基于NIOS的CCD攝像機快速調光算法

【摘要】針對CCD攝像機快速自動電子快門調節的工程需求，根據CCD探測器的光電線性關系，設計了一種以NIOS為核心的CCD相機快速調光方案。研制的CCD攝像機可以自適應光強度進行快速電子快門調節，本文給出了算法的理論依據，設計原理和相關軟件設計。

【關鍵詞】NIOS 快速調光

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-6675（2013）15-

一、引言

電荷耦合器件（Charge Couple Device）是一種半導體光敏器件，具有輸出噪聲低，高動態范圍，量子轉移效率高等優點[1]。隨著CCD攝像機應用范圍的不斷擴展，越來越多的工程項目對CCD攝像機的自適應調光能力提出了更高的要求。在CCD攝像機成像過程中，積分時間的長短對CCD攝像機的成像質量影響很大。在同樣的光照度下，積分時間過長會使圖像過亮，甚至飽和導致信號失真，積分時間過短會使圖像過暗，丟失圖像細節，導致對比度降低。由于在大多實際成像環境中光穩定性無法保證，因此需要CCD攝像機在光照變化過程中，尤其是光照急劇變化的過程中實時調節電子快門脈沖的位置來實現積分時間的調節。本設計就是以NIOS為核心，根據采集得到圖像灰度計算理想的積分時間，實現CCD攝像機快速自適應調光的功能。

二、調光算法設計原理

為了保證攝像機采集的圖像保持高信噪比和對比度，理想狀態是使圖像的平均灰度始終保持一個固定的區間，也就是圖像平均灰度的期望值，一般取值為飽和灰度值的50%左右。當圖像灰度統計值在期望區間時，認為滿足要求，不進行調光，若灰度值高于期望區間，則每幀圖像采集后積分時間降低5%，反之則每幀圖像采集后積分時間增加5%，但這種調光算法雖然穩定但可能在光強變化劇烈時導致調光時間過長，在光強劇烈變化后的一段時間內圖像不滿足期望灰度值的要求，達不到自適應調光的要求。

因此，需要設計一種快速調光方案，在光強變化強烈時采用快速調光方法，否則采用積分時間依次變化的穩定調光方法。

三、快速調光的理論依據

CCD芯片工作在線性區域時，攝像機輸出的圖像灰度與積分時間成線性比例關系。以此為前提條件，攝像機輸出的圖像灰度與積分時間的比值恒定，依照該關系可得出如下公式：

式中， 為第N幀圖像的積分時間， 為第N幀圖像的平均灰度。 為平均灰度的期望值， 為積分時間的理想值。采用該方法，當CCD工作在非飽和區域時，理想狀態下可通過算法的單次調節完成積分時間的設置。當CCD工作在過飽和狀態下時，單次調節的最大比例為 。

四、調光算法軟件設計

1.光強變化的狀態判別

狀態判別是指要求攝像機組件通過對采集到的圖像進行光強變化狀態的識別，判定光強變化強烈與否。該功能原理如下：突變的光線入射會造成圖像平均灰度的大幅上升和下降，通過在攝像機內部對采集的圖像灰度信息進行數據統計和分析，判定光強變化狀態。

光強強烈改變后的圖像平均灰度變化是一個快速過程，其平均灰度變化速度較高；光強緩慢改變帶來的圖像平均灰度變化是一個較為緩慢的過程，其平均灰度變化相對較低；因此狀態判別的實現可通過圖像平均灰度變化的值進行判定。為了保證圖像灰度輸出穩定，防止圖像亮暗閃爍的不穩定情況，在當前幀圖像平均灰度統計值與前三幀平均灰度的差值達到判定閾值以上時，認為光強發生強烈改變，進行快速調光，否則進行正常緩慢調光。

2.系統硬件設計

NIOS是FPGA中的嵌入式軟核，基于FPGA的SOPC嵌入式系統NIOS具有體積小，功耗低，速度快等許多優點[2]，攝像機內部使用了基于ALTERA公司EP3C40型FPGA的SOPC嵌入式系統進行整體的方案設計和功能實現，其中使用FPGA硬件描述語言完成了SONY公司CCD芯片ICX415的驅動時序產生，調節積分時間，NIOS模塊完成CCD信號處理器配置，對圖像統計模塊的參數設置和灰度統計功能。

3.軟件設計流程

調光算法基本過程如下，攝像機開啟后，FPGA產生CCD驅動信號，同時采集圖像數據，使用NIOS軟核對當前幀圖像數據進行灰度統計，計算與前幀圖像灰度變化是否達到快速調光預設條件，達到條件采用快速調光計算方法，否則采用正常調光計算方法，調光計算完成后將期望的積分時間值傳給FPGA，由FPGA調節電子快門脈沖位置實現對積分時間的控制。具體算法流程圖如下：

經過驗證，本系統在調光功能方面達到了預期效果。圖3，圖4為照度不同情況下調光成像的圖片。

圖3 照度11000Lx成像圖 圖4 照片24000Lx成像圖

五、結論

本文根據實際CCD攝像機自適應調光的應用要求，基于NIOS軟核，通過調光算法設計對CCD攝像機的期望積分時間做出計算，并由FPGA完成對CCD電子快門調節脈沖驅動來調節積分時間，相比以前的CCD攝像機，本算法設計具有調光穩定，快速等優點，可適用于光強復雜變化的環境中成像，目前已經應用在某工程項目中。

參考文獻

[1]王慶有.CCD應用技術[M].天津.天津大學出版社，2000.

[2]G.Bailey著.原魁，何文浩等譯.基于FPGA的嵌入式圖像處理系統設計[M].北京.電子工業出版社，2013.

作者簡介

楊家鑒，男，1980.12，廣西，重慶光電技術研究所，CCD應用技術，碩士。