造成CCD畫面過飽和現(xiàn)象的原因及解決方法

1 引言

CCD(Charge Coupled Device)，它是一種特殊半導(dǎo)體器件，具有光電轉(zhuǎn)換、電荷儲存、電荷轉(zhuǎn)移和檢測等功能。CCD 作為攝像機(jī)里一個極其重要的部件，它起到將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機(jī)的性能。目前CCD應(yīng)用的范圍越來越廣泛，隨之而來的問題也越來越多，其中較嚴(yán)重的是“過飽和”現(xiàn)象。

2 “過飽和”現(xiàn)象的成因

CCD 在強(qiáng)光環(huán)境中工作時其畫面會出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象。過飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要在于CCD 的成像原理——景物通過光學(xué)系統(tǒng)成實像于CCD 的感光面，CCD 將該實像的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)化為不同大小的電荷包分布，然后通過輸出結(jié)構(gòu)按照一定的時序依次輸出。傳輸電路對CCD 輸出的電信號進(jìn)行放大、去噪聲、濾波和A/D 轉(zhuǎn)換等處理后將所得的數(shù)字信號存入計算機(jī)，得到數(shù)字圖象。光強(qiáng)變化引起圖像變化的實質(zhì)是光強(qiáng)的變化引起CCD 輸出電信號的變化，電信號輸出過強(qiáng)就會出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象如圖1 所示。

圖 1 過飽和現(xiàn)象

圖1 中白色飽和區(qū)域中存在的黑色盲區(qū)就是發(fā)生“過飽和”現(xiàn)象的區(qū)域?！斑^飽和”現(xiàn)象是在輻照光的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于CCD 飽和閾值而低于破壞閾值的情況下容易發(fā)生，圖1 所示為強(qiáng)光圖，但在圖中白色區(qū)域正中間，實際亮度應(yīng)該更高的區(qū)域在圖中卻顯示為黑色盲區(qū)，此圖已經(jīng)完全失真。

對此，我們作了實驗研究，在實驗采集的示波器數(shù)據(jù)中，CCD 輸出波形每一個周期表示一個像素單元，每個像素單元分為三個部分，如圖2 所示，它們分別是復(fù)位脈沖饋入、復(fù)位電平和數(shù)據(jù)電平。CCD 讀出電荷的原理是將信號電荷包轉(zhuǎn)移到讀出電容器從而引起電容器兩端的電壓變化。復(fù)位脈沖的作用是使讀出電容器兩端電壓恢復(fù)至復(fù)位電平。在復(fù)位過程中，復(fù)位脈沖饋入到CCD 的讀出電容，在CCD 輸出波形中形成一個小的尖峰。復(fù)位電平是CCD讀出信號電荷包之前讀出電容兩端所維持的電平。數(shù)據(jù)電平是CCD 信號電荷包轉(zhuǎn)移至讀出電容器時電容兩端的電平。

圖 2 弱光照（正常工作）時CCD 輸出波形圖

根據(jù)CCD 光電轉(zhuǎn)換原理，數(shù)據(jù)電平與復(fù)位電平之差即信號電荷包引起的讀出電容兩端的電變化，與電荷包大小成正比。當(dāng)光強(qiáng)增大到一定程度時，由于CCD 所受光線能量過大，導(dǎo)致CCD 吸收光子能量所轉(zhuǎn)化的電子能量過大，從而產(chǎn)生“過飽和”現(xiàn)象。

3 單鏡頭雙CCD 結(jié)構(gòu)的設(shè)計

單鏡頭雙 CCD 結(jié)構(gòu)是指光線由一個鏡頭進(jìn)入，經(jīng)過處理分別照射在2 個不同的CCD上，由校準(zhǔn)CCD 輔助標(biāo)準(zhǔn)CCD 工作，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖 3單鏡頭雙CCD 結(jié)構(gòu)

