基于增強(qiáng)型CCD探測(cè)器的距離選通三維成像不均勻性補(bǔ)償方法

孫磊, 金東東, 紀(jì)春恒, 裴崇雷, 安鴻波, 段恩悅

(山東航天電子技術(shù)研究所, 山東 煙臺(tái) 264670)

0 引言

激光距離選通三維成像屬于一種非掃描型主動(dòng)三維成像技術(shù)[1-2],利用距離選通原理,可有效屏蔽探測(cè)器和目標(biāo)之間無(wú)效的背向散射信號(hào),具有信噪比高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)繪、水下三維成像、復(fù)雜介質(zhì)中的目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域[3-5]。距離選通三維成像采用納秒脈沖激光,配合納秒快門探測(cè)器,單次可以實(shí)現(xiàn)某一固定距離切片處的成像。通過(guò)多個(gè)距離切片圖像累加反演,得到整個(gè)場(chǎng)景的三維圖像。

Busck等[6]提出了距離選通步進(jìn)延時(shí)掃描三維成像方法。Laurenzis等[7]提出一種基于梯形能量包絡(luò)反演的距離選通三維成像方法。Wang等[8-9]提出了基于三角形包絡(luò)反演的三維成像方法。Petter等[10]提出以一種相鄰延時(shí)圖像相減獲得距離選通三維圖像的方法。

由于距離選通成像是面陣快門成像方式[11-14],以上方法均假設(shè)探測(cè)器像素是全局統(tǒng)一曝光和關(guān)閉。然而,實(shí)際情況并非如此理想。受制于生產(chǎn)工藝和材料特性等因素的影響,距離選通成像采用的超快門增強(qiáng)型CCD(ICCD)探測(cè)器,經(jīng)常會(huì)存在像素開(kāi)關(guān)時(shí)間不均勻的現(xiàn)象。如果不同像素的開(kāi)關(guān)門時(shí)刻不同步,會(huì)導(dǎo)致不同像素的距離測(cè)量存在較大誤差或者三維成像畸變。

ICCD探測(cè)器的開(kāi)關(guān)時(shí)間特性由前端的像增強(qiáng)器光電陰極靶面決定。文獻(xiàn)[15-17]對(duì)像增強(qiáng)器光電陰極靶面進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)光電陰極的中心和邊緣存在開(kāi)關(guān)不同步現(xiàn)象,時(shí)間誤差可達(dá)10 ns左右。國(guó)內(nèi)外的像增強(qiáng)器生產(chǎn)廠商,如英國(guó)Photek公司、法國(guó)Photonics公司、國(guó)內(nèi)的北方夜視技術(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“北方夜視”)等[18-22],標(biāo)注的光電陰極靶面快門時(shí)間特性各有差異。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文將通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究探測(cè)器開(kāi)門不均勻?qū)嚯x選通三維成像影響。基于探測(cè)器開(kāi)/關(guān)門時(shí)間特性,獲得探測(cè)器像素時(shí)間補(bǔ)償矩陣,結(jié)合距離選通三維成像方法,提出一種三維成像不均勻補(bǔ)償方法,可以有效提高距離選通三維成像的測(cè)量精度,具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 距離選通三維成像不均勻性分析

1.1 三維成像理論

距離選通成像是通過(guò)精準(zhǔn)控制激光脈沖和探測(cè)器快門脈沖之間的時(shí)間間隔,獲得特定距離切片內(nèi)的二維強(qiáng)度圖像,如圖1所示。探測(cè)器只在激光脈沖到達(dá)時(shí)才開(kāi)啟,成像距離與選通延時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

圖1 距離選通成像原理

(1)

式中:Z為選通成像距離;τ為選通延時(shí);c為光在介質(zhì)中的傳播速度;n為折射率。

激光脈沖和探測(cè)器快門脈沖近似為方波,其對(duì)應(yīng)的函數(shù)模型分別可表示為

(2)

(3)

式中:L(t)為激光脈沖波形;τL為激光脈沖寬度;G(t)為探測(cè)器快門脈沖波形;to為快門開(kāi)啟時(shí)刻;τg為快門脈沖寬度[7]。

將式(2)和式(3)進(jìn)行卷積,可獲得切片圖像的能量強(qiáng)度與目標(biāo)距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]:

(4)

圖2為切片圖像能量強(qiáng)度包絡(luò)對(duì)應(yīng)關(guān)系[8],圖中重疊陰影部分即為空間中的成像區(qū)域。當(dāng)二者脈寬相等時(shí),將成像區(qū)域的累積能量映射到距離軸上,呈現(xiàn)出三角形空間能量包絡(luò)。圖2中Z0為選通延時(shí)對(duì)應(yīng)的選通成像距離,Zf和Zb為成像景深范圍的前后距離,計(jì)算公式如下:

