CCD噪声标定及其在边缘定位中的应用

１００光学学报２８卷

２ＣＣＤ成像模型

常用ＣＣＤ成像公式为

ｓ（ｘ，ｙ）＝昭（ｚ，ｙ）Ｉ（ｘ，ｙ）＋Ｂ（ｘ，ｙ）＋

Ｄ（ｘ，ｙ）＋ｎ（ｘ，ｙ），（１）式中ｓ（ｘ，ｙ）为图像（ｚ，ｙ）点的灰度值，Ｂ（ｘ，ｙ）为灰度偏置，ｔ为曝光时间，Ｄ（ｘ，ｙ）为暗电流，Ｇ（ｘ，ｙ）为增益或灵敏系数，Ｉ（ｘ，ｙ）为到达ＣＣＤ的光通量，ｎ（ｘ，ｙ）为随机噪声，包括量化误差、电流噪声等，是一个服从泊松分布的随机变量，可近似认为服从高斯分布。

ＣＣＤ成像的目的是得到图像点灰度值和被测目标点光强之问的关系，（１）式中ｔＧ（ｘ，了）Ｉ（ｘ，ｙ）表示的正是这种理想的关系，而其他几项则是ＣＣＤ的噪声，应该抑制。定义（１）式的中间两项

ｄ（ｘ，ｙ）＝Ｂ（ｘ，ｙ）＋Ｄ（ｘ，ｙ），（２）为ＣＣＤ的暗电流噪声，简称为暗噪声，反映的是没有任何光照到达ＣＣＤ感光元的情况下ＣＣＤ的输出，与ＣＣＤ各感光元（各像素）自身评品质有关。由此，为简化起见将（１）式改写为

ｓ（ｘ，ｙ）一心（ｚ，ｙ）ｌ（ｘ，ｙ）＋ｄ（ｘ，３『）＋ｎ（ｘ，ｙ）．

（３）３噪声标定方法

３．１暗噪声

为了标定ＣＣＤ的暗噪声，在镜头光圈关闭的情况下采集Ｍ幅图像。因为光圈关闭，所以Ｉ（ｘ，ｙ）一０，此时ＣＣＤ的灰度输出值为

毛（ｚ，ｙ）一ｄ（ｘ，ｙ）＋ｎ（ｘ，ｙ）．（４）将采集的Ｍ幅图像平均得到暗噪声

，

Ｍ

３（ｘ∽一击》ｂ，ｙ）－

１

Ｍ

舭∽＋击∑础，ｙ），（５）由（５）式可得到暗噪声估计的误差为

Ｏ＇ｄ＝ｃＴｎ￣／１／Ｍ，（６）式中靠为随机噪声，ｚ（ｚ，ｙ）的均方差。

关闭三个相机的镜头光圈，固定曝光时间３０ｈｉｓ，图像大小１０２４ｐｉｘｅｌ×７６８ｐｉｘｅｌ，连续采集２０幅８位灰度图像求平均得到的暗噪声估计图（为了显示效果对暗噪声估计图进行了直方图均衡处理）如图１所示（ｇ。。为最大灰度值），除了“ＭＶＳｌ０００”相机有个别点噪声超出１００外，其余点的噪声均小于２０。可以看到，暗噪声在空间位置上分布不均匀，有的地方会出现明暗变化，这也说明不同ＣＣＤ暗噪声图有较大的差别，这由ＣＣＤ品质决定。

采集图像减去暗噪声估计图得到暗噪声抑制结果（为了显示效果对原图进行了线性增强处理），如图２所示。

图１暗噪声图

Ｆｉｇ．１Ｄａｒｋｎｏｉｓｅｍａｐ

图２暗噪声抑制结果

Ｆｉｇ．２Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｄａｒｋｎｏｉｓｅ

３．２随机噪声

在测量环境中固定ＣＣＤ拍摄Ｎ幅固定场景图，场景图应包含尽量多的灰度等级以考察随机噪

声与图像灰度之间的关系。实验拍摄的是一组含有

１期丁晓华等：ＣＣＤ噪声标定及其在边缘定位中的应用１０１不同明暗程度的灰度条。

平均Ｎ幅图像得到图像中每个点的灰度均值为

“如ｙ）一志蚤“幽ｙ），（７）对每点计算灰度方差得到图像中每个点的随机噪声均方差估计：

“刎，＝压ｉｊｉ蕊㈣每一灰度等级ｇ对应随机噪声均方差为

巩（ｇ）一＿１∑民（ｚｉ，Ｙｉ），（９）

４９ｊ＝１

式中（ｚｉ，Ｙｉ）为灰度均值为ｇ的所有像素，％为像素个数。

为了标定相机的随机噪声，分别用三个相机连续拍摄２０幅静止场景，场景中包含一组明暗程度不同的灰度条。图３显示了标定结果，每点噪声均方差估计值都乘以３０，可以看出随机噪声强度随对应点灰度强度变化。图４显示了三台相机随机噪声随灰度变化的标定结果。

图３均值图像（ａ）和随机噪声标准差图像（经线性增强处理）（ｂ）

Ｆｉｇ．３Ｍｅａｎｉｍａｇｅｓ（ａ）ａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｒａｎｄｏｍｎｏｉｓｅｉｍａｇｅｓ（１ｉｎｅａｒｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｆｏｒｄｉｓｐｌａｙ）（ｂ）

０５０ｔ００１５０２００２５０

Ｇｒａｙｖａｌｕｅ

图４图像灰度与随机噪声标准差的关系Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｇｒａｙｖａｌｕｅａｎｄｉｔｓ

ｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｒａｎｄｏｍｎｏｉｓｅ

４噪声抑制

暗噪声是加性时不变的固定偏差，将采集图像减去标定的暗噪声图像即得到抑制暗噪声图像：Ｓｄ。，ｋ＿ｆ。（ｚ，ｙ）＝ｓ（ｘ，．），）一ｄ（ｘ，ｙ）．（１０）对于静态测量，如工业检测中静止工件的测量，拍摄一组序列图５。，在时间序列上对序列图进行均值滤波：

Ｍ

‰岫ｄｕｃ曲。（ｚ，ｙ）一击∑Ｓｉ（ｚ，ｙ），（１１）或者中值滤波：

Ｓｎｏｉ。＿ｒｅｄ。。。｜ｏ。（ｚ，了）＝｛ｓｉ（ｚ，了）），（１２）可以有效的降低随机噪声，降噪图像的随机噪声水平可以由（６）式估计。

对于动态测量，被测目标在图像中的位置随时间变化，图像点在时间轴上的相关性减弱，（１１）式、（１２）式将引起目标边缘处模糊，此时应用时空域运动补偿滤波可以有效地降低噪声，滤波器中阈值根据标定的靠（ｇ）来确定。

５噪声对精密图像测量的影响

精密图像测量根据目标在ＣＣＤ图像中的理想灰度分布ｔＧ（ｘ，ｙ）Ｉ（ｘ，了）来精确定位目标点位置，由（３）式可知ＣＣＤ噪声ｎ（ｘ，ｙ）和ｄ（ｘ，ｙ）会影响目

６５４３２ｌＯ

CCD噪声标定及其在边缘定位中的应用

作者：丁晓华， 李由， 于起峰， 冯卫东， Ding Xiaohua， Li You， Yu Qifeng， Feng

Weidong

作者单位：国防科大航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073

刊名：

光学学报

英文刊名：ACTA OPTICA SINICA

年，卷(期)：2008,28(1)

被引用次数：13次

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