雙CCD 結(jié)構(gòu)由一個標(biāo)準(zhǔn)CCD 和一個校準(zhǔn)CCD 構(gòu)成，通過析光平面鏡把大部分入射光線射入標(biāo)準(zhǔn)CCD 中，同時有一小部分光線被反射進(jìn)了校準(zhǔn)CCD，析光平面鏡的A 面反射一小部分入射光線，為校準(zhǔn)CCD 的成像提供光強(qiáng)，B 面要鍍增透膜使光能盡量透過，以避免該面反射的光能在校準(zhǔn)CCD 上產(chǎn)生重影現(xiàn)象。

實驗表明當(dāng)A 面鍍膜透反比為0.7:0.3，B 面鍍雙層增透，可以使重影幾乎消失，校準(zhǔn)CCD 也同時獲得了盡量高的光強(qiáng)。

在進(jìn)行強(qiáng)光拍攝或者強(qiáng)光差拍攝時，如果標(biāo)準(zhǔn)CCD 出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象，就會產(chǎn)生圖像失真，而此時刻校準(zhǔn)CCD 所受光強(qiáng)較弱，其反射光的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其閾值，畫面沒有遭到破壞，可以通過類似于移動通信技術(shù)里的分集接受原理來收集處理2 個CCD 輸出的電信號，利用校準(zhǔn)CCD 輸出的正常數(shù)據(jù)參數(shù)來代替標(biāo)準(zhǔn)CCD 產(chǎn)生“過飽和”時輸出的不正常數(shù)據(jù)參數(shù)，采用優(yōu)勢互補(bǔ)，即當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)CCD 的一段輸出電流過大時，則采用校準(zhǔn)CCD 的相應(yīng)的輸出電流進(jìn)行置換處理，通過對2 個CCD 所獲取的輸出電流進(jìn)行運(yùn)算整和從而緩解“過飽和”問題，并使得到的畫面盡可能的貼近真實的畫面。

4 “過飽和”現(xiàn)象的具體解決方案

4.1 方案具體實現(xiàn)過程

在所采集的示波器數(shù)據(jù)中，復(fù)位電平與數(shù)據(jù)電平疊加有相關(guān)的輸出噪聲，后續(xù)的模擬處理電路需要對CCD 芯片輸出信號進(jìn)行CDS 處理，即分別對復(fù)位電平和數(shù)據(jù)電平進(jìn)行采樣并且對兩次采樣的結(jié)果做差分放大輸出。沒有光照的時候數(shù)據(jù)部分相對于復(fù)位部分幾乎沒有變化。此時CCD 的輸出波形如圖4 所示。

圖4 無光照時CCD 輸出波形圖

當(dāng)光照過強(qiáng)時，CCD 輸出波形如圖5 所示，此時CDS 輸出結(jié)果同圖3 的輸出結(jié)果一樣都為零。但是前者是復(fù)位電平正常，而數(shù)據(jù)電平與復(fù)位電平相等，說明沒有數(shù)據(jù)信號，對應(yīng)與無光照的情形；后者是復(fù)位電平下降，復(fù)位電平與處于飽和的數(shù)據(jù)電平相等，對應(yīng)與過飽和區(qū)。

圖5 過飽和狀態(tài)CCD 的輸出波形圖

這只是標(biāo)準(zhǔn)CCD 發(fā)生“過飽和”現(xiàn)象時的輸出波形，而校準(zhǔn)CCD 在此時的輸出波形則如圖2 所示。具體的解決方法是：當(dāng)后續(xù)電路如果檢測出標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出數(shù)據(jù)流異常，即出現(xiàn)了過飽和現(xiàn)象時，立刻截取此段數(shù)據(jù)并丟棄，并將此時校準(zhǔn)CCD 所對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過同步處理使之銜接到已經(jīng)接收標(biāo)準(zhǔn)CCD 的數(shù)據(jù)流之后，同時對標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出數(shù)據(jù)流恢復(fù)正常時，將所需要采集的數(shù)據(jù)流目標(biāo)再次切換到標(biāo)準(zhǔn)CCD所輸出數(shù)據(jù)流，使數(shù)據(jù)的真實性得到了保障。

