CCD成像电子学系统自动曝光和自动增益研究

论文摘要

本课题来源于高分辨率CCD成像电子学系统的实际研发项目,主要研究基于FPGA的自动曝光和自动增益系统。目前,自动拍照的摄像系统的分辨率都不高。在一些需要对场景细节进行分析和检测的特殊应用环境下,目前市场上流行的摄像系统都难以满足要求。因此高分辨率的摄像系统有着很大的现实需求。而自动曝光和自动增益是自动拍照的摄像系统中的必不可少的功能组成部分。对于一个成像系统而言,图像亮度由场景光强、光圈大小、曝光时间、信号增益等四个因素所决定。在自然情况下,场景光强由自然光的光强所决定,人们不能方便地自动控制。因此,为了能自动获得亮度适中、细节表现清晰的图像,只需要对光圈大小、曝光时间、信号增益这三个量进行有效控制便可以实现。在本系统中,光圈大小属于手动控制,因此只需要对曝光时间和信号增益进行自动控制便可。自动曝光就是成像系统对所拍照物体进行自动曝光,以获得亮度适中的图像。一般包括光强测量、场景分析和曝光补偿等三个步骤,可以用光学和电子学两种方式来实现。自动增益就是根据当前图像亮度情况自动调整放大器的增益以调整图像的亮度。为了能自动获得亮度适中、细节表现清晰的图像,本课题组提出了灰度均值和直方图灰度级动态范围相结合的自动曝光和自动增益算法,以曝光时间为先决条件,采用电子学实现方式,并以分析直方图亮度分布来判断所处的光照环境。算法根据功能共分为灰度统计模块、动态范围调整模块、增益和曝光时间换算模块、增益编码查找模块和快门控制模块等。算法程序采用Verilog HDL语言编写,在课题组自己设计的FPGA硬件平台上实现。目前,整个系统的软、硬件部分都已设计制作完成,也完成了系统的整体调试。自动曝光和自动增益算法的性能也通过了实验验证,获得的图像清晰。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的组织结构
• 第2章 成像系统图像亮度的决定因素及系统结构
• 2.1 成像系统图像亮度的决定因素
• 2.1.1 场景光强
• 2.1.2 光圈大小
• 2.1.3 曝光时间
• 2.1.4 信号增益
• 2.2 成像系统的结构
• 2.2.1 CCD成像电子学系统硬件总体结构
• 2.2.2 CCD成像电子学控制系统功能结构
• 第3章 自动曝光和自动增益原理
• 3.1 自动曝光原理
• 3.1.1 自动曝光实现方式
• 3.1.2 自动曝光依据
• 3.2 本系统自动曝光方案
• 3.2.1 本系统自动曝光的基本原理
• 3.2.2 本系统自动曝光的算法流程
• 3.2.3 本系统自动曝光控制的对象
• 3.3 自动增益原理
• 3.3.1 自动增益控制原理
• 3.3.2 本系统自动增益控制的实现方式
• 第4章 自动曝光和自动增益算法实现
• 4.1 灰度统计模块
• 4.1.1 模块功能
• 4.1.2 程序思路
• 4.1.3 程序流程
• 4.2 动态分布调整模块
• 4.2.1 模块功能
• 4.2.2 程序思路
• 4.2.3 程序流程
• 4.3 增益和曝光时间换算模块
• 4.3.1 模块功能
• 4.3.2 程序思路
• 4.3.3 程序流程
• 4.4 增益编码查找模块
• 4.4.1 模块功能
• 4.4.2 程序思路
• 4.4.3 程序流程
• 4.5 快门控制模块
• 4.5.1 模块功能
• 4.5.2 工作时序
• 4.5.3 快门连续工作程序流程
• 第5章 实验测试
• 5.1 线性度的测试
• 5.1.1 曝光时间与灰度均值的线性度
• 5.1.2 信号增益与灰度均值的线性度
• 5.1.3 曝光时间、信号增益两者相结合对灰度均值的影响
• 5.2 算法的测试
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历