用CCD攝像機獲取高速運動(dòng)目標的圖像

假定車(chē)輛以最高時(shí)速255km/h（因為測速雷達可測速度上限為255km/h，為了便于分析取此上限。即，若最高速度時(shí)，系統能完成既定功能，那么，最高速度以下的情況，系統肯定勝任）馳入測速及抓拍區域，當T車(chē)輛馳出測速區域ΔR1的瞬間，測速雷達給出抓拍信號，同時(shí)，高速攝象機開(kāi)始工作。圖3中有關(guān)參數按以往經(jīng)驗取值，

則： R5=5.5×tg78°≈26m

R2=5.5×tg70°≈15m

在攝像頭定焦且光軸下俯12°時(shí)，假設清晰畫(huà)面視角按±2°取值，則：

R4=5.5×tg76°≈22m

R6=5.5×tg80°≈31m

又假如，目標T的速度為VR=255km/h≈71m/s

所以目標T通過(guò)抓拍區域ΔR2所用時(shí)間為：

9/71≈0.126s

要在這么短的時(shí)間內抓拍到高速運動(dòng)的目標可不是件容易的事。必須對攝像機提出嚴格的要求。

3．2．1 電子快門(mén)速度的影響

攝像機的電子快門(mén)速度是首先要考慮的指標。因為，電子快門(mén)速度可以看成是對高速目標在空間監測點(diǎn)上出現頻率的采樣。假如電子快門(mén)的速度為1/10000S，那么目標在1/10000S內相對鏡頭的移動(dòng)距離為：

71×1/10000=0.0071m=7.1mm

由此可見(jiàn)，當時(shí)使用高電子快門(mén)速度的攝像機時(shí)，運動(dòng)目標相對于鏡頭可以認為是靜止的。

假如我們以每0.1 m為間隔來(lái)觀(guān)測此運動(dòng)物體，并且認為攝像機在物體運動(dòng)0.1m時(shí)能夠曝光出清晰圖像（即認為定焦距時(shí)，物體在0.1m范圍內是清晰成像范圍）那么，此高速目標在0.1m內的出現頻率為：

1/0.1/71=710次/S

根據奈奎斯特抽樣定理，觀(guān)測點(diǎn)采樣速度應是此頻率的兩倍即

2×710=1420次/S

而 10000 >> 1420

由此可見(jiàn)，假如目標以255km/h的速度高速形式，采用電子快門(mén)速度為1/10000S以上的攝像機是可行的。

3．2．2 為什么不能使用隔行掃描攝像機

以PAL制攝像機為例。PAL制攝像機采用奇場(chǎng)和偶場(chǎng)的復合來(lái)得到一幀完整的圖像。它的幀頻率為25f/s，場(chǎng)頻率為50場(chǎng)/S，因此幀周期和場(chǎng)周期分別為40ms、20ms。也就是說(shuō)，一幀圖像的相鄰奇行和偶行的復合要間隔20ms。

讓我們來(lái)看一下目標以255km/h的速度運動(dòng)時(shí)，20ms內它運行了多遠：

71×0.02=1.42m

也就是說(shuō)，奇場(chǎng)掃描后和偶場(chǎng)掃描后復合的圖像已經(jīng)是目標移動(dòng)1.42m以后的圖像了。在此，（筆者定義）定義隔行掃描引起的目標移動(dòng)距離為隔行掃描模糊距離。

又假如光軸與水平面的交點(diǎn)處O可以得到目標的清晰圖像。因為我們采用定焦拍攝，從理論上講，在拍攝區域只有一點(diǎn)目標是最清晰的，我們可以調焦使O點(diǎn)處最清晰。那么在假定視角±2°的情況下，以抓拍范圍內最不清晰處P點(diǎn)與光軸和水平面的交點(diǎn)O的距離作為基準，即最大模糊距離OP（筆者定義），則有：

隔行掃描模糊距離/最大模糊距離 = 1.42/5 = 28.4%

由此可見(jiàn)，因隔行掃描引起的圖像模糊度達28.4%。

綜合以上分析，采用隔行掃描攝像機不可避免的回引起圖像的閃爍和模糊。相反，采用逐行掃描的攝像機則可以解決上述問(wèn)題，而且還可以使每場(chǎng)圖像的掃描分辨率提高！假如攝像機的電子快門(mén)速度足夠快的話(huà)，那么在抓拍區域得到一幅最清晰的圖像是完全有可能的。當然，其他因素如車(chē)身反光、天氣影響暫考慮為理想狀態(tài)，而且攝像機本身也認為工作在最佳狀態(tài)下。假如在本系統中采用幀速率為60f/s的逐行掃描攝像機，那么在目標以255km/h的速度運行時(shí)，即在0.126秒內能夠得到7幀較清晰的圖像。其中一幀當電子快門(mén)速度足夠快時(shí)一定是最清晰的。當然，如果我們能找到變焦速度足夠快的攝像機，那么可以肯定，在抓拍區域的每幀圖像都應是清晰的。

因此，要得到清晰的高速運動(dòng)目標的圖像，選擇逐行掃描攝像機的主要出發(fā)點(diǎn)是：電子快門(mén)速度、分辨率、幀速率。

4 結束語(yǔ)

本文以超速抓拍系統為例對如何用CCD攝像機獲取高速運動(dòng)目標的圖像作了較深入的分析。該結果對于其他形式的攝像機或照相機等成像系統也應有一定的借鑒意義。由于筆者水平有限，文中疏漏敬請諸專(zhuān)家不吝賜教。