面向弱光探测的实时像元合并

张刘; 王亚明; 张文; 王文华

doi:10.37188/OPE.2021.0297

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

面向弱光探测的实时像元合并

现代应用光学 | 更新时间：2022-01-25

- 面向弱光探测的实时像元合并
- Real-time pixel merging for weak light detection
- 光学精密工程 2021年29卷第11期页码：2539-2547
- 作者机构：
  
  吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春 130021
- 作者简介：
  
  [ "张　刘（1978-），男，安徽蚌埠人，教授，博士生导师，2001年、2003年、2007于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士和博士学位，主要从事新型航天光学遥感技术及文星控制技术，光电成像，星敏感器等技术的研究。E-mail：zhangliu@jlu.edu.cn" ]
  [ "王文华（1982-），男，山东泰安人，副教授，2005年于东北师范大学获得学士学位，2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事航天相机成像电子学、光电成像与图像处理、空间目标对接位姿测量等技术的研究。E-mail：wangwh900@jlu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  科技部重点研发计划资助项目(2016YFB0501000;2016YFB0501002);科工局国防基础科研重点突破项目;装备预研领域基金资助项目(JZX7Y20190254047001);上海航天科技创新基金资助项目(SAST2018046);国防基础科研计划资助项目(JCKY2019110)
- DOI：10.37188/OPE.2021.0297
  中图分类号： TH74;TH75
- 收稿日期：2021-05-12，
  
  修回日期：2021-06-17，
  
  纸质出版日期：2021-11-15
- 稿件说明：
移动端阅览
张刘,王亚明,张文等.面向弱光探测的实时像元合并[J].光学精密工程,2021,29(11):2539-2547.

ZHANG Liu,WANG Ya-ming,ZHANG Wen,et al.Real-time pixel merging for weak light detection[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2539-2547.
张刘,王亚明,张文等.面向弱光探测的实时像元合并[J].光学精密工程,2021,29(11):2539-2547. DOI： 10.37188/OPE.2021.0297.

ZHANG Liu,WANG Ya-ming,ZHANG Wen,et al.Real-time pixel merging for weak light detection[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2539-2547. DOI： 10.37188/OPE.2021.0297.

摘要

为解决弱光环境下月球着陆粗避障环节成像不清晰的问题，提出了“区域”像元合并和去除相机本底值两种图像预处理方法，来提高探测器的成像灵敏度和图像信噪比与对比度。在分析传统像元合并实现原理的基础上，提出了一种针对

_taps成像数据格式的“区域”像元合并方法。根据月球着陆粗避障环节中大尺度障碍识别的特点，通过去除相机本底值来提高图像的对比度。最后，利用宽、窄视场两款相机分别对像元合并、去除相机本底值以及两者结合的方法进行了重复性实验。实验结果表明，在弱光环境下，结合像元合并与去除相机本底值的方法可有效提高图像的信噪比与对比度，2_Binning模式下宽视场相机的信噪比可提高5.901 4 dB、对比度可提高0.254 7，窄视场相机的信噪比可提高5.764 4 dB、对比度可提高0.265 4；4_Binning模式下宽视场相机的信噪比可提高11.689 9 dB、对比度可提高0.210 2，窄视场相机的信噪比可提高11.401 5 dB、对比度可提高0.284 0。

Abstract

In order to solve the problem of unclear images in the rough obstacle avoidance link of lunar landing in weak light environments， this study proposes two image preprocessing methods， namely "region" pixel binning and camera background value removal， to improve the imaging sensitivity， image signal-to-noise ratio （SNR）， and contrast ratio of lunar landing. First， based on the analysis of the principle of traditional pixel binning， a region pixel binning method based on the

