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工业相机问与答（机器视觉入门重要知识）
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3秒自动关闭窗口用二次触发法改进接触式传感器线阵相机的曝光性能
罗 颖, 谭沛岩, 刘 霖, 叶玉堂, 刘 永. 用二次触发法改进接触式传感器线阵相机的曝光性能. 光学精密工程, ): 245-252[LUO Ying, TAN Pei-yan, LIU Lin, YE Yu-tang, LIU Yong. Improvement of exposure performance of linear array CIS camera by two-trigger method. Optics and Precision Engineering, ): 245-252]&&
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用二次触发法改进接触式传感器线阵相机的曝光性能
谭沛岩1,2,
1. 电子科技大学 现代光电测控及仪器实验室(摩米实验室),四川 成都 610054
2. 成都术有科技有限公司,四川 成都 610054
作者简介：罗颖（1983-），男，贵州贵阳人，博士研究生，2005年、2008 年于电子科技大学分别获得学士、硕士学位，主要从事机器视觉、光电测控及仪器的研究。E-mail:通讯作者：谭沛岩（1990-），男，山西太原人，硕士研究生，2013年于电子科技大学获得学士学位，主要从事光电测控领域的研究。E-mail: 导师简介：叶玉堂(1946-)，男，重庆忠县人，教授，博士生导师，1970年于北京大学获得学士学位,1981年于电子科技大学获得硕士学位，主要从事计算机热图象信号处理，单片光电集成回路及光电对抗的研究。E-mail:ytye@
基金:国家自然科学基金资助项目(No.);粤港关键领域重点突破项目(No.,No.);
针对外触发接触式图像传感器(CIS)线阵相机的扫描图像灰度值受外触发信号频率变化影响的问题,提出了一种新的曝光控制方法——二次触发法。首先,分析了外触发信号频率变化对图像灰度值影响的原因。然后,介绍了二次触发法:该方法将一个外触发信号转变为两次触发信号,第一次触发信号用于控制曝光,第二次触发信号用于控制CIS输出数据。最后,从理论上说明了该方法可以提升图像质量。将该方法成功应用于1.6 m长线阵零畸变CIS相机, 实验结果表明:在不同的触发频率下,扫描图像的灰度值波动范围减小了75%,消除了图像上的横条纹。在智能视觉十字绣数码喷印机的应用上,绣布上1 mm×1 mm的孔成像清晰、灰度值均匀。提出的方法有效地解决了外触发信号频率影响图像质量的问题,成功地提高了图像的质量。
接触式图像传感器(CIS);
CIS线阵相机;
外触发行频;
Improvement of exposure performance of linear array CIS camera by two-trigger method
LUO Ying1,
TAN Pei-yan1,2,
YE Yu-tang1,
1. Laboratory of Modern Opto-electronic Measurement & Instrument, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
2. Chengdu HOLDTECS Co., Ltd., Chengdu 610054, China
As the frequency changing of external trigger signal from an external trigger Contact Image Sensor( CIS) camera will cause the nonuniform of a scanned image gray value, a new exposure method——two-trigger method was proposed. First, the reason that the frequency changing of external trigger signal affects the image gray value was analyzed. Then, the two-trigger method was introduced. With the method, an external trigger signal was converted to two trigger signals, the first one was used to control the exposure and the second one was used to control the CIS to output data. Finally, it explained that the method can improve the image quality theoretically. A 1.6 meter non-distortion long-term array CIS camera was fabricated based on this method. The experimental results show that the fluctuation range of scanned image gray value is reduced by 75%, and the horizontal stripes on the image is eliminated at different trigger frequencies. When it is applied to an intelligent vision stitch digital printing machine, the image of 1 mm×1 mm hole in the embroidered cloth is clear. It concludes that the proposed method reduces the effect of the frequency changing of external trigger signal on images effectively and improves the image quality successfully.
