現(xiàn)象尤其在CMOS傳感器中較 為明顯。為了簡化模型，不妨假設C、V成反比例關系（實際應用中可擬合更準確的函數(shù)關 系，下述推導過程同樣適用），即
[0038] C=k/V 妨
[0039] 其中，k為半導體介電常數(shù)，將式（5)代入（2)的積分環(huán)節(jié)并進一步推導，可得出 V/Q非線性的數(shù)學模型如式（6)所示，兩者不再成線性關系。在直角坐標系中描述V/Q的非 線性關系，其結(jié)果如圖4所示，其中橫軸為像元存儲電荷量Qpu，縱軸為對應像元有效輸出 電壓VpiX。
[0040]
(6)
[0041]DN/V非線性發(fā)生在電壓-碼值轉(zhuǎn)換過程。實際工作時，因巧片性能不理想、電路設 計缺陷及溫度環(huán)境變化等因素影響，在動態(tài)范圍內(nèi)對應不同的輸入信號幅值，GaXGw會發(fā) 生變化，且變化具有較大隨機性，基本表現(xiàn)為在低幅值區(qū)受電路本底噪聲影響GaXGad偏大， 伴隨幅值增大GaXGw隨機波動并呈現(xiàn)總體變小趨勢，在接近飽和區(qū)時GaXGad偏小。
[0042]系統(tǒng)存在電子學響應非線性可W通過視頻響應曲線（其橫軸為相機所探測的均 勻光照度，縱軸為相應的平均DN值）得到直觀體現(xiàn)，但是僅依靠視頻響應曲線無法區(qū)分V/ Q非線性和DN/V非線性。為了解決該一問題，本發(fā)明提出一種基于視頻響應曲線結(jié)合PRNU 噪聲曲線的非線性判別方法。
[0043]PRNU噪聲曲線
[0044] 對于CCD(CM0巧的單個像元而言，在動態(tài)范圍內(nèi)其響應度可認為是常數(shù)。但不同 像元間存在著響應度差異，該差異作為一種噪聲定義為PRNU噪聲。PRNU噪聲采用噪聲因 子。來評價，根據(jù)式（4)可得出理想線性系統(tǒng)中。數(shù)學模型如式（7)所示，其中DNav和6 分別為消除光子霞粒噪聲和暗電平校正后的所有像元DN的均值和標準偏差，n為像元數(shù)。 PRNU噪聲因子。隨照度變化的曲線稱為PRNU噪聲曲線，理想條件下，PRNU噪聲因子。只 與像元間響應度差異有關，不隨輸入照度的改變而改變，因此PRNU噪聲曲線應為一條水平 直線。
[0045]
(7)
[0046] V/Q非線性和DN/V非線性的判別
[0047] 當系統(tǒng)中存在V/Q非線性和DN/V非線性中的任何一種時，視頻響應曲線均會產(chǎn)生 非線性。
[0048] 若僅存在DN/V非線性，其體現(xiàn)為在輸出信號幅值不同的區(qū)間內(nèi)增益G不同，與各 像元的響應度因素無關；又PRNU噪聲曲線的斜率CD的測試是在均勻圖像下完成的，一幅圖 像中所有輸出像元處于同一幅度水平，其增益G相同，在計算過程中作為公共量被抵消，因 此PRNU曲線不受影響，仍為一條水平直線。
[004引若存在V/Q非線性時，結(jié)合式做和式做可W得出PRNU曲線的斜率0)，結(jié)合式 (8)：
[0050]
[0051] (8)
[0052] 在響應度化和積分時間T固定時，隨著入射幅照度E的變化，PRNU曲線如圖5所 示?？梢娤到y(tǒng)存在V/Q非線性時，PRNU噪聲曲線不再保持水平，而表現(xiàn)為PRNU噪聲因子。 隨照度提高而下降。
[005引綜上，由DN/V非線性和V/Q非線性產(chǎn)生機理出發(fā)，通過視頻響應曲線和PRNU噪聲 曲線相結(jié)合的測試方法可W有效區(qū)分兩種非線性。
[0054] V/Q非線性和DN/V非線性產(chǎn)生機理不同，補償和校正方法也不同。為了有效定位 非線性的產(chǎn)生原因。
[0055] 本實施方式中所述的方法包括W下步驟：
[0056] 步驟1、開啟測試裝置，利用計算機11并通過電機驅(qū)動器3,控制電機4調(diào)整光闊 5孔徑的大小，從而調(diào)整積分球1輸出光福照度；
[0057] 步驟2、計算機11通過標準照度計6獲得當前照度值，通過圖像采集卡10及被測 CCD7獲得當前照度下的圖像，并分別存儲到計算機11 ;
[0058] 步驟3、逐步調(diào)整光闊5,使圖像采集卡10從暗場到飽和狀態(tài)的不同照度下的圖 像，從而獲得相對應的照度與圖像序列；
[0059] 步驟4、解析獲得不同照度下圖像的平均DN值，W照度值為橫軸，平均DN值為縱 軸，繪制視頻響應曲線；
[0060] 步驟5、判斷步驟四繪制視頻響應曲線是否存在非線性，如果是，則進一步繪制 PRNU噪聲曲線，執(zhí)行步驟6 ;如果否，進入步驟7 ;
[006。步驟6、判斷PRNU噪聲曲線是否為一條水平直線，如果是，則存在DN/V非線性，并 進行修正后再繪制視頻響應曲線，返回步驟5 ;如果否，則存在V/Q非線性，或同時存在V/Q 非線性和DN/V非線性，對V/Q非線性進行相應修正，再繪制視頻響應曲線，返回步驟5 ; [006引步驟7、記錄此前的判斷和修正過程，測試結(jié)束。
