CIS相機為何要做黑白校正

1、CIS相機為何要做黑白校正1 CIS相機為何要做黑白校正實用的黑白CIS相機，由于受到諸如光源的不均勻性、光敏單元本身響應差異、暗電流及偏置等因素的影響，對于一個灰度均勻的目標，可能會輸出強度不均勻的圖像，這將對后續(xù)圖像處理中的目標特征提取及測量不利。2 黑白場標定在確定黑白場時，需注意圖像的黑場要有足夠的密度，網點百分比在95以上，應該是圖像中最黑的地方；白場要接近于絕網，網點百分比在5以下，是圖像中最白的地方。一旦圖像上選定某點作為黑白場，那么圖像上其它的像素點的亮度都會相對該點做相應的改變。如果選定圖像上a點做白場，原來亮度比a高的點的網點百分比為0，層次消失，亮度比a點低的點會相對a點

2、提高亮度。如果選定圖像上的b點做黑場，原來亮度比b點低的點的網點百分比為100，而亮度比b點高的點會相對b點降低亮度。由此可見，如果圖像的黑白場選得不恰當，那么整個圖像就會發(fā)生亮度和顏色的變化。以一幅穿白色紗裙的女子為例，如果在她頭戴的紗巾上選擇一點作為白點，該點的網點百分比C27M18Y4K0。從它的網點百分比可以看出，該點不是圖像上的最亮點，含有較多的灰色成分，因此比該點亮度高的裙子的網點百分比為0，成為一片白色，層次丟失，同時人物臉上的層次也有所損失，如果在她胸部的白色紗裙上選擇一點作為白場，把該點的網點百分比CllM1Y2K0和圖像上其它的像素點相比知道，此點基本上是圖像上的最白點，因

3、此圖像整體亮度相對此點變化不大，亮度只有稍微的提高。裙子和臉部的層次也沒有損失，過渡很自然，并且由于臉部的亮度提高，使得人物的膚色更加白皙、細嫩。3 CIS相機的黑白校正針對上述問題，本文對影響黑白CIS平場的因素進行了分析，并提出了一種通過獲取暗本底圖像數組及標準白圖像數組對圖像進行校正的方法。實驗表明，該方法能夠取得理想的效果。理想的黑白CIS相機可看作一個理想系統，其陣列上各個光敏單元在完全相同的照射條件下，應當產生相同的輸出電荷，即輸出強度均勻的圖像。而實用的CIS相機并非是理想系統，對于一個具體目標而言，黑白CIS相機輸出的圖像中包括了以下3個部分：偏置圖像：即使曝光時間為0，仍然會

4、有的一個本底圖像輸出，記作。暗場圖像：即使沒有光照，仍然會有的一個隨時間增強的暗場圖像輸出，記作。目標圖像：由被測目標產生的光電子像，記作。即：對于一個灰度均勻的目標，其真實灰度值為一常數，以Gray表示。由于偏置和暗場的影響，CIS相機實際輸出的可能是一個強度不均勻的目標圖像，記作，不均勻的程度與CIS的性能有關。在完全相同的條件下，相機采集某一目標的圖像，其輸出為，如果希望將其恢復成一個通過理想系統所成的像，則：上述過程即為對CIS相機進行平場校正的過程。本文針對影響黑白CIS相機平場的因素進行了分析，并提出了實用有效的校正方法。3.1 平場影響因素分析影響黑白CIS平場的主要因素包括：光

5、敏單元的響應差異、光源的不均勻性和各光敏單元的暗電流及偏置。3.1.1CIS光敏單元的響應差異CIS相機各光敏單元在量子效率、受光面積等方面不盡相同，使得對于相同條件下的入射光得到不同的輸出電荷，如式(1)和式(2)所示。式中：為光敏單元的量子效率；q為電子電荷量；為光敏單元的受光面積；為光譜輻射量度；為光子流速率(光強)；T表示注入時間(又稱積分時間)。在圖像獲取過程中，對于CIS陣列的各個光敏單元，其注入時間T及電子電荷量q可看作是完全相同的，故可用常數kc代替，。將光敏單元量子效率與受光面積的乘積用表示。則式(1)變?yōu)橛墒?3)可知，對于不同的光敏單元，由于量子效率和受光面積的影響，相同