Contact Image Sensor(CIS);
CIS linear array camera;
external line trigger frequency;
exposure control
1 引 言接触式图像传感器(Contact Image Sensor,CIS)具有结构简单、体积小、成本低、使用方便等特点,目前广泛应用在便携式扫描、票据识别、工业检测等领域[,,]。曝光时间作为一个重要的参量直接影响图像的质量,而图像质量的好坏直接决定扫描设备的性能,因此曝光时间的控制成为扫描设备设计的重点及难点。一般工业检测中使用的外触发CIS线阵相机因其采集背景相对固定,触发频率也是固定的,通常采用恒定的曝光时间即可获得均匀的图像。然而在某些特殊场合,如需要改变触发频率配合机械运转速度来获得高质量图像时,触发频率一旦发生改变,采用常见的一次触发控制方法会导致扫描图像的灰度值严重不均匀。　　图像质量作为评价整个相机的重要指标之一,直接影响着后续图像处理与分析的结果,因此国内外许多学者对此进行了大量的研究。Sato S等人对RGB三种颜色像素采用不同的曝光时间,并且使用图像重建算法处理数据,在高分辨率、高密度的小型成像设备上实现了较高的灵敏度[];Pillman B等人提出了曝光参数对数字图像质量影响的模型,并根据这个模型提出了一种计算曝光参数的半经验公式[];徐文等人研究了一种自动调节增益参数和曝光时间的算法,在机器视觉的使用中获得了高质量的图像[];陈绕青等人利用改进的图像曝光估计算法来计算曝光时间,在对静止卫星的成像中得到了最佳的图像质量[];但上述方法涉及的算法复杂,而且为保证系统的实时性,需使用大量的硬件资源,因此不适合应用于低成本领域。除此之外,还有很多学者通过校正的方法来提高图像质量。朱均超等人采用分段校正的方法对原始图像进行校正[];Kim J等人对图像的色彩失真和非线性做了校正[];吴厚德等人通过研究行平均灰度和行曝光时间的关系,提出了一种基于延时积分的矫正方法[];王文华等人使用两点法在硬件上对图像的非均匀性进行了实时矫正[];这些方法均是针对有问题的图像进行还原,其效果很大程度上依赖于所采用的校正方法。本文深入分析了可变行频情况下外触发信号影响CIS线阵相机图像质量的原因,提出了一种全新的CIS曝光控制方法——二次触发法。该方法无需复杂的算法和后续的图像处理,仅通过控制时序的改进就可以使线阵CIS每行的曝光时间恒定,从而消除了行频变化对图像质量的影响。2 基本原理2.1 行频变化对CIS采图质量的影响CIS是由光源系统和感光系统单件构成的集成模块,包括发光二极管(LED)光源阵列、光电二极管(PD)、模拟存储电路。输入信号包括开始触发脉冲信号(SP)、时钟信号(CLK)、LED输入电流。输出信号为光信号转换而成的模拟输出电压信号(VOUT)。外触发式的CIS线阵相机系统有一个外部触发输入信号,该信号每次有效后,CIS线阵相机将输出一行有效像素。　　在需要用到外部触发的实际工程应用中,触发信号的频率要与电机的转动以及被扫描物体的运动保持一致。但是,电机在启动和停止的过程中是非匀速的,并且使用者可能根据实际情况停止扫描一段时间后再启动扫描。这样就造成了外部触发信号的频率往往是可变的,甚至信号会在中断一段时间后继续有效。　为外部触发信号频率发生变化时采集到的图像,上半部分的外部触发频率为1 kHz,下半部分的外部触发频率为200 Hz,可以明显地看到两部分图像的灰度值不一致。为扫描中途停止2 s后继续扫描的图像,可以看到一条明显的亮线,这是扫描重新启动后采集到的第一行图像。图1Fig.1 图1 触发行频变化的扫描图像Fig.1 Image with changable trigger frequency图2Fig.2 图2 扫描中途暂停触发的扫描图像Fig.2 Image with trigger stop during scanning针对上述问题,本文分析了行频变化影响CIS采集图像灰度值的原因。CIS内部的感光单元为光电二极管,它在反向电压的作用下工作,在没有光照射的情况下,流过的微弱反向电流,称为暗电流Id;当有光照射到PD的PN结上时,反向电流迅速增大,称为光电流。