[0063] 【具體實施方式】=、結(jié)合圖6和圖7說明本實施方式，本實施方式為【具體實施方式】二 的實施例：對某CMOS相機成像電子學系統(tǒng)進行測試：首先利用光源控制和圖像采集系統(tǒng)， 從暗場至飽和輸出照度分梯度進行圖像采集，每個照度采集若干幅面陣圖像并計算圖像均 值，繪制視頻響應曲線如圖6所示，可見視頻響應曲線出現(xiàn)了明顯的非線性。此時可W判斷 該相機存在某種非線性因素。為了確定非線性的類型，進一步完成CMOS相機的PRNU噪聲 曲線測試，結(jié)果如圖7所示。PRNU噪聲因子隨著照度增加逐漸降低，由此判斷相機存在V/ Q非線性。為解決V/Q非線性問題，更換一片CMOS傳感器，然后重新采集圖像并繪制視頻 響應曲線和PRNU噪聲曲線。此時PRNU噪聲曲線基本呈現(xiàn)為水平直線，表明新的CMOS傳感 器沒有V/Q非線性；并且視頻響應曲線具有良好的線性度巧8. 75% )，可由此判斷系統(tǒng)沒有 DN/V非線性因素，而改進前的相機僅包括V/Q非線性因素。
【主權(quán)項】
1. 遙感相機電子學響應非線性測試與判別方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn)： 步驟一、電機驅(qū)動器（3)控制電機（4)調(diào)整光闌（5)的孔徑，實現(xiàn)對積分球（1)出光口 的輸出光輻照度的調(diào)整； 步驟二、計算機（11)通過標準照度計（6)獲得當前光輻照度值，通過圖像采集卡（10) 及被測CCD(7)獲得當前照度下的圖像，并將當前照度值及當前照度圖像存儲到計算機 (11); 步驟三、逐步調(diào)整光闌（5)孔徑，圖像采集卡（10)采集從暗場到飽和狀態(tài)的不同光輻 照度下的圖像，獲得相對應的不同光輻照度值與圖像序列； 步驟四、解析獲得不同照度下圖像的平均DN值，以光輻照度值為橫軸，平均DN值為縱 軸，繪制視頻響應曲線； 步驟五、判斷步驟四繪制視頻響應曲線是否存在非線性，如果是，則進一步繪制PRNU噪聲曲線，執(zhí)行步驟六；如果否，進入步驟七； 步驟六、判斷PRNU噪聲曲線是否為一條水平直線，如果是，則存在DN/V非線性，并進行 修正后再繪制視頻響應曲線，返回步驟五；如果否，則存在V/Q非線性，或同時存在V/Q非線 性和DN/V非線性，對V/Q非線性進行相應修正，再繪制視頻響應曲線，返回步驟五； 步驟七、記錄此前的判斷和修正過程，測試結(jié)束。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙感相機電子學響應非線性測試與判別方法的裝置，該裝置 需在暗室環(huán)境下操作；包括積分球（1)、多個光源（2)、電機、電機驅(qū)動器（3)、光闌（5)、標準 照度計（6)、被測CCD(7)、CCD驅(qū)動器（8)、串口控制器（9)、圖像采集卡（10)和計算機（11); 所述多個光源（2)對稱設置在積分球（1)周圍；所述電機驅(qū)動器（3)設置在積分球（1)上 并通過串口控制器（9)與計算機（11)連接；串口控制器（9)與標準照度計（6)連接，所述 光闌（5)設置在積分球⑴出光口處，所述電機驅(qū)動器（3)驅(qū)動電機⑷調(diào)整光闌（5)孔徑 的大小，所述標準照度計（6)及被測CCD(7)均設置在積分球（1)出光口外并與積分球（1) 出光口的軸線對稱；所述圖像采集卡（10)分別與CCD驅(qū)動器（8)和計算機（11)連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的遙感相機電子學響應非線性測試與判別裝置，其特征在于， 所述的標準照度計及被測CCD到光闌的距離相等。
【專利摘要】遙感相機電子學響應非線性測試與判別方法及裝置，涉及遙感相機電子學測試領域，解決了對遙感相機電子學響應非線性認識不清、難以判別的問題，通過繪制視頻響應曲線和響應非均勻性噪聲曲線，判斷和區(qū)分遙感相機電子學響應中的V/Q非線性和DN/V非線性。遙感相機電子學響應非線性測試與判別裝置，包括積分球、光源、電機、電機驅(qū)動器、光闌、標準照度計、被測CCD、CCD驅(qū)動器、串口控制器、圖像采集卡和計算機，其中圖像采集需在暗室環(huán)境下進行。本發(fā)明能夠有效區(qū)分遙感相機電子學響應的V/Q非線性和DN/V非線性，為有針對性地改進設計和后期校正數(shù)據(jù)提供理論和方法支持。
【IPC分類】H04N5/372, H04N5/374, H04N17/00
【公開號】CN104902266
【申請?zhí)枴緾N201510267615
【發(fā)明人】蘭太吉, 李俊霖, 賀庚賢, 寧飛
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年5月22日