一種可增強(qiáng)ccd相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法及電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法及電路。本發(fā)明的方法包括以下步驟：1.去除無效信號：去除原始CCD信號中的復(fù)位脈沖，同時(shí)將原始CCD信號離散化；2.有效信號放大：將經(jīng)步驟1處理后的CCD信號輸入品質(zhì)因數(shù)Q>0.5的低通濾波器進(jìn)行放大，同時(shí)CCD信號會產(chǎn)生多組振鈴，且每組振鈴的第一個(gè)振鈴與輸入濾波器的CCD信號振幅線性相關(guān)；3.AD量化：調(diào)整AD轉(zhuǎn)換電路中AD量化芯片的采樣保持點(diǎn)，使其落所述第一個(gè)振鈴的極值點(diǎn)處，則獲得的AD量化值較之原始CCD信號有一定的放大，在CCD相機(jī)的圖像上表現(xiàn)為調(diào)制傳遞函數(shù)獲得一定的增強(qiáng)。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)原理簡單、成本低、通用性強(qiáng)，對調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)完全可控。
【專利說明】
-種可増強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法及電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種CCD相機(jī)指標(biāo)的控制方法，尤其設(shè)及相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)整的方 法及電路。
【背景技術(shù)】
[0002] CCD相機(jī)主要由光學(xué)機(jī)械部件、CCD、驅(qū)動電路和信號處理電路組成。成像目標(biāo)通過 光學(xué)機(jī)械部件成像在CCD的光敏面上，在驅(qū)動電路所提供的驅(qū)動脈沖的作用下，CCD完成光 電荷的轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移和讀取，從而將光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為CCD電信號，信號處理電路將CCD電 信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可W存儲、處理的數(shù)字圖像信號。
[0003] 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF，Modulation Transfer Function)是衡量CCD相機(jī)成像性能的 重要指標(biāo)之一，其表征了CCD相機(jī)對被照目標(biāo)邊界的表征能力:高的調(diào)制傳遞函數(shù)表現(xiàn)在圖 像上即目標(biāo)有清晰的輪廓，低的調(diào)制傳遞函數(shù)表現(xiàn)在圖像上即目標(biāo)輪廓模糊。影響CCD相機(jī) 調(diào)制傳遞函數(shù)的因素有相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、CCD傳感器及CCD信號處理電路。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào) 制傳遞函數(shù)截止頻率受前期設(shè)計(jì)及后期裝配的影響，一旦裝配完成后，調(diào)制傳遞函數(shù)在截 止頻率處的值就為一確定值;CCD傳感器對相機(jī)的調(diào)制傳遞函數(shù)有一定的影響，但是對于一 臺相機(jī)來說，其影響也是一定的；CCD信號處理電路對調(diào)制傳遞函數(shù)的影響比較小，對于大 部分CCD相機(jī)來說，可W忽略。
[0004] 對于一般的CCD相機(jī)，目前提高調(diào)制傳遞函數(shù)的手段主要基于后期圖像處理的方 法，即圖像的MT巧曽強(qiáng)。圖像后處理的方法雖然能夠在一定程度上提高圖像調(diào)制度，但是往 往會導(dǎo)致圖像其他參數(shù)的惡化，如圖像信噪比，因此具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于W上背景，本發(fā)明提供了一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法及電路。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，其特殊之處在于:它包括W下步驟：
[000引（1)去除無效信號:將原始CCD信號輸入相關(guān)雙采樣電路，W去除原始CCD信號中的 復(fù)位脈沖，同時(shí)將原始CCD信號離散化；
[0009] (2)有效信號放大:將經(jīng)步驟（1)處理后的CCD信號輸入品質(zhì)因數(shù)Q〉0.5的低通濾波 器，CCD信號在通過濾波器后放大并產(chǎn)生多組振鈴，且每組振鈴的第一個(gè)振鈴與輸入濾波器 的CCD信號振幅線性相關(guān)；