光电流会使PD上积累电荷,CIS的模拟电压信号输出与电荷的积累量成比例。因为CIS的输出电压直接影响最终的图像灰度值,所以采集图像的灰度值与CIS内部感光单元积累的电荷量成比例。　　在时间为0的时刻,外部触发信号有效,现场可编程门阵列(FPGA)控制SP信号产生脉冲,同时控制LED曝光时间为t1,曝光结束后又经过t2时间后下一个外部触发信号有效。在t1时间内,PD上的总电流主要由LED光源照射扫描原稿的反射光转换而成,这部分光电流记作Ip1,此外还有系统以外的光照射到PD产生的光电流Ip2和暗电流Id。在t2时间内,Ip1为零,但是Ip2和Id仍然存在。若外部触发信号的周期为T,可以得到在下一次外部触发信号有效时PD上的电荷量Q为:其中:又因为Id?Ip1和Ip2?Ip1,式(1)可化简为:令Ip2(t))dt,可得:从式(4)可以看出,PD上的总电荷量Q由Q1和Q2两部分组成。Q1反映了曝光时间t1内CIS内部LED光源照射到被扫描稿件上反射回来的光在感光单元上积累的电荷量,能真实反映被扫描图像的像素值,是相机系统需要的有效信号;Q2反映了非曝光时间t2内感光单元所积累的电荷量,不能反映被扫描图像的特征,是无效的干扰信号。由Q2的表达式可知,在CIS线阵相机系统外界环境不变的情况下,即Id和Ip2为已知的固定量,Q2由t2决定。进一步分析可知,在曝光时间t1固定的情况下,Q2完全由外部触发信号的周期T决定。外部触发信号的周期越大,Q2就越大,CIS输出的模拟电压信号就越大,最后得到的图像的灰度值就越高。扫描过程中暂停触发的情况下,随着暂停时间的增加,Q2的值也不断增加,因此导致重新开始触发后采集到的第一行图像的灰度值很大,近似于一条白线。2.2 二次触发法对图像质量的提升通过仔细分析问题产生的原因,本文提出了二次脉冲触发的方法,有效地解决了上述问题。由于图像灰度值不一致主要是受无效电荷Q2的影响,降低该影响的关键在于控制无效电荷的积累时间t2。二次触发法的思路为:系统每当接受到一次外部触发信号后,FPGA就产生两个开始脉冲触发信号(SP)触发CIS。其中,第一个SP信号只用于曝光,不接收CIS的输出数据;第二个SP信号不进行曝光,只接收CIS输出的数据,此时接收到的数据为第一个SP信号曝光产生的信号。设在时间为0的时刻,外部触发信号有效,FPGA产生第一个SP信号,同时控制LED的曝光时间为t1,之后又产生第二个SP信号,两个SP信号的时间间隔为T1,且t1<T1,这样可得在第二次SP信号有效时,PD上积累的电荷量Q*为:令Ip2(t))dt,可得:由式(5)、(6)可知,感光单元上积累的无效电荷量Q*2只与两个SP信号的固定时间间隔有关,与外部触发信号的周期无关。这样当外部触发信号的频率改变时,不会影响图像的灰度值。3 二次触发法的实现3.1 CIS线阵相机系统为长线阵CIS相机的硬件实物图。为相机的工作流程示意图。FPGA接收外部触发信号,通过光源控制芯片驱动LED光源工作,使得CIS处于曝光状态。同时,通过CLK和SP信号控制CIS输出模拟信号,该模拟电压经过后面的AD转换后变为数字信号,再经过FPGA处理后上传至上位机PC显示图像。图3Fig.3 图3 长线阵CIS相机硬件实物图Fig.3 Hardware of long-term array CIS camera3.2 二次触发法在FPGA上的实现FPGA具有运行速度快,时钟管理方便等优点。本文提出的二次曝光法可以在基于FPGA的扫描系统上实现。为FPGA的系统框图。利用FPGA片上集成的锁相环(Phase Locked Loop,PLL)可以精确地产生每个模块所需要的时钟。外触发信号直接连接到FPGA的输入管脚,在FPGA片上采用专门的触发信号检测模块检测触发信号的变化,当检测到外触发信号有效时,FPGA通过计数器定时产生两个SP信号触发CIS扫描。在第一次触发过程中,控制曝光模块曝光,不控制AD转化数据;在第二次触发过程中,曝光模块不进行曝光,而AD将CIS输出的模拟信号转化为数字信号,FPGA接收该数字信号进行存储、处理和发送等后续步骤。图4Fig.4 图4 CIS线阵相机系统框图Fig.4 Block diagram of CIS linear array camera图5Fig.5 图5 FPGA系统框图Fig.5 Block diagram of FPGA system4 实验结果及分析4.1 色彩均匀纸张扫描采用CIS线阵相机扫描一张A4幅面白色纸张,该纸张的厚度、灰度等指标均匀。分别用频率为0.5,1,2,4 kHz的外部触发信号进行触发扫描,CIS的曝光时间均为50 μs。在每种频率的扫描图像中任意选取一行统计平均灰度值数据,传统的一次触发法和本文提出的二次触发法的所得结果如所示。表1Tab.1表1(Tab.1)
