用CCD攝像機獲取高速運動(dòng)目標的圖像

摘要：在超速抓拍系統中，如何用CCD攝像機獲取高速運動(dòng)目標的圖像是決定方案論證及系統設計成敗的關(guān)鍵。文中對電子快門(mén)速度和成像的關(guān)系及用普通攝像機捕捉高速運動(dòng)目標可能產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出選用非標攝像象機時(shí)應考慮的幾個(gè)主要方面。

關(guān)鍵詞：CCD攝像機 物像關(guān)系 電子快門(mén) 逐行掃描 幀頻率
1 引言

近幾年，國家對基礎建設的投資日益加大，公路建設更是水漲船高?，F代化交通監理的需求越來(lái)越迫切。公安部已提出：科技強警，向科技要警力。超速抓拍系統正在這種形勢下提出的。

超速抓拍系統實(shí)際上是一種智能化交通監理系統ITS（Intelligent Transportation Systems）.受測速雷達觸發(fā)，CCD攝像機將超速行駛的目標抓拍下來(lái)，然后通過(guò)數據采集系統將模擬圖像數字化，并送PC機進(jìn)行圖像信號處理，壓縮后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)絡(luò )主機進(jìn)行交互。提供監理部門(mén)執法依據。

在此系統中，由于抓拍目標是高速運動(dòng)的，一般在80km/h以上，有的甚至達到180km/h。因此，如何用CCD攝像機完成對高速目標的清晰捕捉是首先應解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 CCD攝像機的原理

2．1 CCD攝像機概述

CCD攝像機是一種固體攝像機。CCD是電荷偶合型光電轉換器件，用集成電路工藝制成。它以電荷包的形式儲存和傳送信息。主要由光敏單元、輸入結構、和輸出結構等部分組成。

CCD有面陣和線(xiàn)陣之分。光敏元排成一行的稱(chēng)為線(xiàn)陣CCD，面陣型CCD器件的像元排列為一個(gè)平面，它包含若干行和列的結合。本文所介紹之攝像機為面陣型。

2．2 CCD攝像機原理

根據轉移和讀出的結構方式不同，有不同類(lèi)型的面陣攝像機。常見(jiàn)的類(lèi)型有兩種：幀轉移型FT（Frame transfer）和行間轉移型ILT（Interline transfer）。這兩種類(lèi)型的攝像機的工作原理基本相同。下面以敏通公司MTV-1301型黑白行間轉移型攝像機為例來(lái)介紹其原理。

如圖2.1所示，MTV-1301型CCD攝像機包含四部分：CCD光電傳感器、CCD傳感器驅動(dòng)器、圖像處理板、供電電源。CCD傳感器是一個(gè)由542×582個(gè)光敏二極管構成的光電傳感器陣列。其結構為行間轉移型。這種器件光敏面積大，靶面利用率高。當景物的光學(xué)圖像，經(jīng)由攝像物鏡投射到這個(gè)陣列上時(shí)，由于各光敏二極管受光的強弱不同而感生出不同量的光電荷。這些感生電荷，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（一場(chǎng)）的積累，在轉移柵的控制下，水平地移送到與像元對應的設置在光敏元旁邊的垂直移位寄存器中，而后又在行轉移脈沖的控制下，將電荷移送到水平移位寄存器，并由水平移位時(shí)鐘控制依次向輸出端轉移，最后由輸出電路輸出視頻信號。由CCD傳感器輸出的視頻信號已具有較大幅度（0.5V以上），經(jīng)由處理電路進(jìn)行處理（包括自動(dòng)增益控制、校正、同步信號混合、功率放大等），在終端得到全電視信號輸出。

3 高速目標圖像的獲取

3．1 靜態(tài)目標圖像的獲取

根據光學(xué)理論，畫(huà)出理想光學(xué)系統的物像關(guān)系，如圖3.1所示。

其中：l表示物點(diǎn)A到物方主點(diǎn)H的距離，稱(chēng)為物距。

l`表示像點(diǎn)A`到像方主點(diǎn)H`的距離，稱(chēng)為像距。

f表示物方焦距。

f`表示像方焦距。

假定光線(xiàn)的傳播方向自左向右為正向光路，則從H點(diǎn)到A點(diǎn)或由H`到A`點(diǎn)的方向與光線(xiàn)傳播方向一致則為正，反之則為負。在圖3.1中，l為負，l`為正。原點(diǎn)取在物距和像距相應的主點(diǎn)。從而有如下的物像關(guān)系式：

f`/l`+f/l=1 （3.1.1）

當光學(xué)系統位于同一介質(zhì)（如空氣）中，則f`=-f，從而（3.1.1）變?yōu)椋?/p>

1/l`-1/l=1/f` （3.1.2）

此公式就是高斯公式。表示了以主點(diǎn)為坐標原點(diǎn)的物像關(guān)系。

由高斯公式不難看出，當被攝目標處于靜止狀態(tài)時(shí)，CCD攝像機的分辨率只要足夠高，就應該能攝到此分辨率基礎上的清晰圖像（因為，“清晰”是與分辨率緊密聯(lián)系在一起的）。也就是說(shuō)，目標只要是在大于兩倍鏡頭焦距的位置范圍，而鏡頭的變焦范圍足夠的大且連續，那么，在成像位置和大小一定的情況下（因為，CCD的成像靶面大小固定），并且，其他的光學(xué)條件都滿(mǎn)足時(shí)，理論上講任意遠的物體都應該能清晰地成像（這也就是為什么有的天文望遠鏡的鏡頭長(cháng)達數米的原因，它可提供足夠大的變焦范圍）。當然，當CCD攝像機的像素數目一定時(shí)，其成像的清晰度則主要受CCD像素數目的限制。

也就是說(shuō)，當成像大小和位置一定的情況下，對于任意物距都只有唯一的一個(gè)焦距與其對應從而得到清晰的圖像。物距變化時(shí)焦距必須變化圖像才可能清晰。反之，物距不斷地或大或小地變化，而焦距不變，那么光學(xué)系統所成圖像將肯定是模糊的。模糊的概念就是分辨率不夠高，即分不清圖像的細節，相反清晰就是分辨率高能看到圖像更多的細節！這也正是傻瓜像機不能照出很清晰照片的原因。因為它的焦距是固定不變的。當然，它有一個(gè)最佳點(diǎn)來(lái)得到清晰的圖像。對于不管什么地方的物體，它都以一種模式去對待，怎么能得到清晰的圖像呢？當我們有時(shí)要求不高時(shí)，比如看清楚人的眼睛等較大較粗糙的對像時(shí)，在很大一個(gè)范圍，我們都認為得到了清晰的圖像，雖然實(shí)際上是不清晰的，因為，它得分辨率不夠，看不到圖像的細節。

3．2 高速目標圖像的獲取

當被攝物體處于高速運動(dòng)時(shí)的情況可不像靜態(tài)時(shí)那么簡(jiǎn)單。特別是用于高速公路監理的超速抓拍系統更是如此。下面就以超速抓拍系統為例來(lái)分析如何獲取高速運動(dòng)目標的圖像。

如圖3.2所示：

H：攝象機與測速儀架設高度

20°：測速儀波束軸與水平面（地面）夾角

12°：攝象頭光軸與水平面夾角

R2：雷達波束打到地面上其中心與架高之間的水平距離

R5：攝象頭光軸和地面交點(diǎn)與架高之間的水平距離

ΔR1：雷達波束區域

ΔR2：攝象機攝像區域