用CCD攝像機(jī)獲取高速運動目標(biāo)的圖像

摘要：在超速抓拍系統(tǒng)中，如何用CCD攝像機(jī)獲取高速運動目標(biāo)的圖像是決定方案論證及系統(tǒng)設(shè)計成敗的關(guān)鍵。文中對電子快門速度和成像的關(guān)系及用普通攝像機(jī)捕捉高速運動目標(biāo)可能產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析并提出選用非標(biāo)攝像象機(jī)時應(yīng)考慮的幾個主要方面。
 
關(guān)鍵詞：CCD攝像機(jī) 物像關(guān)系 電子快門 逐行掃描 幀頻率
1 引言

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

超速抓拍系統(tǒng)實際上是一種智能化交通監(jiān)理系統(tǒng)ITS（Intelligent Transportation Systems）.受測速雷達(dá)觸發(fā)，CCD攝像機(jī)將超速行駛的目標(biāo)抓拍下來，然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將模擬圖像數(shù)字化，并送PC機(jī)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(jī)進(jìn)行交互。提供監(jiān)理部門執(zhí)法依據(jù)。

在此系統(tǒng)中，由于抓拍目標(biāo)是高速運動的，一般在80km/h以上，有的甚至達(dá)到180km/h。因此，如何用CCD攝像機(jī)完成對高速目標(biāo)的清晰捕捉是首先應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。

2 CCD攝像機(jī)的原理

2．1 CCD攝像機(jī)概述

CCD攝像機(jī)是一種固體攝像機(jī)。CCD是電荷偶合型光電轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、和輸出結(jié)構(gòu)等部分組成。

CCD有面陣和線陣之分。光敏元排成一行的稱為線陣CCD，面陣型CCD器件的像元排列為一個平面，它包含若干行和列的結(jié)合。本文所介紹之?dāng)z像機(jī)為面陣型。

2．2 CCD攝像機(jī)原理

根據(jù)轉(zhuǎn)移和讀出的結(jié)構(gòu)方式不同，有不同類型的面陣攝像機(jī)。常見的類型有兩種：幀轉(zhuǎn)移型FT（Frame transfer）和行間轉(zhuǎn)移型ILT（Interline transfer）。這兩種類型的攝像機(jī)的工作原理基本相同。下面以敏通公司MTV-1301型黑白行間轉(zhuǎn)移型攝像機(jī)為例來介紹其原理。

如圖2.1所示，MTV-1301型CCD攝像機(jī)包含四部分：CCD光電傳感器、CCD傳感器驅(qū)動器、圖像處理板、供電電源。CCD傳感器是一個由542×582個光敏二極管構(gòu)成的光電傳感器陣列。其結(jié)構(gòu)為行間轉(zhuǎn)移型。這種器件光敏面積大，靶面利用率高。當(dāng)景物的光學(xué)圖像，經(jīng)由攝像物鏡投射到這個陣列上時，由于各光敏二極管受光的強(qiáng)弱不同而感生出不同量的光電荷。這些感生電荷，經(jīng)過一定時間（一場）的積累，在轉(zhuǎn)移柵的控制下，水平地移送到與像元對應(yīng)的設(shè)置在光敏元旁邊的垂直移位寄存器中，而后又在行轉(zhuǎn)移脈沖的控制下，將電荷移送到水平移位寄存器，并由水平移位時鐘控制依次向輸出端轉(zhuǎn)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(biāo)圖像的獲取

3．1 靜態(tài)目標(biāo)圖像的獲取

根據(jù)光學(xué)理論，畫出理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系，如圖3.1所示。

其中：l表示物點A到物方主點H的距離，稱為物距。

l`表示像點A`到像方主點H`的距離，稱為像距。

f表示物方焦距。

f`表示像方焦距。

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

f`/l`+f/l=1 （3.1.1）

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)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。表示了以主點為坐標(biāo)原點的物像關(guān)系。

由高斯公式不難看出，當(dāng)被攝目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，CCD攝像機(jī)的分辨率只要足夠高，就應(yīng)該能攝到此分辨率基礎(chǔ)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，目標(biāo)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(xù)，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)條件都滿足時，理論上講任意遠(yuǎn)的物體都應(yīng)該能清晰地成像（這也就是為什么有的天文望遠(yuǎn)鏡的鏡頭長達(dá)數(shù)米的原因，它可提供足夠大的變焦范圍）。當(dāng)然，當(dāng)CCD攝像機(jī)的像素數(shù)目一定時，其成像的清晰度則主要受CCD像素數(shù)目的限制。

也就是說，當(dāng)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焦距與其對應(yīng)從而得到清晰的圖像。物距變化時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(tǒng)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(xì)節(jié)，相反清晰就是分辨率高能看到圖像更多的細(xì)節(jié)！這也正是傻瓜像機(jī)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(dāng)然，它有一個最佳點來得到清晰的圖像。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(dāng)我們有時要求不高時，比如看清楚人的眼睛等較大較粗糙的對像時，在很大一個范圍，我們都認(rèn)為得到了清晰的圖像，雖然實際上是不清晰的，因為，它得分辨率不夠，看不到圖像的細(xì)節(jié)。