[0010] (3)AD量化:調(diào)整AD轉(zhuǎn)換電路中AD量化忍片的采樣保持點(diǎn)，使其落在步驟(2)中所 述第一個(gè)振鈴的極值點(diǎn)處，則獲得的AD量化值較之原始CCD信號有一定的放大，在CCD相機(jī) 的圖像上表現(xiàn)為調(diào)制傳遞函數(shù)獲得一定的增強(qiáng)。
[0011] 通過設(shè)置上述步驟(2)中低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q來控制調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)效 果:低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q越大，調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)幅值越大。
[0012] 通過設(shè)置上述步驟(2)中低通濾波器的帶寬，對放大后的CCD信號在AD量化之前進(jìn) 行濾波，w降低噪聲，提高最終圖像的信噪比。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的電路，其特殊之處在于:它包 括依次連接的相關(guān)雙采樣電路、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換電路，其中，相關(guān)雙采樣電路的輸入端 與原始CCD信號源相連;所述相關(guān)雙采樣電路用于去除原始CCD信號中的復(fù)位脈沖，并將原 始CCD信號離散化;所述低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q〉0.5,用于將相關(guān)雙采樣電路輸出的CCD信 號動態(tài)放大，且放大后的CCD信號具有多組振鈴;所述AD轉(zhuǎn)換電路包括AD量化忍片和AD驅(qū)動 時(shí)鐘電路，用于將所述低通濾波器輸出的CCD信號數(shù)字化;所述A明E動時(shí)鐘電路用于精確控 制AD量化忍片的采樣保持點(diǎn)，使采樣保持點(diǎn)落在所述多組振鈴中第一個(gè)振鈴的極值點(diǎn)處。
[0014] 上述低通濾波器為二階低通濾波器。
[0015] 上述二階低通濾波器包括運(yùn)算放大器、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4;所述電阻 R1的一端與所述相關(guān)雙采樣電路的輸出端相連，另通過電阻R2與運(yùn)算放大器的同向輸入端 相連;所述電阻R1和電阻R2之間還接有電容C1，電容C1的另一端接運(yùn)算放大器的輸出端;所 述電阻R2和運(yùn)算放大器的同向輸入端之間還接有電容C2,電容C2的另一端接地;所述電阻 R3的一端接運(yùn)算放大器的輸出端，另一端分別接電阻R4和運(yùn)算放大器的反向輸入端;所述 電阻R4的一端接運(yùn)算放大器的反向輸入端，另一端接地。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0017] 1、本發(fā)明可在CCD相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)及CCD傳感器確定的情況下，對系統(tǒng)的調(diào)制傳遞 函數(shù)進(jìn)行一定的增強(qiáng)，且電路結(jié)構(gòu)原理簡單、成本低、通用性強(qiáng)。由于CCD信號在通過濾波器 放大的同時(shí)會產(chǎn)生多組振鈴，本領(lǐng)域技術(shù)人員往往考慮到振鈴處信號不平穩(wěn)，通常會避免 在振鈴及其附近采樣。而本發(fā)明卻跳出常規(guī)思維，將采樣保持點(diǎn)選擇在每組振鈴中第一個(gè) 振鈴的極值點(diǎn)處，利用第一個(gè)振鈴與輸入CCD信號振幅線性相關(guān)的特性（即濾波器對CCD信 號的放大在振鈴處是等比例放大），對放大后的CCD信號進(jìn)行AD量化，得到的結(jié)果較之原始 CCD信號并未出現(xiàn)失真現(xiàn)象，在信號放大的同時(shí)確保了圖像質(zhì)量。
[0018] 2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)CCD相機(jī)的調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)完全可控，根據(jù)CCD相機(jī)的使用要 求調(diào)整濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q，可方便地控制CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)，且濾波器的品質(zhì) 因數(shù)Q越高，調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)幅值越大。
[0019] 3、本發(fā)明通過設(shè)置低通濾波器的帶寬，對CCD信號在AD量化之前進(jìn)行濾波，能有效 降低噪聲，提高最終圖像的信噪比。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的電路原理圖；