圖2 二維圖像強(qiáng)度及時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系

(5)

以三角形反演算法為例,需要連續(xù)兩幀以上的距離切片圖像,根據(jù)相鄰切片空間交疊區(qū)域的能量強(qiáng)度關(guān)系,解算出各個(gè)像素的距離信息,實(shí)現(xiàn)三維成像,如圖3和式(6)所示:

圖3 三角形三維成像方法

(6)

式中:Zr為三維反演得到的測(cè)量距離;τ1和Z1為前一切片圖像的選通延時(shí)和對(duì)應(yīng)的選通成像距離;Z2為后一切片圖像的選通成像距離;I1和I2為兩切片圖像的灰度值[8]。圖3中,Imax為最大灰度值。

1.2 探測(cè)器像素開(kāi)門時(shí)間誤差模型

由于光子飛行速度很快,為了實(shí)現(xiàn)距離選通和三維成像,探測(cè)器需要具備納秒級(jí)時(shí)間快門。探測(cè)器一般采用ICCD探測(cè)器,其主要模塊包括像增強(qiáng)器和后端的感光圖像芯片,如圖4所示。像增強(qiáng)器由光電陰極、微通道板和熒光屏組成[16]。光電陰極在納秒高壓脈沖驅(qū)動(dòng)下,可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)時(shí)間快門。微通道板在高壓下,將電子進(jìn)行增益放大。熒光屏進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光。熒光屏發(fā)出的光通過(guò)光纖或組合透鏡,投射到后端的CCD/CMOS芯片上進(jìn)行成像。

圖4 ICCD探測(cè)器基本構(gòu)成

光電陰極采用電開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的快門模式,開(kāi)/關(guān)門時(shí)間特性與器件的材料、工藝等有很大關(guān)系。光電陰極一般為S20或者S25堿性材料,由堿金屬鈉(Na)、鉀(K)、銫(Cs)與金屬銻(Sb)化合而成,面電阻高達(dá)106Ω以上,限制了面電流從邊沿向中心的傳輸時(shí)間[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的描述,面電流傳遞速度由器件內(nèi)部的阻容特性決定,一般為定值。

由此可以得出探測(cè)器光電陰極靶面內(nèi)任一點(diǎn)的開(kāi)門延時(shí)誤差。光電陰極為圓形,以靶面邊緣的開(kāi)門時(shí)刻為基準(zhǔn),靶面中心為坐標(biāo)原點(diǎn),每個(gè)像素點(diǎn)的開(kāi)門時(shí)間誤差模型為

(7)

式中:x、y為靶面內(nèi)的任一像素點(diǎn)的坐標(biāo);v為電流傳遞速度;r為靶面圓形半徑;k為像素點(diǎn)與靶面尺寸換算系數(shù)。

由于不同像素點(diǎn)之間存在開(kāi)門時(shí)間差異,其對(duì)應(yīng)的選通成像距離也存在差異。結(jié)合式(1)可得出不同像素點(diǎn)的選通成像距離誤差模型(見(jiàn)圖5):

圖5 距離誤差模型

(8)

結(jié)合理想狀態(tài)下的三角形三維成像方法,在探測(cè)器開(kāi)門時(shí)間差異帶來(lái)的選通成像距離誤差不能忽略的情況下,式(6)應(yīng)進(jìn)一步修正為

Z*(x,y)=Zr(x,y)+D*(x,y)

(9)

式中:Z*(x,y)為探測(cè)器每個(gè)像素點(diǎn)疊加過(guò)距離誤差后的距離值;Zr(x,y)為探測(cè)器三維反演得到的測(cè)量距離矩陣。

1.3 成像不均勻性仿真

根據(jù)上述三角形三維成像算法和距離誤差模型的推理分析,只需得到探測(cè)器每個(gè)像素點(diǎn)準(zhǔn)確的距離誤差,就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償。因此,對(duì)距離誤差模型進(jìn)行仿真分析,探測(cè)器成像分辨率為1 920×1 080,像增強(qiáng)器圓形靶面直徑為18 mm,對(duì)應(yīng)1 080行像素點(diǎn),即有效成像范圍在以圖像中心像素點(diǎn)為圓心的圓形區(qū)域內(nèi)。設(shè)定電流在光電陰極靶面的傳遞速度為0.06c[15]。由式(8)得到如圖6所示的仿真結(jié)果。

