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基于电子稳像技术的CCD成像空间校正方法研究 摘要：针对彩色线阵ccd应用时，出现的成像三色错位问题进行了研究，提出了基于电子稳像技术的ccd成像空间校正方法。与传统方法相比，该方法引入了电子稳像技术的思想，巧妙运用帧间运动的处理手段解决了帧内运动的问题。首先对线阵ccd得到的图像进行彩色图像分离，再通过特征点提取，特征点匹配，错位参数估计，图像补偿，彩色图像合成等过程，最终获得校正后的彩色图像。仿真实验表明，该方法能有效解决三色错位问题，改善图像质量。 关键词：彩色线阵ccd； 三色错位； 特征点提取； 特征点匹配； 参数估计 近年来，ccd器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。面阵ccd广泛用于各种摄像机和数码相机等领域。线阵ccd主要用于产品尺寸的高速非接触检测，在线分级与加工，表面质量评定，机器视觉中的精确定位等。结合课题“运动员跑步计时器项目”，对彩色线阵ccd应用时，出现的成像三色错位的问题进行了研究。分析了问题产生的原因，介绍了目前常规的校正方法，提出了基于电子稳像技术的ccd成像空间校正方法。该方法引入电子稳像技术，有效地解决了ccd成像的三色错位问题，经matlab仿真实验后，获得了理想的校正结果。而且该方法不仅在物体匀速运动时有效，在物体非匀速运动时同样有效。线阵ccd成像技术应用于运动员跑步的示意如图1所示。 1ccd成像介绍 多年前科研人员就已经实现了ccd彩色成像，该技术的实现目前一般采用如下2种方法。第1种是彩色三ccd，即采用分光棱镜和3个ccd组合。棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基色分开，使其分别投射在一个块ccd 上，这样，每块 ccd 就只对1种基色分量感光。第2种是彩色单ccd。最常用的做法就是在ccd表面覆盖rgb三色滤光片，以1∶2∶1的比例构成。由于彩色单ccd价格明显便宜，所以占据主流市场，本研究就是针对线阵彩色单ccd进行的。 图1线阵ccd成像技术应用于运动员跑步的示意图线阵彩色单ccd有3列间隔的光敏元件，分别用于感光置于同一位置p的红、绿、蓝颜色分量，通过a/d转换后,再将3列ccd感光的图像数据合成复原为位置p物体的数字图像。然而由于这3列ccd是在同一触发脉冲下工作的，这3列ccd并不是对同一位置进行感光,而是对前后有一定间隔的3个位置分别进行感光，如图2所示。由于这种相机本身存在不可避免的系统问题，成像3色出现错位现象，从而影响图像的成像质量，如图3所示。 图2成像三色错位的原理图3成像三色错位现象 课题“运动员跑步计时器项目”，需在跑道的终点线附近采用高速线阵彩色单ccd拍摄运动员冲刺时的画面。设定采集速率为1 000 f/s，得到的图像如图4所示。可以发现图像产生了3色错位现象，尤其是运动员的腿部，表现明显，因为腿部的运动频率最快。 图4线阵彩色单ccd拍摄的运动员跑步图像2基于电子稳像技术的校正方法 由线阵彩色单ccd摄像机的结构带来的这种彩色图像的三色错位,严重影响了图像原始数据的真实性和有效性，必须加以校正。目前，国内外有以下2种主要方法，通过异步时钟控制曝光校正［1］，通过软件校正［2］。比较以上方法可发现，软件校正不需要改变ccd的硬件，更具有实用性。数据冗余与数据重新定位的方法是软件校正的主要方法，但是，此种方法仅对匀速运动物体有效，而无法应用于线阵ccd拍摄、检测非匀速物体。本文针对非匀速物体的情形，提出了采用电子稳像思想来进行软件校正。传统思维上，电子稳像技术是处理帧间运动，而ccd的这种成像问题严格意义上属于帧内运动，但是，本文首先把线阵ccd拍摄的数十帧看做一幅图像，接着把一幅彩色图像分离成红色分量、绿色分量、蓝色分量3幅图像，通过上述两步骤后，即可将电子稳像技术应用于线阵ccd成像。 2.1彩色图像的r/g/b分离 通过matlab平台，对一幅运动员的彩色图像进行r/g/b分离后的效果如图5所示。硬件环境为：cpu2.80 ghz，内存0.98 gb。 图5红色/绿色/蓝色分量图像2.2特征点提取 图像的特征点是指两帧图像中对比例、旋转、平移等变换保持一致性的特征，如线交叉点、物体边缘点、角点、闭区域的中心点等。常用的特征点提取方法［34］有：边缘点提取方法，如log操作数、canny操作数、基于小波变换的算法等；角点提取算法，如kitchen法、susan法、harris法等。 harris角点检测算法［5］是由chris harris和mike stephens在1988年提出的。定义下式来计算harris算法的角点响应函数：r(x,y)=det(m)－k(tr(m))2(1) 式中:det(m)=ab－c2，tr(m)=a+b表示矩阵m的迹；k是harris系数。a=(ix)2，b=