[0021] 圖2a~2c為CCD相機(jī)對條紋祀標(biāo)成像時(shí)，采用本發(fā)明對CCD信號處理過程的原理示 意圖，其中圖2a為原始CCD信號，圖化為相關(guān)雙采樣后的CCD信號，圖2c為經(jīng)二階濾波器放大 后的CCD信號；
[0022] 圖3為振鈴的最大振幅與方波振幅的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0024] CCD輸出的每個(gè)像元的模擬電信號都包括Ξ部分:復(fù)位脈沖A、復(fù)位電平B及信號電 平C，如圖2a所示。其中，復(fù)位脈沖A是無效信號，復(fù)位電平B與信號電平C的差等于有效信號 的幅值。本發(fā)明首先采用相關(guān)雙采樣電路去除復(fù)位脈沖A，同時(shí)獲取復(fù)位電平B與信號電平B 的差值，相關(guān)雙采樣電路的輸出即為有效信號的電平值，如圖2b所示;然后利用低通濾波 器對相關(guān)雙采樣電路輸出的有效信號進(jìn)行放大，同時(shí)信號在通過低通濾波器后會產(chǎn)生多組 振鈴，圖2c中僅示意出Ξ組振鈴Z1、Z2和Z3，且每組有兩個(gè)振鈴；最后對放大后的有效信號 進(jìn)行AD量化獲得每一個(gè)像元的灰度值，在AD量化時(shí)使采樣點(diǎn)落在每組振鈴中第一個(gè)振鈴的 峰(谷)處，如圖2c中所示的Z1UZ21和Z31處。
[0025] 基于上述原理，本發(fā)明所提供的可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法包括W下步 驟：
[0026] (1)去除無效信號:將原始CCD信號輸入相關(guān)雙采樣電路，W去除原始CCD信號中的 復(fù)位脈沖，同時(shí)將原始CCD信號離散化；
[0027] (2)有效信號放大:將經(jīng)步驟（1)處理后的CCD信號輸入品質(zhì)因數(shù)Q〉0.5的低通濾波 器(Q越大，調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)幅值越大），CCD信號在通過濾波器后放大并產(chǎn)生多組振鈴， 且每組振鈴的第一個(gè)振鈴與輸入濾波器的CCD信號振幅線性相關(guān)；
[0028] (3)AD量化:調(diào)整AD轉(zhuǎn)換電路中AD量化忍片的采樣保持點(diǎn)，使其落在步驟(2)中所 述第一個(gè)振鈴的極值點(diǎn)處，則獲得的AD量化值較之原始CCD信號有一定的放大，在CCD相機(jī) 的圖像上表現(xiàn)為調(diào)制傳遞函數(shù)獲得一定的增強(qiáng)。
[0029] 通過設(shè)置上述步驟(2)中低通濾波器的帶寬，對放大后的CCD信號在AD量化之前進(jìn) 行濾波，W降低噪聲，提高最終圖像的信噪比。
[0030] 本發(fā)明同時(shí)提供了一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的電路，如圖1所示，它包括 依次連接的相關(guān)雙采樣電路、低通濾波器和AD轉(zhuǎn)換電路;其中，相關(guān)雙采樣電路的輸入端 與原始CCD信號源相連，用于去除原始CCD信號中的復(fù)位脈沖，并將原始CCD信號離散化;低 通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q〉〇. 5,用于將相關(guān)雙采樣電路輸出的CCD信號動態(tài)放大;AD轉(zhuǎn)換電路 包括AD量化忍片和A明E動時(shí)鐘電路，用于將低通濾波器輸出的CCD信號數(shù)字化;AD驅(qū)動時(shí)鐘 電路用于精確控制AD量化忍片的采樣保持點(diǎn)。
[0031] 上述低通濾波器可采用二階低通濾波器，本發(fā)明采用的二階低通濾波器包括運(yùn)算 放大器、電阻R1、R2、R3、R4，電容C1、C2。電阻R1的一端接相關(guān)雙采樣電路的輸出端，另一端 分別接電容C1和電阻R2;電容C1的另一端接運(yùn)算放大器的輸出端；電阻R2的另一端分別接 運(yùn)算放大器的同向輸入端和電容C2;電容C2的另一端接地；電阻R4的一端接地，另一端接運(yùn) 算放大器的反向輸入端；電阻R3的一端接運(yùn)算放大器的反向輸入端，另一端分別接運(yùn)算放 大器的輸出端和電阻R4。
[0032] 下面WCCD相機(jī)對黑白條紋祀標(biāo)進(jìn)行成像為例，具體說明本發(fā)明對調(diào)制傳遞函數(shù) 的增強(qiáng)效果。
[0033] 如果CCD相機(jī)對黑白條紋祀標(biāo)進(jìn)行成像，條紋祀標(biāo)的空間頻率為相機(jī)的極限截止 頻率，條紋祀標(biāo)的像與CCD像元尺寸相當(dāng)，在經(jīng)過精確對準(zhǔn)后，獲取的圖像也為黑白條紋。通 過黑白條紋的灰度就可W計(jì)算得到相機(jī)的對比度傳遞函數(shù)（CTF，Contrast Transfer 化nction):
:DN為灰度值）。將對比度傳遞函數(shù)CTF進(jìn)行傅里 葉展開即可獲得相機(jī)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，在不考慮傅里葉展開高次項(xiàng)的情況下有調(diào)制傳 遞函數(shù)
