摘要：在超速抓拍系統(tǒng)中，如何用CCD攝像機獲取高速運動目標的圖像是決定方案論證及系統(tǒng)設計成敗的關鍵。文中對電子快門速度和成像的關系及用普通攝像機捕捉高速運動目標可能產生的問題進行了分析并提出選用非標攝像象機時應考慮的幾個主要方面。
 
關鍵詞：CCD攝像機 物像關系 電子快門 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(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）.受測速雷達觸發(fā)，CCD攝像機將超速行駛的目標抓拍下來，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機進行圖像信號處理，壓縮后經(jīng)由網(wǎng)絡與網(wǎng)絡主機進行交互。提供監(jiān)理部門執(zhí)法依據(jù)。

在此系統(tǒng)中，由于抓拍目標是高速運動的，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鍵問題。

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合。本文所介紹之攝像機為面陣型。

2．2 CCD攝像機原理

根據(jù)轉移和讀出的結構方式不同，有不同類型的面陣攝像機。常見的類型有兩種：幀轉移型FT（Frame transfer）和行間轉移型ILT（Interline transfer）。這兩種類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 高速目標圖像的獲取

3．1 靜態(tài)目標圖像的獲取

根據(jù)光學理論，畫出理想光學系統(tǒng)的物像關系，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。在圖3.1中，l為負，l`為正。原點取在物距和像距相應的主點。從而有如下的物像關系式：

f`/l`+f/l=1 （3.1.1）

當光學系統(tǒng)位于同一介質（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原點的物像關系。

由高斯公式不難看出，當被攝目標處于靜止狀態(tài)時，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，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(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，其他的光學條件都滿足時，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達數(shù)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(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，即分不清圖像的細節(jié)，相反清晰就是分辨率高能看到圖像更多的細節(jié)！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，看不到圖像的細節(jié)。

3．2 高速目標圖像的獲取

當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與架高之間的水平距離

ΔR1：雷達波束區(qū)域

ΔR2：攝象機攝像區(qū)域

假定車輛以最高時速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，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T車輛馳出測速區(qū)域ΔR1的瞬間，測速雷達給出抓拍信號，同時，高速攝象機開始工作。圖3中有關參數(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T的速度為VR=255km/h≈71m/s

所以目標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抓拍到高速運動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 電子快門速度的影響

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

71×1/10000=0.0071m=7.1mm

由此可見，當時使用高電子快門速度的攝像機時，運動目標相對于鏡頭可以認為是靜止的。

假如我們以每0.1 m為間隔來觀測此運動物體，并且認為攝像機在物體運動0.1m時能夠曝光出清晰圖像（即認為定焦距時，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(xiàn)頻率為：

1/0.1/71=710次/S

根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，觀測點采樣速度應是此頻率的兩倍即

2×710=1420次/S

而 10000 >> 1420

由此可見，假如目標以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制攝像機采用奇場和偶場的復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合要間隔20ms。

讓我們來看一下目標以255km/h的速度運動時，20ms內它運行了多遠：

71×0.02=1.42m

也就是說，奇場掃描后和偶場掃描后復合的圖像已經(jīng)是目標移動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)域只有一點目標是最清晰的，我們可以調焦使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，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題，而且還可以使每場圖像的掃描分辨率提高！假如攝像機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)，而且攝像機本身也認為工作在最佳狀態(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，那么在目標以255km/h的速度運行時，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速度足夠快時一定是最清晰的。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(qū)域的每幀圖像都應是清晰的。

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

4 結束語

本文以超速抓拍系統(tǒng)為例對如何用CCD攝像機獲取高速運動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(tǒng)也應有一定的借鑒意義。由于筆者水平有限，文中疏漏敬請諸專家不吝賜教。