用CCD摄像机获取高速运动目标的图像

    摘要：在超速抓拍系统中，如何用CCD摄像机获取高速运动目标的图像是决定方案论证及系统设计成败的关键。文中对电子快门速度和成像的关系及用普通摄像机捕捉高速运动目标可能产生的问题进行了分析并提出选用非标摄像象机时应考虑的几个主要方面。
  
    关键词：CCD摄像机 物像关系 电子快门 逐行扫描 帧频率

1 引言

    近几年，国家对基础建设的投资日益加大，公路建设更是水涨船高。现代化交通监理的需求越来越迫切。公安部已提出：科技强警，向科技要警力。超速抓拍系统正在这种形势下提出的。

    超速抓拍系统实际上是一种智能化交通监理系统ITS（Intelligent Transportation Systems）.受测速雷达触发，CCD摄像机将超速行驶的目标抓拍下来，然后通过数据采集系统将模拟图像数字化，并送PC机进行图像信号处理，压缩后经由网络与网络主机进行交互。提供监理部门执法依据。

    在此系统中，由于抓拍目标是高速运动的，一般在80km/h以上，有的甚至达到180km/h。因此，如何用CCD摄像机完成对高速目标的清晰捕捉是首先应解决的关键问题。

2 CCD摄像机的原理

2．1 CCD摄像机概述

    CCD摄像机是一种固体摄像机。CCD是电荷偶合型光电转换器件，用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式储存和传送信息。主要由光敏单元、输入结构、和输出结构等部分组成。

    CCD有面阵和线阵之分。光敏元排成一行的称为线阵CCD，面阵型CCD器件的像元排列为一个平面，它包含若干行和列的结合。本文所介绍之摄像机为面阵型。

2．2 CCD摄像机原理

    根据转移和读出的结构方式不同，有不同类型的面阵摄像机。常见的类型有两种：帧转移型FT（Frame transfer）和行间转移型ILT（Interline transfer）。这两种类型的摄像机的工作原理基本相同。下面以敏通公司MTV-1301型黑白行间转移型摄像机为例来介绍其原理。

    如图2.1所示，MTV-1301型CCD摄像机包含四部分：CCD光电传感器、CCD传感器驱动器、图像处理板、供电电源。CCD传感器是一个由542×582个光敏二极管构成的光电传感器阵列。其结构为行间转移型。这种器件光敏面积大，靶面利用率高。当景物的光学图像，经由摄像物镜投射到这个阵列上时，由于各光敏二极管受光的强弱不同而感生出不同量的光电荷。这些感生电荷，经过一定时间（一场）的积累，在转移栅的控制下，水平地移送到与像元对应的设置在光敏元旁边的垂直移位寄存器中，而后又在行转移脉冲的控制下，将电荷移送到水平移位寄存器，并由水平移位时钟控制依次向输出端转移，最后由输出电路输出视频信号。由CCD传感器输出的视频信号已具有较大幅度（0.5V以上），经由处理电路进行处理（包括自动增益控制、校正、同步信号混合、功率放大等），在终端得到全电视信号输出。

3 高速目标图像的获取

3．1 静态目标图像的获取

    根据光学理论，画出理想光学系统的物像关系，如图3.1所示。

    其中：l表示物点A到物方主点H的距离，称为物距。

      l`表示像点A`到像方主点H`的距离，称为像距。

      f表示物方焦距。

      f`表示像方焦距。

    假定光线的传播方向自左向右为正向光路，则从H点到A点或由H`到A`点的方向与光线传播方向一致则为正，反之则为负。在图3.1中，l为负，l`为正。原点取在物距和像距相应的主点。从而有如下的物像关系式：

    f`/l`+f/l=1 （3.1.1）

    当光学系统位于同一介质（如空气）中，则f`=-f，从而（3.1.1）变为：

    1/l`-1/l=1/f` （3.1.2）

    此公式就是高斯公式。表示了以主点为坐标原点的物像关系。

    由高斯公式不难看出，当被摄目标处于静止状态时，CCD摄像机的分辨率只要足够高，就应该能摄到此分辨率基础上的清晰图像（因为，“清晰”是与分辨率紧密联系在一起的）。也就是说，目标只要是在大于两倍镜头焦距的位置范围，而镜头的变焦范围足够的大且连续，那么，在成像位置和大小一定的情况下（因为，CCD的成像靶面大小固定），并且，其他的光学条件都满足时，理论上讲任意远的物体都应该能清晰地成像（这也就是为什么有的天文望远镜的镜头长达数米的原因，它可提供足够大的变焦范围）。当然，当CCD摄像机的像素数目一定时，其成像的清晰度则主要受CCD像素数目的限制。

    也就是说，当成像大小和位置一定的情况下，对于任意物距都只有唯一的一个焦距与其对应从而得到清晰的图像。物距变化时焦距必须变化图像才可能清晰。反之，物距不断地或大或小地变化，而焦距不变，那么光学系统所成图像将肯定是模糊的。模糊的概念就是分辨率不够高，即分不清图像的细节，相反清晰就是分辨率高能看到图像更多的细节！这也正是傻瓜像机不能照出很清晰照片的原因。因为它的焦距是固定不变的。当然，它有一个最佳点来得到清晰的图像。对于不管什么地方的物体，它都以一种模式去对待，怎么能得到清晰的图像呢？当我们有时要求不高时，比如看清楚人的眼睛等较大较粗糙的对像时，在很大一个范围，我们都认为得到了清晰的图像，虽然实际上是不清晰的，因为，它得分辨率不够，看不到图像的细节。

