CCD摄像机物像关系电子快门逐行扫描帧频率

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 （IntelligentTransportationSystems）.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。

2CCD摄像机的原理

2．1CCD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。

2．2CCD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（Frametransfer）和行间转移型ILT（Interlinetransfer）。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