。由于最終圖像的灰度實(shí)際上是每一個(gè)像元信號在AD量化后 的結(jié)果，故相機(jī)的對比度傳遞函數(shù)CTF也可W利用信號電平進(jìn)行計(jì)算，因此在沒有經(jīng)過濾波 器放大處理時(shí)相機(jī)的對比度傳遞函數(shù)
>
[0034]本發(fā)明在信號AD量化之前設(shè)置一個(gè)品質(zhì)因數(shù)Q〉0.5的二階低通濾波器，CCD信號 (方波信號)在通過濾波器后會產(chǎn)生振鈴，如圖3所示，每組振鈴的第一個(gè)振鈴幅值與方波振 幅之間的關(guān)系為'
，ΔV1為方波振幅，ΔV1=V1-V2。調(diào)整AD 量化的采樣點(diǎn)，令其落在每組振鈴的第一個(gè)振鈴的峰（谷）處（如圖2c中所示Z11、Z21、Z31 處），運(yùn)樣相機(jī)的對比度傳遞函數(shù)
?？蒞看出，在運(yùn)種情況下，相 機(jī)的CTF提升量式
舊應(yīng)的，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的提升量為
調(diào)整濾 波器的品質(zhì)因數(shù)Q，就能夠獲得不同的調(diào)制傳遞函數(shù)MT巧曽強(qiáng)效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 去除無效信號:將原始CCD信號輸入相關(guān)雙采樣電路，以去除原始CCD信號中的復(fù)位 脈沖，同時(shí)將原始CCD信號離散化； (2) 有效信號放大:將經(jīng)步驟（1)處理后的CCD信號輸入品質(zhì)因數(shù)Q>0.5的低通濾波器， (XD信號在通過濾波器后放大并產(chǎn)生多組振鈴，且每組振鈴的第一個(gè)振鈴與輸入濾波器的 CCDfg號振幅線性相關(guān)； (3 )AD量化：調(diào)整AD轉(zhuǎn)換電路中AD量化芯片的采樣保持點(diǎn)，使其落在步驟(2)中所述第 一個(gè)振鈴的極值點(diǎn)處，則獲得的AD量化值較之原始CCD信號有一定的放大，在CCD相機(jī)的圖 像上表現(xiàn)為調(diào)制傳遞函數(shù)獲得一定的增強(qiáng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，其特征在于:所述 步驟(2)中低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q越大，調(diào)制傳遞函數(shù)的增強(qiáng)幅值越大。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的方法，其特征在于:所述 步驟(2)中通過設(shè)置低通濾波器的帶寬，對放大后的CCD信號在AD量化之前進(jìn)行濾波。4. 一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的電路，其特征在于:包括依次連接的相關(guān)雙采樣 電路、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換電路，其中，相關(guān)雙采樣電路的輸入端與原始CCD信號源相連； 所述相關(guān)雙采樣電路用于去除原始CCD信號中的復(fù)位脈沖，并將原始CCD信號離散化； 所述低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q>〇. 5,用于將相關(guān)雙采樣電路輸出的CCD信號動態(tài)放大， 且放大后的CCD信號具有多組振鈴； 所述AD轉(zhuǎn)換電路包括AD量化芯片和AD驅(qū)動時(shí)鐘電路，用于將所述低通濾波器輸出的 CCD信號數(shù)字化;所述AD驅(qū)動時(shí)鐘電路用于精確控制AD量化芯片的采樣保持點(diǎn)，使采樣保持 點(diǎn)落在所述多組振鈴中第一個(gè)振鈴的極值點(diǎn)處。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的電路，其特征在于:所述 低通濾波器為二階低通濾波器。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可增強(qiáng)CCD相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)的電路，其特征在于:所述 二階低通濾波器包括運(yùn)算放大器、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4;所述電阻R1的一端與所 述相關(guān)雙采樣電路的輸出端相連，另通過電阻R2與運(yùn)算放大器的同向輸入端相連;所述電 阻R1和電阻R2之間還接有電容C1，電容C1的另一端接運(yùn)算放大器的輸出端;所述電阻R2和 運(yùn)算放大器的同向輸入端之間還接有電容C2，電容C2的另一端接地;所述電阻R3的一端接 運(yùn)算放大器的輸出端，另一端分別接電阻R4和運(yùn)算放大器的反向輸入端;所述電阻R4的一 端接運(yùn)算放大器的反向輸入端，另一端接地。
【文檔編號】H04N5/217GK105872318SQ201610284179
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張健, 徐哲, 趙燕, 李愛玲, 白喆
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所