圖6 距離誤差仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示,全局曝光下,對(duì)于同一距離處的目標(biāo),探測(cè)器邊緣和中心區(qū)域開(kāi)門時(shí)間相差5 ns,三維成像距離誤差達(dá)到75 cm,說(shuō)明三維成像存在嚴(yán)重的不均勻性,這樣的誤差結(jié)果對(duì)于超分辨率三維成像是不可接受的。

2 距離選通三維成像不均勻性補(bǔ)償

從以上理論分析可以看出,雖然不同像素的開(kāi)門時(shí)間存在不均勻性,但這是器件內(nèi)部的固有物理特性。而且每個(gè)像素的開(kāi)門時(shí)間是獨(dú)立的,不受其他像素干擾。因此,只需實(shí)際測(cè)出每個(gè)像素的開(kāi)關(guān)門時(shí)間延遲,得到對(duì)應(yīng)的距離誤差矩陣,補(bǔ)償三維深度圖像即可,具體步驟如下:

1) 在固定距離d處放置平面靶板,通過(guò)距離選通成像,利用式(6)的方法得到原始的三維深度圖像I(x,y)。

3) 根據(jù)三維成像景深和I′(x,y)灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系:

(10)

計(jì)算得出原始距離矩陣。

4) 根據(jù)鏡頭視場(chǎng)角計(jì)算得到靶板到每個(gè)像素的理論選通距離Zp(x,y),如圖7所示。具體計(jì)算公式如下:

圖7 理論距離矩陣計(jì)算

(11)

式中:w為圓形視場(chǎng)范圍的像素寬度;θr為探測(cè)器視場(chǎng)角。

5) 根據(jù)步驟3、步驟4中的Z(x,y)和Zp(x,y)計(jì)算得到距離誤差矩陣D(x,y)=Z(x,y)-Zp(x,y)。

在實(shí)際應(yīng)用中,利用上述距離誤差矩陣對(duì)每次成像得到的實(shí)際距離矩陣進(jìn)行補(bǔ)償即可,公式如下:

Z′(x,y)=Z(x,y)-D′(x,y)

(12)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

本文選用山東航天電子技術(shù)研究所研制的便攜式激光距離選通成像系統(tǒng)(見(jiàn)圖8),實(shí)際測(cè)量了 ICCD開(kāi)門時(shí)間特性對(duì)不同像素測(cè)距精度的影響。該系統(tǒng)的ICCD探測(cè)器內(nèi)部集成了北方夜視公司生產(chǎn)的第2代像增強(qiáng)器(18WHS-S),最窄開(kāi)門寬度 5 ns,分辨率達(dá)到50 lp/mm;激光器采用532 nm脈沖激光器,激光脈沖全寬為5 ns,重復(fù)頻率10 kHz。內(nèi)部時(shí)序控制及門控電路可實(shí)現(xiàn)高精度選通控制,最小選通延時(shí)單位為625 ps。

圖8 便攜式激光成像系統(tǒng)

3.1 不同像素的選通距離誤差測(cè)試

目標(biāo)采用具有朗伯反射率特性的平面靶板。設(shè)置系統(tǒng)選通延時(shí)為25 ns,激光脈寬時(shí)間和探測(cè)快門曝光時(shí)間均為5 ns,對(duì)固定距離處進(jìn)行選通成像。

根據(jù)式(1)和式(5),上述參數(shù)下的選通距離為3.75 m,景深范圍為3.0～4.5 m。在選通距離前后移動(dòng)靶板,得到一系列距離選通圖像,如圖9所示。從圖9(a)中可以看出:當(dāng)靶板從3 m位置向后移動(dòng)時(shí),圖像首先從邊緣區(qū)域開(kāi)始變亮,而后逐漸向中心擴(kuò)展;當(dāng)靶板位于3.7 m位置時(shí),圖像中心區(qū)域變亮,表示在此位置探測(cè)器完全開(kāi)門。同理在圖9(b)中:當(dāng)靶板位于4.5 m時(shí),圖像首先從邊緣區(qū)域開(kāi)始變暗,而后逐漸向中心擴(kuò)展;當(dāng)目標(biāo)位于5.2 m時(shí),圖像中心區(qū)域變暗,表示在此位置探測(cè)器完全關(guān)門。

圖9 靶板在不同距離處的選通圖像

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果,結(jié)合文獻(xiàn)[22-23]中的描述,可得出如下結(jié)論:探測(cè)器采用全局曝光模式,加載在探測(cè)器光電陰極的電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)是同步的(實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)抖動(dòng)約為百皮秒)。理論上各個(gè)像素得到的選通成像距離應(yīng)一致,但是實(shí)測(cè)表明圖像邊緣和中心區(qū)域的最大距離誤差達(dá)到0.7 m左右,即探測(cè)器各個(gè)像素開(kāi)關(guān)門時(shí)間誤差為4.7 ns左右,存在嚴(yán)重不均勻性。