6、的光強將會得到不同的輸出電荷。3.1.2光源的不均勻性影響光源射出的光線經過目標表面反射后進入CIS相機進行成像。由于光源本身也存在不均勻性，即使目標的灰度特性是完全相同的，經過反射后進入CIS相機所形成的光強度也并不完全一致。目標的灰度特性、入射光強度、反射光強度三者關系可用近似表示為式中: 為反射光線強度,亦即式(3)中射入CIS的光子流速率；為照射在目標上的入射光線強度；為目標灰度特性；Mc為常系數?？梢?，由于入射光強的不均勻性，直接導致進入CIS相機的反射光線強度呈非均勻性。3.1.3 CIS光敏單元暗電流及偏置的影響由于CIS相機的電容未飽和，即使沒有入射光進入，CIS也會有暗電流及

7、偏置存在，圖1給出的是在沒有入射光的情況下得到的暗場和偏置圖像某一行的輸出情況。暗場及偏置存在的程度與相機本身的質量及性能有關，但幾乎所有的CIS相機都存在這一現象。圖1 CIS某行光敏單元輸出的暗場加偏置圖像暗場及偏置與CIS相機光敏單元的輸出電荷及CIS最終輸出信號之間的關系為式中：為CIS相機對應的某一光敏單元的輸出信號(即灰度值)；Yc為相機的模/數轉換系數，可視作常數；為此光敏單元的輸出電荷，亦即式(3)中輸出電荷量；為其暗電流強度；T為相機的積分時間，各光敏單元一致；為該光敏單元的偏置。3.2 CIS相機平場校正方法將式(3)、式(4)代入式(5)中,得到則式(6)可改寫為由此,C

8、IS相機平場校正的步驟如下：獲取暗本底圖像值。方法是：關閉CIS相機的光圈，采集暗本底圖像(為更好避免噪聲,可采取多幅平均的方法)，將暗本底圖像的灰度值保存在與圖像排列方式相同數組中。其對應式(7)中的部分。在正常使用條件下，獲取標準白平衡紙(卡)的圖像，并將該圖像的灰度值保存在與圖像排列方式相同數組中。需注意的是，白平衡紙(卡)圖像不能存在過飽和的像素，即。對實際圖像進行平場校正。在正常使用條件下，獲取實際圖像，得到對應的實際圖像，存入數組中，根據式(7)有上式可簡記為 式中: 為實際圖像經平場校正后得到的相對灰度數組； 為白平衡(卡)的灰度特性數組，可定為常數，本文設定為240，實用中視具

9、體情況可做調整。由于獲取數組Matb和Mats的外部條件相同，故系數數組X與光源照射強度數組是相同的，可約去，則式(8)可改為由于數組Matb、Mata和Mats為已知，為常數,可計算出。為了方便計算，式(9)可改寫為式中: 上述平場校正過程的流程如圖2所示。圖2 CIS相機平場校正流程圖3.3實驗為了驗證平場校正方法的有效性，實驗中采用灰度一致的標準色卡作為反光均勻的目標。在一定實驗條件下獲取目標灰度圖像，由于上述分析的各種因素影響，使得標準灰度色卡圖像象素的灰度值存在較大差異，如圖3所示。對該圖像進行平場校正處理后，可得到較好的平場結果，如圖4所示?；叶容敵龌疽恢拢瑘D像的灰度值均勻。圖3

10、 標準灰度色卡圖像灰度值的三維顯示圖4 平場校正后圖像灰度值的三維顯示為了直觀地驗證校正結果，從該圖像某隨機行的某點開始,以100個像素為間隔提取出21個像素點，對應的各相關參數值(式(10)中的各參數)如表1所示。圖5為某行像素平場校正前后灰度值分布曲線圖。由圖中可以直觀地看出，圖像經過平場校正后，灰度值分布曲線變化平緩，圖像灰度值均勻。圖5 某行像素平場校正前后灰度值分布曲線圖表1 標準灰度色卡圖像中某行部分像素的相關參數值對照表MatcMataMats1. 3772070451. 3872068451. 5562067451. 6472067441. 6152067441. 7852067451. 7292167451. 7962066451. 7662066451. 8882068452. 0122069451. 9202071461. 8972073461. 8672074461. 888