3．2 高速目標(biāo)圖像的獲取

當(dāng)被攝物體處于高速運動時的情況可不像靜態(tài)時那么簡單。特別是用于高速公路監(jiān)理的超速抓拍系統(tǒng)更是如此。下面就以超速抓拍系統(tǒng)為例來分析如何獲取高速運動目標(biāo)的圖像。

如圖3.2所示：

H：攝象機(jī)與測速儀架設(shè)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(dá)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與架高之間的水平距離

ΔR1：雷達(dá)波束區(qū)域

ΔR2：攝象機(jī)攝像區(qū)域

假定車輛以最高時速255km/h（因為測速雷達(dá)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，系統(tǒng)能完成既定功能，那么，最高速度以下的情況，系統(tǒng)肯定勝任）馳入測速及抓拍區(qū)域，當(dāng)T車輛馳出測速區(qū)域ΔR1的瞬間，測速雷達(dá)給出抓拍信號，同時，高速攝象機(jī)開始工作。圖3中有關(guān)參數(shù)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，假設(shè)清晰畫面視角按±2°取值，則：

R4=5.5×tg76°≈22m

R6=5.5×tg80°≈31m

又假如，目標(biāo)T的速度為VR=255km/h≈71m/s

所以目標(biāo)T通過抓拍區(qū)域ΔR2所用時間為：

9/71≈0.126s

要在這么短的時間內(nèi)抓拍到高速運動的目標(biāo)可不是件容易的事。必須對攝像機(jī)提出嚴(yán)格的要求。

3．2．1 電子快門速度的影響

攝像機(jī)的電子快門速度是首先要考慮的指標(biāo)。因為，電子快門速度可以看成是對高速目標(biāo)在空間監(jiān)測點上出現(xiàn)頻率的采樣。假如電子快門的速度為1/10000S，那么目標(biāo)在1/10000S內(nèi)相對鏡頭的移動距離為：

71×1/10000=0.0071m=7.1mm

由此可見，當(dāng)時使用高電子快門速度的攝像機(jī)時，運動目標(biāo)相對于鏡頭可以認(rèn)為是靜止的。

假如我們以每0.1 m為間隔來觀測此運動物體，并且認(rèn)為攝像機(jī)在物體運動0.1m時能夠曝光出清晰圖像（即認(rèn)為定焦距時，物體在0.1m范圍內(nèi)是清晰成像范圍）那么，此高速目標(biāo)在0.1m內(nèi)的出現(xiàn)頻率為：

1/0.1/71=710次/S

根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，觀測點采樣速度應(yīng)是此頻率的兩倍即

2×710=1420次/S

而 10000 >> 1420

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

3．2．2 為什么不能使用隔行掃描攝像機(jī)

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

讓我們來看一下目標(biāo)以255km/h的速度運動時，20ms內(nèi)它運行了多遠(yuǎn)：

71×0.02=1.42m

也就是說，奇場掃描后和偶場掃描后復(fù)合的圖像已經(jīng)是目標(biāo)移動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(biāo)移動距離為隔行掃描模糊距離。

又假如光軸與水平面的交點處O可以得到目標(biāo)的清晰圖像。因為我們采用定焦拍攝，從理論上講，在拍攝區(qū)域只有一點目標(biāo)是最清晰的，我們可以調(diào)焦使O點處最清晰。那么在假定視角±2°的情況下，以抓拍范圍內(nèi)最不清晰處P點與光軸和水平面的交點O的距離作為基準(zhǔn)，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，因隔行掃描引起的圖像模糊度達(dá)28.4%。

綜合以上分析，采用隔行掃描攝像機(jī)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(jī)則可以解決上述問題，而且還可以使每場圖像的掃描分辨率提高！假如攝像機(jī)的電子快門速度足夠快的話，那么在抓拍區(qū)域得到一幅最清晰的圖像是完全有可能的。當(dāng)然，其他因素如車身反光、天氣影響暫考慮為理想狀態(tài)，而且攝像機(jī)本身也認(rèn)為工作在最佳狀態(tài)下。假如在本系統(tǒng)中采用幀速率為60f/s的逐行掃描攝像機(jī)，那么在目標(biāo)以255km/h的速度運行時，即在0.126秒內(nèi)能夠得到7幀較清晰的圖像。其中一幀當(dāng)電子快門速度足夠快時一定是最清晰的。當(dāng)然，如果我們能找到變焦速度足夠快的攝像機(jī)，那么可以肯定，在抓拍區(qū)域的每幀圖像都應(yīng)是清晰的。

因此，要得到清晰的高速運動目標(biāo)的圖像，選擇逐行掃描攝像機(jī)的主要出發(fā)點是：電子快門速度、分辨率、幀速率。

4 結(jié)束語

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