3．2 高速目标图像的获取

    当被摄物体处于高速运动时的情况可不像静态时那么简单。特别是用于高速公路监理的超速抓拍系统更是如此。下面就以超速抓拍系统为例来分析如何获取高速运动目标的图像。

    如图3.2所示：

    H：摄象机与测速仪架设高度

    20°：测速仪波束轴与水平面（地面）夹角

    12°：摄象头光轴与水平面夹角

    R2：雷达波束打到地面上其中心与架高之间的水平距离

    R5：摄象头光轴和地面交点与架高之间的水平距离

    ΔR1：雷达波束区域

    ΔR2：摄象机摄像区域

    假定车辆以最高时速255km/h（因为测速雷达可测速度上限为255km/h，为了便于分析取此上限。即，若最高速度时，系统能完成既定功能，那么，最高速度以下的情况，系统肯定胜任）驰入测速及抓拍区域，当T车辆驰出测速区域ΔR1的瞬间，测速雷达给出抓拍信号，同时，高速摄象机开始工作。图3中有关参数按以往经验取值，

    则： R5=5.5×tg78°≈26m

         R2=5.5×tg70°≈15m

    在摄像头定焦且光轴下俯12°时，假设清晰画面视角按±2°取值，则：

    R4=5.5×tg76°≈22m

    R6=5.5×tg80°≈31m

    又假如，目标T的速度为VR=255km/h≈71m/s

    所以目标T通过抓拍区域ΔR2所用时间为：

    9/71≈0.126s

    要在这么短的时间内抓拍到高速运动的目标可不是件容易的事。必须对摄像机提出严格的要求。

    3．2．1 电子快门速度的影响

    摄像机的电子快门速度是首先要考虑的指标。因为，电子快门速度可以看成是对高速目标在空间监测点上出现频率的采样。假如电子快门的速度为1/10000S，那么目标在1/10000S内相对镜头的移动距离为：

    71×1/10000=0.0071m=7.1mm

    由此可见，当时使用高电子快门速度的摄像机时，运动目标相对于镜头可以认为是静止的。

    假如我们以每0.1 m为间隔来观测此运动物体，并且认为摄像机在物体运动0.1m时能够曝光出清晰图像（即认为定焦距时，物体在0.1m范围内是清晰成像范围）那么，此高速目标在0.1m内的出现频率为：

    1/0.1/71=710次/S

    根据奈奎斯特抽样定理，观测点采样速度应是此频率的两倍即

    2×710=1420次/S

    而 10000 >> 1420 

    由此可见，假如目标以255km/h的速度高速形式，采用电子快门速度为1/10000S以上的摄像机是可行的。

    3．2．2 为什么不能使用隔行扫描摄像机

    以PAL制摄像机为例。PAL制摄像机采用奇场和偶场的复合来得到一帧完整的图像。它的帧频率为25f/s，场频率为50场/S，因此帧周期和场周期分别为40ms、20ms。也就是说，一帧图像的相邻奇行和偶行的复合要间隔20ms。

    让我们来看一下目标以255km/h的速度运动时，20ms内它运行了多远：

    71×0.02=1.42m

    也就是说，奇场扫描后和偶场扫描后复合的图像已经是目标移动1.42m以后的图像了。在此，（笔者定义）定义隔行扫描引起的目标移动距离为隔行扫描模糊距离。

    又假如光轴与水平面的交点处O可以得到目标的清晰图像。因为我们采用定焦拍摄，从理论上讲，在拍摄区域只有一点目标是最清晰的，我们可以调焦使O点处最清晰。那么在假定视角±2°的情况下，以抓拍范围内最不清晰处P点与光轴和水平面的交点O的距离作为基准，即最大模糊距离OP（笔者定义），则有：

    隔行扫描模糊距离/最大模糊距离 = 1.42/5 = 28.4%

    由此可见，因隔行扫描引起的图像模糊度达28.4%。

    综合以上分析，采用隔行扫描摄像机不可避免的回引起图像的闪烁和模糊。相反，采用逐行扫描的摄像机则可以解决上述问题，而且还可以使每场图像的扫描分辨率提高！假如摄像机的电子快门速度足够快的话，那么在抓拍区域得到一幅最清晰的图像是完全有可能的。当然，其他因素如车身反光、天气影响暂考虑为理想状态，而且摄像机本身也认为工作在最佳状态下。假如在本系统中采用帧速率为60f/s的逐行扫描摄像机，那么在目标以255km/h的速度运行时，即在0.126秒内能够得到7帧较清晰的图像。其中一帧当电子快门速度足够快时一定是最清晰的。当然，如果我们能找到变焦速度足够快的摄像机，那么可以肯定，在抓拍区域的每帧图像都应是清晰的。

    因此，要得到清晰的高速运动目标的图像，选择逐行扫描摄像机的主要出发点是：电子快门速度、分辨率、帧速率。

4 结束语

    本文以超速抓拍系统为例对如何用CCD摄像机获取高速运动目标的图像作了较深入的分析。该结果对于其他形式的摄像机或照相机等成像系统也应有一定的借鉴意义。由于笔者水平有限，文中疏漏敬请诸专家不吝赐教。