4.2 輸出信號整合方法：

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)CCD 的每個輸出信號（即像素單元）分別為a1(t),a2(t),a3(t),……,an(t),校準(zhǔn)CCD 的每個輸出信號分別為b1(t),b2(t),b3(t),……,bn(t),接收信號為M。若只接收標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出信號，最終接收到的信號M 可表示為：

M = a1(t)+a2(t)+a3(t)+……+an(t)

可以給標(biāo)準(zhǔn)CCD 每一時刻的輸出信號設(shè)置一個加權(quán)系數(shù)αi(1≤i≤n)，給校準(zhǔn)CCD 每一時刻的輸出信號設(shè)置一個加權(quán)系數(shù)βi(1≤i≤n)，在一般情況下（非過飽和）αi 的值為1，βi的值為0，此時M 可表示為：

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)CCD 的第i-j(1≤i≤n,1≤j≤n,i≤j)個信號出現(xiàn)過飽和時，其加權(quán)系數(shù)αi-αj 都為0，而校準(zhǔn)CCD 的輸出信號的加權(quán)系數(shù)βi-βj 都為1,則此時M 可表示為：

這時得到的接收信號M 為經(jīng)過處理后的信號，標(biāo)準(zhǔn)CCD 發(fā)生“過飽和”的信號已被校準(zhǔn)CCD的信號所替換，并且經(jīng)過處理，使二者達(dá)到了同步。

若利用示波器的輸出波形表示這一過程，則是在標(biāo)準(zhǔn)CCD 出現(xiàn)圖5 所示波形時，停止對其波形所進(jìn)行的接收，轉(zhuǎn)而對同一時刻的校準(zhǔn)CCD 的輸出波形（如圖2 所示）進(jìn)行分析處理，但是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出波形恢復(fù)正常時，則必須重新把分析處理的目標(biāo)切換回標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出波形，即在分析處理過程中用校準(zhǔn)CCD 的輸出波形替代標(biāo)準(zhǔn)CCD 出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象時的輸出波形，從而緩解了“過飽和”現(xiàn)象對所得到數(shù)據(jù)的影響。

4.3 單鏡頭雙CCD 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

在后續(xù)電路根據(jù)2.2 所設(shè)計的方案對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，可以按照以下程序進(jìn)行。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)CCD 的每一個輸出波峰單元的結(jié)構(gòu)為abc，校準(zhǔn)CCD 的每一個輸出波形單元的結(jié)構(gòu)def,其中的b 和e 都表示波峰，并將合適的數(shù)據(jù)波形賦值于S（此時處理S 的代碼塊會對S 所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理）,M 表示發(fā)生過飽和的波峰臨界值，則對每個輸出單元有：

以上程序就是針對標(biāo)準(zhǔn)CCD 和校準(zhǔn)CCD 所輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并整合的過程.由此可以對失真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而避免了“過飽和”現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)論

通過對“過飽和”現(xiàn)象產(chǎn)生原理的研究，發(fā)現(xiàn)了一種利用單鏡頭雙CCD 結(jié)構(gòu)解決CCD過飽和問題的方法，即運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)CCD 與校準(zhǔn)CCD 相結(jié)合的雙重保障結(jié)構(gòu)，根據(jù)校準(zhǔn)CCD 所受光照強(qiáng)度較弱不易發(fā)生過飽和的特性，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)CCD 發(fā)生過飽和時，接收端通過程序用同一時刻校準(zhǔn)CCD 的輸出數(shù)據(jù)代替標(biāo)準(zhǔn)CCD 的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并處理，從而更好的保留圖像的真實信息。但“過飽和”時刻的信息置換可能又帶來邊沿失真現(xiàn)象，留待以后對加權(quán)系數(shù)作進(jìn)一步的控制研究加以解決。