表1 两种曝光方法的效果比较
Tab.1 Comparison of two kinds of exposure methods外触发信号/kHz曝光时间/μs一次曝光法灰度平均值二次曝光法灰度平均值4501091042501151061501331040.550167103
表1 两种曝光方法的效果比较
Tab.1 Comparison of two kinds of exposure methods从可以明显地看到,在不同的外触发信号频率下,虽然CIS的曝光时间相同,但是一次触发法扫描相同原稿得到的图像差异很大,外触发信号的频率越低,扫描得到的图像灰度值越高,灰度平均值的差异最高为58。采用二次触发法后,扫描图像的灰度值不再受外触发信号频率的影响,灰度平均值的差异最高为3,一致性提高了将近20倍。　　比较了一次触发法和二次触发法采集到图像的灰度分布曲线。采集对象仍然是一张色彩均匀的纸张,外触发行频在一定范围内随机发生变化,统计每一行像素的灰度平均值,绘制灰度分布曲线,横轴为行数,纵轴为一行的灰度平均值。由可知,一次触发法采集到的图像的灰度平均值在96~112波动,而二次触发法采集到的图像的灰度平均值在100~104变化,波动范围缩小了75%。图6Fig.6 图6 两种曝光方法的灰度曲线图Fig.6 Gradation curves of two kinds of exposure methods4.2 带图案纸张的扫描结果采用CIS线阵相机扫描一张有图案的纸张,采用外触发方式进行采图,触发频率随机变化。(a)是一次触发法采集到的图像,白色字体上有非常明显的横条纹,这是由触发行频不一致造成的。(b)是二次触发法采集到的图像,横条纹消除了,图像灰度值非常均匀。图7Fig.7 图7 两种曝光方法的扫描图像Fig.7 Scanning images with two kinds of exposure methods4.3 智能视觉十字绣数码喷印机应用为8根A4幅宽的CIS拼接而成的宽幅外触发CIS线阵相机。系统工作时,由图像采集卡通过Camera Link接口向相机发送外部触发信号,可实现1.6 m宽幅面、零畸变扫描。该相机已成功应用于智能视觉十字绣数码喷印机中, 实现了对十字绣布的清晰成像,采集到的绣布图像如所示。绣布上1 mm ×1 mm的孔成像清晰、灰度值均匀,为后端实现喷印位置的精确引导提供了保障。目前,已有上百台采用二次触发法的宽幅外触发CIS线阵相机在智能数码喷印设备上稳定运行。图8Fig.8 图8 宽幅外触发CIS线阵相机Fig.8 Long term CIS camera by external trigger图9Fig.9 图9 十字绣布的扫描图像Fig.9 Scanning image of cross stitch fabric5 结 论本文针对外触发线阵相机扫描图像灰度值受外触发信号频率影响的问题,深入分析了触发行频对图像质量的影响机理,提出了二次触发的曝光新方法,解决了行频影响图像质量的问题。实验及测试结果表明:采用二次触发法后,扫描图像的灰度值不再受外触发信号频率的影响,使用不同的外触发行频对色彩均匀的纸张扫描得到的图像灰度值差异和波动范围极低,相比一次触发法减小了75%。扫描有图案的纸张可以得到灰度值均匀的高质量扫描图像。将二次触发法应用在智能视觉十字绣数码喷印机的宽幅外触发CIS线阵相机上,实现了1.6 m宽幅面、零畸变扫描,绣布上1 mm×1 mm的孔成像清晰、灰度值均匀。另外,将二次触发法用于1.6 m长线阵CIS相机在国内尚属首次。6 致 谢感谢刘娟秀老师对本文写作给予的启发,感谢谢雪平工程师在项目研发中给予的帮助。
