摘 要: 介紹電荷耦合器件CCD，及其在低照度條件下的噪聲影響機(jī)制，并從圖像預(yù)處理的角度分析噪聲消除的可能性，最后通過現(xiàn)場(chǎng)可編程器件FPGA從硬件上實(shí)現(xiàn)低照度條件下CCD圖像采集的實(shí)時(shí)噪聲消除預(yù)處理。

關(guān)鍵詞： 低照度圖像 實(shí)時(shí)噪聲處理 電荷耦合器件（CCD） 可編程器件（FPGA）

　八十年代后期，CCD器件進(jìn)入實(shí)用階段，得到廣泛的應(yīng)用。但直接用在低照度下的監(jiān)測(cè)和識(shí)別時(shí)，信噪比急劇下降。在軍事和天文觀測(cè)中可采用專用的像增強(qiáng)器，但在普通的應(yīng)用中，為降低成本一般通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理提高信噪比。本文提供一種折衷的方案，通過分析CCD的特點(diǎn)，采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，為計(jì)算機(jī)后端減少了大量復(fù)雜的運(yùn)算，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性創(chuàng)造了條件。

１ CCD 的原理

CCD 的圖像捕捉過程分為三個(gè)子過程，即：光電轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，電荷轉(zhuǎn)移，電荷讀出。

CCD器件是有許多光敏像元組成的，每個(gè)像元可看成是一個(gè)兩極加有反向偏壓的光敏二極管。當(dāng)一個(gè)光子入射到光敏二極管的耗盡層時(shí)，如果其能量ｈｖ大于半導(dǎo)體的禁帶Eg，半導(dǎo)體的價(jià)電子將越遷到導(dǎo)帶形成光生電子－空穴對(duì)。由于空間電荷區(qū)對(duì)光生電子是一個(gè)低勢(shì)能的勢(shì)阱，光生電子將被收集在勢(shì)阱中，這樣就完成了一次光電轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存。

六十年代末，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，電荷通過半導(dǎo)體勢(shì)阱會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。這樣，如果把一系列的光敏二極管排列起來，通過電荷在勢(shì)阱中的轉(zhuǎn)移，就有可能在一定的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下讀出儲(chǔ)存在每個(gè)光敏二極管勢(shì)阱的光電信息。圖1是典型的三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程。

雖然用同一組CCD光敏二極管就可以完成攝像器件的光電轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移，但是，由于復(fù)雜的控制光點(diǎn)極不利于提高CCD器件的量子效率。同時(shí)在CCD電荷轉(zhuǎn)移時(shí)各個(gè)光敏單元還正在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這將使輸出信號(hào)產(chǎn)生拖影。所以，實(shí)際的CCD器件的光敏單元和轉(zhuǎn)移單元是分開的，通過一定的時(shí)序控制可以實(shí)現(xiàn)光敏單元向轉(zhuǎn)移單元的整體轉(zhuǎn)移，然后再由轉(zhuǎn)移單元串行地往外部輸出。

CCD的信號(hào)讀出通常采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)，圖2是三相CCD的電荷讀出原理：其中Cs是反向偏置二極管D的結(jié)電容。當(dāng)待讀出電荷到達(dá)勢(shì)阱時(shí)，T1在短脈沖的作用下快速導(dǎo)通使Cs充電到高電位。接著下一相時(shí)鐘到達(dá)，待讀出電荷轉(zhuǎn)移到勢(shì)阱，待讀出電荷將對(duì)Cs充電使其電壓下降，電壓的下降幅度與待讀出電荷量成正比，最后由T2驅(qū)動(dòng)輸出。

２ CCD 的噪聲分析

在低照度圖像實(shí)時(shí)噪聲處理采集卡研制過程中，我們所遇到的噪聲主要有以下幾種。

暗電流噪聲：復(fù)合——產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是某些單元位置上缺陷密集形成暗電流峰。由于信號(hào)的讀出路徑各異，這些暗電流峰對(duì)各個(gè)電荷包的電荷貢獻(xiàn)也不等，因而形成背景的很大起伏。另外，耗盡層熱激發(fā)（符合泊松分布）對(duì)背景起伏也有貢獻(xiàn)。