3.2 三維成像不均勻性測(cè)試與補(bǔ)償

為驗(yàn)證探測(cè)器開(kāi)門時(shí)間不均勻?qū)θS成像的影響和第2節(jié)中的補(bǔ)償方法,進(jìn)行了三維成像實(shí)驗(yàn)。首先,分別將靶板放置在2 m、4 m、6 m、…、16 m處,保證靶板平面與探測(cè)器垂直,每個(gè)距離拍攝10張三維深度圖像并取平均值作為計(jì)算距離誤差矩陣的原始圖像;而后按照補(bǔ)償方法的實(shí)施步驟,得到該成像系統(tǒng)的距離誤差補(bǔ)償矩陣;最后,在成像系統(tǒng)內(nèi)加載距離誤差矩陣,改變平面靶板的位置至1 m、3 m、5 m、…、15 m處,分別拍攝補(bǔ)償前后的三維深度圖像進(jìn)行對(duì)比,如圖10所示。為方便觀察和對(duì)比,將深度圖轉(zhuǎn)換為RGB偽彩圖像顯示。

圖10 靶板位于5 m處的深度圖像對(duì)比

圖10中可以看出,未經(jīng)補(bǔ)償?shù)脑既S深度圖像灰度值從邊緣到中心逐漸變大,灰度值不同表示對(duì)應(yīng)的距離值不同。實(shí)際目標(biāo)為平面靶板,所有像素的測(cè)量距離值應(yīng)基本一致,但是由于不同像素的開(kāi)門時(shí)間特性不同,實(shí)際測(cè)量的距離值存在較大誤差。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后,從灰度圖和偽彩圖中都能明顯看出,所有像素的距離測(cè)量值趨于一致。

為進(jìn)一步量化實(shí)驗(yàn)結(jié)論,圖11(a)展示了未經(jīng)補(bǔ)償?shù)娜S成像距離測(cè)量誤差矩陣,與1.3中的仿真結(jié)果和3.1節(jié)中的測(cè)量結(jié)果一致。邊緣像素的測(cè)量誤差很小,但是越靠近中心區(qū)域,測(cè)量誤差越大,最大值可以達(dá)到0.6 m。圖11(b)中展示了經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的三維成像距離測(cè)量誤差矩陣,可以看出,經(jīng)過(guò)修正補(bǔ)償后,三維成像距離測(cè)量誤差得到了顯著減小。最大誤差減小到0.05 m左右。

圖11 5 m處的距離誤差對(duì)比

表1對(duì)比了不同目標(biāo)距離處,目標(biāo)實(shí)際距離和三維成像測(cè)量距離的誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)差。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的每個(gè)距離測(cè)量誤差均值在0.015 m以內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.02 m。與未經(jīng)補(bǔ)償前對(duì)比,效果提升明顯。同時(shí),對(duì)比文獻(xiàn)[8-10]中的研究成果,補(bǔ)償后的三維成像距離分辨率與采用性能更好的進(jìn)口器件相當(dāng)。

表1 1～15 m距離誤差對(duì)比

圖12展示了補(bǔ)償后的三維成像效果。將幾個(gè)不同大小的矩形箱體放在不同距離處(4～5 m)。從圖12中可以看出,經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的圖像目標(biāo)邊界較為清晰,同一距離處目標(biāo)顏色相近且均勻,三維成像均勻性較好。

圖12 多目標(biāo)三維成像效果對(duì)比

4 結(jié)論

本文首先詳細(xì)分析了ICCD探測(cè)器開(kāi)門時(shí)間不均勻特性對(duì)距離選通三維成像的影響;通過(guò)推理和仿真確定造成三維成像不均勻的原因。其次提出一種針對(duì)三維成像不均勻性的補(bǔ)償方法,測(cè)量ICCD探測(cè)器的距離誤差矩陣對(duì)實(shí)際三維成像的距離矩陣進(jìn)行補(bǔ)償。最后對(duì)該補(bǔ)償方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。得出以下主要結(jié)論:

1) 通過(guò)不均勻性補(bǔ)償修正,可以大幅降低由于器件開(kāi)門時(shí)間特性導(dǎo)致的三維成像不均勻性,提高三維測(cè)量精度和距離分辨率。

2) 由于像增強(qiáng)器開(kāi)門時(shí)間不均勻?qū)儆谄骷逃刑匦?因此該補(bǔ)償方法只需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行一次標(biāo)定,將補(bǔ)償矩陣加載到三維成像算法中即可,可以有效克服探測(cè)器工藝方面的不足,對(duì)距離選通三維成像具備良好的工程應(yīng)用價(jià)值。