，若氧化膜厚度0.1，相当于沟道深度外延层厚度为21，则约为4.5。 对于二相驱动情况，实际能容纳电荷的电极面积式整个电极面积的一半。为此，二相驱动情况下，势阱中存储的电荷量要减少一半。b. 噪声：在CCD中有以下几种噪声源：1.由于电荷器件注入器件引起的噪声；2.电荷转移过程中,电荷量的变化引起的噪声；3.由检测时产生的噪声2。与CCD有关的噪声：（1） 光子噪声：由于光子发射是随机过程，因而势井中收集的光电荷也是随机的，这就成为噪声源。由于这种噪声源与CCD传感器无关，而取决于光子的性质

33、，因而成为摄像器件的基本限制因素。这种噪声主要对于低光强下的摄像有影响。（2） 暗电流噪声：与光子发射一样，暗电流也是一个随机的过程，因而也成为噪声源。而且，若每个CCD单元的暗电流不一样，就会产生图形噪声。（3） 胖零噪声：包括光学胖零噪声和电子胖零噪声，光学胖零噪声由使用时的偏置光的大小决定，电子胖零噪声由电子注入胖零机构决定。（4） 浮噪声：这种噪声起因于界面缺陷，在BCCD中起因于体缺陷，但BCCD中浮获噪声小。（5） 输出噪声：这种噪声起因于输出电路复位过程中产生的热噪声。该噪声若换算成均方根值就可以与CCD的噪声相比较。此外，器件的单元尺寸不同或间隔不同也会成为噪声，但这种噪声源可

34、以通过改进光刻技术而减少。测量原理：系统的饱和输出Vs与暗噪声Vn之比称为动态范围，它表征系统可探测信号的最大相对范围。符号为DR，如式（2-7）： (27) 测量光路如图2.4。2 .5 .2 测试结果及分析 根据公式（27）可以算出：，所以JAIA50系统可探测信号的最大相对范围为：51。2 .6 光电响应不均匀性2 .6 .1 原理及光路图表征系统各像元响应度的不一致性。定义为器件在50%饱和曝光量条件下，各像元输出Vi的标准差与平均值V之比。符号为NU，如下式： （2-8）式（2-8)中，N为系统总像元。由于实验条件所限，无法满足50%的曝光量，但是在CCD有效动态范围内，在其它曝光量

35、条件下，同样可以利用该比值来表示CCD面阵探测器光电响应的不均匀性。 面阵探测器响应不均匀性的传统测量方法，是用显微物镜形成小光点，逐个扫描每一像元，记录相应的输出并进行比较。这对几十万像元的CCD来说，耗时极多。比较简单的方法是采用均匀光场，直接照射CCD器件，采集每一像元响应，按式（2-8）计算。光路如图2.6。图 2.6 光电响应不均匀性光路图2 .6 .2 测试结果及分析图 2.7光电响应不均匀 从图 2.7上可以看出：（1）相机的不均匀性从0.08左右减小到0.047左右。（2）对比暗输出不均匀性，即使用以上的装置来测量CCD相机的不均匀也比暗输出来得均匀。但是，在标定过程中，由于条

36、件的改变（即，用改变相机的方向来改变光强），在上图中出现了不均匀性随输出灰度值变化不明显。通过三阶拟和可以看出：输出的不均匀性随输出灰度值增大而减小。所以在测量时尽量让照到像面上的光强大些，尽量让CCD输出灰度值在180240之间。2 .7 信噪比2 .7 .1 原理 信噪比即信号与噪声的比值, 它表征信号的“洁净”程度。 (2-9) 式（2-9）中：为信号电压，为噪声电压，V是平均值，Vi是各像元输出标准偏差。光路如图2.6。2 .7 .2 测试结果及分析图 2.8 信噪比从图2.8可以看出：CCD相机信噪比随着相机输出灰度值（即：输入光强）的增大而增大。当输出灰度值为120240之间时，信

37、噪比从2122之间提高到2627之间。所以在实际应用中，若要得到比较好输出图像，需要增大输入光强。例如：我们在照相时，阴天照的图像没有晴天时照的图像清晰，因为，在晴天照相时，像面上光强比阴天时强，所以图像的信噪比提高了。3结论与展望JAI-A50系统在实际应用环境下，测量的参数为：（1）暗输出：通过在无光照的情况下，测量CCD相机系统的平均暗暗输出与工作时间的关系表明：在常温下，相机必须工作100分钟后才有稳定的平均暗输出值，稳定在4.904.95之间。此时，系统的暗输出也比较均匀，不均匀性值基本上稳定在0.0950.1之间。在测量中我们必须对系统暗输出进行校正，减小暗输出对测量的影响4。（2

38、）光电响应的非线性：通过计算系统输入光强与输出灰度值之间的关系，得到输入线性增大的光强而输出灰度值为非线性。在测量中取图像中灰度值最大的点，避免了输入光能量变化的影响。测出JAI-A50CCD的非线性度为0.0625。但是在标定中没有用尖劈法精确6。（3）动态范围：根据输出最大灰度值为255，平均暗输出值为5，得到系统可探测信号的最大相对范围为：51。（4）光电响应不均匀性：用自然光经过白纸和毛玻璃组成的光路的衰减得到均匀的光，用它来CCD响应不均匀性。测出CCD不均匀度为0.0470.08之间。但是由于CCD相机像面比较大，要想在这么大的区域内保证整个CCD阵列得到均匀照射是十分困难的，因此