王旭东, 叶玉堂, 陈东明, 等.
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康宁, 王元庆.
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介绍一种基于FPGA和CIS(接触是图像传感器)全新的高速高精度图像采集系统.系统由1200dpi的CIS作为图像传感器,处理来自36个通道的模拟并行数据的12个高速AD,一片作为主处理器对图像数据做拼接和处理的FPGA芯片,和以LVDS方式将图像数据传至PC做进一步处理的Camera link接口组成.实验结果表明采集的速度可高达12 m/min,检测最小孔径为30 μm,检孔误差小于0.5%.本图像采集系统已成功应用到自动光学检测设备上.
... 1 引 言接触式图像传感器(Contact Image Sensor,CIS)具有结构简单、体积小、成本低、使用方便等特点,目前广泛应用在便携式扫描、票据识别、工业检测等领域[1,2,3] ...
... 1 引 言接触式图像传感器(Contact Image Sensor,CIS)具有结构简单、体积小、成本低、使用方便等特点,目前广泛应用在便携式扫描、票据识别、工业检测等领域[1,2,3] ...
... 1 引 言接触式图像传感器(Contact Image Sensor,CIS)具有结构简单、体积小、成本低、使用方便等特点,目前广泛应用在便携式扫描、票据识别、工业检测等领域[1,2,3] ...
... Sato S等人对RGB三种颜色像素采用不同的曝光时间,并且使用图像重建算法处理数据,在高分辨率、高密度的小型成像设备上实现了较高的灵敏度[4] ...
. 2011, (2):147-158
&li&&span class="position"&1.&/span&&span class="affiliation"&Eastman Kodak Company, Rochester, NY, 14650, USA&/span&&/li&
AbstractThis paper discusses exposure determination for digital cameras, beginning with a tutorial on exposure control and the factors affecting the quality of still captures, especially exposure index. It presents a psychometric model for the overall quality of digital camera images as a function of motion blur and exposure index. A motion-aware exposure control algorithm based on that model is described for exclusively ambient illumination and then extended for combined flash and ambient illumination. Results from a field test with a modified consumer camera quantify the effectiveness of the algorithm.
... Pillman B等人提出了曝光参数对数字图像质量影响的模型,并根据这个模型提出了一种计算曝光参数的半经验公式[5] ...
... 徐文等人研究了一种自动调节增益参数和曝光时间的算法,在机器视觉的使用中获得了高质量的图像[6] ...
... 陈绕青等人利用改进的图像曝光估计算法来计算曝光时间,在对静止卫星的成像中得到了最佳的图像质量[7] ...
... 朱均超等人采用分段校正的方法对原始图像进行校正[8] ...
... Kim J等人对图像的色彩失真和非线性做了校正[9] ...