_taps imaging data format is proposed. Then， according to the characteristics of large-scale obstacle recognition in lunar landing rough obstacle avoidance， the image contrast is improved by removing the background value of the camera. Finally， the methods of pixel binning， camera background removal， and the combination of the two methods are repeated using two cameras that have wide and narrow fields of view. The experimental results show that the SNR and contrast of images can be improved effectively by combining pixel merging and camera background value removal under weak light environments. In 2_Binning mode， the SNR and contrast of the camera with a wide field of view can be improved by 5.901 4 dB and 0.254 7， respectively， and the SNR and contrast of the camera with a narrow field of view can be improved by 5.764 4 dB and 0.265 4， respectively. In 4_Binning mode， the SNR and contrast of the camera with a wide field of view can be improved by 11.689 9 dB and 0.210 2， respectively， and the corresponding values for a camera with a narrow field of view can be improved by 11.401 5 dB and 0.284 0， respectively.

关键词

Keywords

references

张洪华，梁俊，黄翔宇，等 . 嫦娥三号自主避障软着陆控制技术［J］. 中国科学（技术科学）， 2014 ， 44 （ 6 ）： 559 - 568 . doi: 10.1360/092014-51 http://dx.doi.org/10.1360/092014-51

ZHANG H H ， LIANG J ， HUANG X Y ， et al . Autonomous hazard avoidance control for Chang'E-3 soft landing ［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2014 ， 44 （ 6 ）： 559 - 568 . （in Chinese） . doi: 10.1360/092014-51 http://dx.doi.org/10.1360/092014-51

兰太吉 . 数字域TDI CMOS遥感相机高动态高灵敏成像技术研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2018 . doi: 10.3390/app7101089 http://dx.doi.org/10.3390/app7101089

LAN T J . Research on High-Dynamic-Range and High Sensitivity Optical Remote Sensing Imaging Method for Digital TDI CMOS ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences ， 2018 . （in Chinese） . doi: 10.3390/app7101089 http://dx.doi.org/10.3390/app7101089

常振，王煜，司福祺，等 . CCD数字像元的合并方法及其应用［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2204 - 2211 . doi: 10.3788/OPE.20172508.2204 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172508.2204

CHANG ZH ， WANG Y ， SI F Q ， et al . Digital binning method for CCD pixels and its applications ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2204 - 2211 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20172508.2204 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172508.2204

胡潭高，张锦水，贾斌，等 . 不同分辨率遥感图像混合像元线性分解方法研究［J］. 地理与地理信息科学， 2008 ， 24 （ 3 ）： 20 - 23， 40 .

HU T G ， ZHANG J SH ， JIA B ， et al . Research on LSMM of remote sensing images based on different resolution ［J］. Geography and Geo-Information Science ， 2008 ， 24 （ 3 ）： 20 - 23， 40 . （in Chinese）

BAO T W ， WANG SH ， MA T Y ， et al . Design and implementation of a flexible interline CCD pixel binning method ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2011 ， 48/49 ： 373 - 377 . doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.48-49.373 http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.48-49.373

YOO Y ， IM J ， PAIK J . Low-light image enhancement using adaptive digital pixel binning ［J］. Sensors （Basel）， 2015 ， 15 （ 7 ）： 14917 - 14931 . doi: 10.3390/s150714917 http://dx.doi.org/10.3390/s150714917

隋延林，何斌，张立国，等 . 基于FPGA的超高速CameraLink图像传输［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2017 ， 47 （ 5 ）： 1634 - 1643 . doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201705041 http://dx.doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb201705041

SUI Y L ， HE B ， ZHANG L G ， et al . Ultra-high speed CameraLink image transmission based on FPGA ［J］. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2017 ， 47 （ 5 ）： 1634 - 1643 . （in Chinese） . doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201705041 http://dx.doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb201705041

董建婷，杨小乐，董杰 . 面阵CMOS图像传感器性能测试及图像处理［J］. 红外与激光工程， 2013 ， 42 （ 12 ）： 3396 - 3401 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.12.043 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2013.12.043

DONG J T ， YANG X L ， DONG J . Performance test and image processing of area CMOS image sensor ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2013 ， 42 （ 12 ）： 3396 - 3401 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.12.043 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2013.12.043