39、不能如何保证每个像元受到同样的入射光通量的照射。，为了解决这个问题，可以用光点注入法5。（5）信噪比：CCD相机信噪比随着输入光强的增大（即：相机输出灰度值的增大）而增大。输出灰度值从120上升到240，而信噪比从2122之间提高到2627之间。在整个测量过程中只测量系统的输出灰度值，并用MATLAB计算输出灰度值与输入光强之间的关系。在实际应用中，对不同场合应用的CCD相机的各个参数值还要进行校正。希望在用JAI-A50进行工程测量时，上面的测量结果能起到参考作用。但是，在标定中由于测量条件的限制，在测量暗噪声时不能够在很短的时间内采集几十幅图像，而不能很好地反映系统暗噪声特性；在测量光电响

40、应的不均匀性时，最好能用均匀的光源并且输出光强可变或用光点注入法测量5。致谢感谢马卫红老师的关心，指导和教诲。在整个毕业设计中，马老师给予我极大的帮助和关怀，他不但精心指导我的设计工作，时刻关心我的工作进展，而且还教会我许多书本上学不到的知识，使我知道了作为一个科研工作者所必备的素质和能力，教给了我很多做事做人的道理。我相信这些道理在我以后的工作和学习中都有很大的帮助。本论文的撰写与马卫红老师的悉心教导密不可分，成稿后他又在百忙之中给予仔细审查，提出了宝贵的意见。在此表示最衷心的感谢！同时，舍友和同学们也给予我极大的帮助和支持。我深深的感谢马卫红老师的指导，感谢我的我的舍友和同学们！参考文献【

41、1】 王庆有，雷玉堂. 光电检测技术. 北京：中国计量出版社，2002.【2】 王庆有. CCD应用技术. 天津：天津大学出版社，2000.【3】 宋丰华. 现代空间光电系统. 北京：国防工业出版社，2004.【4】 陈迎娟，张之江，张智强. CCD像素响应不均匀性的校正方法. 光学 精密工程，2004，12（2）：216220【5】 吴裕斌，曹丹华，CCD 成像器件的不均匀性测试. 华中理工大学学报，1998，26（8）：5860【6】 谢旭东，陈波，CCD系统线性动态范围的标定. 强激光与粒子束，2002，12（s1）：182184【7】 Tsai Roger Y. An efficien

42、t and accurate camera calibration technique for 3d machine visionA . Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition C . Miami USA ,1986 ,364 - 374.【8】 邵泽明. 计算机视觉伺服跟踪控制系统. 南京:南京航空航天大学,2003.【9】 董怡，王斧.面阵CCD非线性响应的测量.军械工程学院学报，2001，13（4）：3942【10】 马俊婷.科学级CCD数码相机的研究与开发.华北工学院.工学硕士.

43、2001.3.19：15【11】 庞长富，魏光辉.图像采集系统特性参数的测试与评价.光学技术.1998（2）：4043【12】 陈桂明，张明照，戚红雨.应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像.北京：科学出版社，2002.【13】 何兆湘，潘正达.线列CCD摄像器件暗电流的测试和研究.华中工学院学报.1982，10(4)：4148【14】 刘贤德.CCD及其应用原理.武汉: 华中理工大学出版社,1990.【15】 庞长富.一种高精度图像采集系统的设计与特点.光学技术, 1997,(1):2022【16】 庞长富.标准图像发生器及在图像板性能评价中的应用.光学技术, 1997，(2):2830

44、【17】 郭本烈.线阵CCD器件的应用.仪表技术与传感器.1994,(5)：2526.【18】 陈文芗.CCD光谱响应曲线的校正.厦门大学学报（自然科学版）.1994，33（6）：781784【19】 王庆有，任在新等.CCD应用技术发展动向.【20】 王朝晖.面阵CCD成像技术.空间电子技术.1994，4：5156【21】 Smith R W, Tatarewicz J N. Replacing a Technology: The Large Space Telescope and CCDs. Proceedings of The IEEE, Vol.73,No.7,July 1985【22

45、】 Delamere W A, Flores J S, Frame W W. Advances in Frame Transfer Devices. SPIE, Vol.1656,pp.544-549,1992附录 1 开题报告CCD相机内部参数标定1题目来源、背景与意义，及含国内外相关研究综述自1970年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器以来，依靠已经成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得到迅速发展。作为一种新型光电转换器，CCD图像传感器现已广泛应用于电视摄像、图像采集、目标跟踪以及工业测量等领域。为了适应在各种领域中的应用，CCD相机的各种性能得以重视。例如：为了对能量分布的测量，要

46、求CCD有良好的线性响应特性；而在电视摄像机中，为了得到良好的视觉效果，却要对它进行r校正。在某些应用领域，特别是在高精度测量系统中，CCD象素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，必须对象素不均匀性进行校正。所以，对相机的内部参数进行标定显得非常重要。2课题任务要求 测量JAI-A50各方面得参数：（1） 测量平均暗输出；（2） 测量暗输出不均匀性；（3） 测量暗噪声；（4） 测量光电响应非线性；（5） 测量动态范围；（6） 测量光电响应不均匀性；（7） 测量信噪比；3关键问题及拟解决的方案 （1）平均暗输出：系统在无光照情况下各像元的平均值称为平均暗输出。如式： 式中：N为系统总像元数。（2） 不均匀性：系统在无光照情况下各像元暗输出的标准差与其平均值的比值称为暗输出不均匀性。 （3） 暗噪声：随机涨落（不包