. 2013, (2):454-461
(吴厚德) , (许文海) . (多输出 CCD 接缝的校正) [J]. (光学 精密工程) , 2013 , 21 ( 2 ): 454 - 461 . WU D H
College of Information Science and Technology, DaLian Maritime University
A new correction method based on the concept of Time Delay Integration (TDI) was proposed to eliminate the picture seams from a multiple output CCD. The TDI readout operation was used to capture the image under the illumination of a uniform light source, then a model to obtain the relationship between the line average gray level and the exposure time of the image was established. On the basis of the model, CCD output responses were fitted and the output non-uniformity was corrected. By the correction operations mentioned above, the seam correction was implemented in the analog domain of an Analog Front End (AFE).As only one image was needed for the correction method, the correction accuracy could not be affected by the illumination adjustment accuracy of uniform light source. Experiment results show that output non-uniformity by proposed method is 2.482% less than that of two-point method and 1.052% less than that of multi-point method (16 points), which means that the method has better correction effect, less experimental workload and can be widely used in the seam correction of multiple output CCDs.
针对多输出CCD传感器成像存在接缝的问题，提出了一种基于延时积分（TDI）的校正方法。使用TDI的读出方式对均匀光源成像获得了具有亮度线性渐变的图像数据，建立了获得图像的行平均灰度和行曝光时间关系的模型，通过该模型对CCD每路输出特性进行拟合，校正了CCD多输出的不均匀性，解决了图像接缝问题,并在模拟前端（AFE）完成了校正过程。本方法仅使用一次成像过程，避免了辐照度调整精度对校正精度的影响。与传统的两点法和多点法（16点）相比，提出方法的输出非均匀性分别减少了2.428%和 1.052%，校正效果明显提高。实验显示：本方法校正精度高，实验工作量低，可以广泛用于多输出CCD的接缝校正中。
... 吴厚德等人通过研究行平均灰度和行曝光时间的关系,提出了一种基于延时积分的矫正方法[10] ...
. 2010, (6):
(王文华) , (何斌) , (韩双丽) , 等. (星上 CCD 成像非均匀性的实时校正) [J]. (光学 精密工程) , 2010 , 18 ( 6 ): 1420 - 1428 . WANG W H
1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, C&BR&2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China
The reasons for the nonuniformity in CCD imaging were researched, and the feasible schemes to correct the nonuniformity of an image from a satellite were discussed by using a flat field correction method. Then, based on FPGA-based processor, a real-time correction approach was presented to control all of the operations of TDICCD to implement the hardware correction of the nonuniformity. Furthermore, the Nonuniformity Equivalent Digital Number (NUEDN) was calculated by using FPGA to extract the first 32 rows of a raw image in the uniform exposure, and the real time correction for digital images was carried out when the NUEDN was set to be more than 2. The experimental results in the uniform exposure indicate that the NUEDN falls to 0.29. Dynamic push-scanning imaging test was also performed with a standard resolution chart attached on a roller, and the results have proved the validity of the approach in practical projects.
研究了时间延时积分(TDICCD)成像产生非均匀性的原因,基于两点校正算法探讨了星上图像非均匀性实时校正的可行性方案。鉴于工程一体化设计的要求,在常用的CCD时序处理器FPGA上实现了硬件实时校正。通过对相机均匀辐射定标,利用FPGA读取前32行TDICCD图像数据进行非均匀性等效灰度值(NUEDN)计算,根据工程经验,设定当NUEDN>2时对数字图像进行非均匀性实时校正。硬件实时校正结果表明,均匀辐照下NUEDN可降至0.29。实验室动态目标滚筒成像试验表明,实时校正后TDICCD推扫成像均匀光滑,满足工程需要。
... 王文华等人使用两点法在硬件上对图像的非均匀性进行了实时矫正[11] ...
用二次触发法改进接触式传感器线阵相机的曝光性能
[罗 颖1, 谭沛岩1,2, 刘 霖1, 叶玉堂1, 刘 永1]}