因暗電流大小與位置基本固定，故可用電子學(xué)方法消除。但當(dāng)器件工作在長時(shí)間積分的弱信號(hào)觀測(cè)時(shí)，暗電流的影響將是主要因素。在這種情況下，器件應(yīng)工作于人工制冷狀態(tài)（在液氮溫度下，暗電流可比常溫下減小三個(gè)數(shù)量級(jí)）。

光響應(yīng)非均勻性：當(dāng)CCD的各個(gè)像元在均勻光源照射下,CCD器件具有光響應(yīng)非均勻性（PRNU）它主要與器件的制造工藝有關(guān)，由于近紅外光在硅中的穿透能力較強(qiáng)，PRNU還受襯底材料的非均勻性影響。PRNU沒有一定的規(guī)律，因器件而異，具有很大隨機(jī)性。因此，對(duì)于弱信號(hào)的應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，然后加以補(bǔ)償以達(dá)到均勻響應(yīng)。

散粒噪聲：光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號(hào)電荷的過程可看作隨機(jī)過程，單位時(shí)間產(chǎn)生的光生電荷數(shù)目在平均值上做微小波動(dòng)，即形成散粒噪聲。散粒噪聲與頻率無關(guān)，在所有頻率范圍內(nèi)有均勻的功率分布（白噪聲特性）。散粒噪聲在低照度，低反差條件應(yīng)用時(shí)，當(dāng)其它噪聲用各種方法抑制后，散粒噪聲成為主要噪聲，決定了一個(gè)器件的極限噪聲水平。

雜波噪聲：主要來源于傳輸通道及各種器件，多為無規(guī)則隨機(jī)信號(hào)，頻譜較寬，幅度不等。圖像信號(hào)相鄰像素、相鄰行、相鄰幀具有較大相關(guān)性，而雜波噪聲具有隨機(jī)性，據(jù)此可設(shè)計(jì)出積分平均器以改善雜波噪聲。

實(shí)驗(yàn)表明相鄰像素或相鄰行的積分平均器效果并不理想，因?yàn)樗^大地影響了水平和垂直分辨率，相鄰幀積分平均器對(duì)圖像分辨率影響不大，特別對(duì)靜態(tài)圖像它具有極佳的雜波抑制效果。在實(shí)現(xiàn)時(shí)一般還需對(duì)Ｋ值自適應(yīng)控制（幀間內(nèi)容變化較大時(shí)自動(dòng)減小K值，反之增大），以取得更好的效果。積分平均器的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)原理及性能見圖3。

３ CCD 實(shí)時(shí)噪聲處理的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)低照度條件下所遇到的主要噪聲特點(diǎn)分析，除了散粒噪聲決定了最終噪聲水平，必須通過降低工作溫度以提高信噪比外，其它噪聲可以通過適當(dāng)?shù)乃惴右愿纳啤Ｔ趯?shí)現(xiàn)時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的處理流程如下：控制CCD短時(shí)間拍攝一幀圖像，減去事先測(cè)量獲得的暗電流圖像，然后根據(jù)事先測(cè)量的光響應(yīng)非均勻性進(jìn)行修正，最后通過幀積分平均器消除散粒噪聲和雜波噪聲的影響。

在實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們采用了具有很高邏輯密度和性價(jià)比的EPF10K30嵌入所有的算法和控制邏輯，加上高速SRAM 和高速A／D變換器構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。其中SRAM分為三個(gè)可獨(dú)立的部分：存儲(chǔ)背景存儲(chǔ)器、PRNU參數(shù)存儲(chǔ)器和幀存儲(chǔ)器。當(dāng)A／D完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)，控制邏輯同時(shí)從三個(gè)存儲(chǔ)器獲得數(shù)據(jù)，通過處理后寫回幀存儲(chǔ)器，由于三個(gè)存儲(chǔ)器可同時(shí)訪問，因此極大地提高了系統(tǒng)的并行處理效率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

實(shí)驗(yàn)表明，肉眼很難辨別的低照度圖像通過這種方法處理后能夠?qū)崟r(shí)得到易于辨別的圖像，并能被后續(xù)的模式識(shí)別程序很好地識(shí)別。