周博，李春来，李飞飞，等 . 面向深空探测的CCD多像元合并设计与验证［J］. 红外， 2018 ， 39 （ 4 ）： 27 - 32， 42 . doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2018.04.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-8785.2018.04.006

ZHOU B ， LI CH L ， LI F F ， et al . Design and verification of CCD multi-pixel binning for space exploration ［J］. Infrared ， 2018 ， 39 （ 4 ）： 27 - 32， 42 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2018.04.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-8785.2018.04.006

张恒伟，李晓龙，樊仁杰，等 . 激光对CCD相机Binning模式下饱和干扰效果仿真研究［J］. 激光与红外， 2016 ， 46 （ 9 ）： 1045 - 1048 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2016.09.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2016.09.003

ZHANG H W ， LI X L ， FAN R J ， et al . Simulation study on laser saturation disturbing to CCD camera in the Binning mode ［J］. Laser & Infrared ， 2016 ， 46 （ 9 ）： 1045 - 1048 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2016.09.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2016.09.003

LI H ， ZHANG H ， GUO X L ， et al . Image restoration after pixel binning in image sensors ［J］. Tsinghua Science & Technology ， 2009 ， 14 （ 4 ）： 541 - 545 . doi: 10.1016/s1007-0214(09)70114-2 http://dx.doi.org/10.1016/s1007-0214(09)70114-2

刘玲钰，王明富，刘恩海 . 多抽头EMCCD相机时序控制及像元合并技术［J］. 半导体光电， 2020 ， 41 （ 3 ）： 420 - 425 . doi: 10.1117/12.2603243 http://dx.doi.org/10.1117/12.2603243

LIU L Y ， WANG M F ， LIU E H . Timing control and pixel merger technology of multi-tap EMCCD camera ［J］. Semiconductor Optoelectronics ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 420 - 425 . （in Chinese） . doi: 10.1117/12.2603243 http://dx.doi.org/10.1117/12.2603243

王健，陈启美，章德 . CMOS图像实时增强预处理研究及实现［J］. 仪器仪表学报， 2007 ， 28 （ 1 ）： 48 - 52 . doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2007.01.010 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0254-3087.2007.01.010

WANG J ， CHEN Q M ， ZHANG D . Study on real-time image enhancement pre-processing for CMOS sensor ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2007 ， 28 （ 1 ）： 48 - 52 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2007.01.010 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0254-3087.2007.01.010

夏候耀涛 . 高速CMOS相机驱动设计及光学图像预处理［D］. 成都：中国科学院光电技术研究所， 2018 .

XIAHOU H Y T . High-speed CMOS Camera Driver Design and Optical Image Preprocessing ［D］. Chengdu ： The Institute of Optics and Electronics， Chinese Academy of Sciences ， 2018 . （in Chinese）

ZHAO J , CHEN X , ZHOU W , et al . Frame transfer CCD driving platform using flexible integral time and pixel binning [C]. Optical Systems and Optoelectronic Instruments——Proceedings of SPIE 2008 International Conference on Optical Instruments and Technology （ 2 ）, 2008: 412 - 421 .

JIN X D ， HIRAKAWA K . Analysis and processing of pixel binning for color image sensor ［J］. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing ， 2012 ， 2012（ 1 ）： 1 - 15 . doi: 10.1186/1687-6180-2012-125 http://dx.doi.org/10.1186/1687-6180-2012-125

杨宇光 . 月球软着陆：比你想象的更有难度［N］. 中国航天报， 2019-09-14 （1）.

YANG Y G . A soft landing on the moon： harder than you think ［N］. China Space News ， 2019-09-14 （1）. （in Chinese）

浏览量

815

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

光强非线性响应下的光致热弹光谱光强修正

长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计

高反射带材传输空间位置检测系统

基于多项式拟合的中阶梯光栅光谱仪谱图还原