CCD的逐行扫描、电子快门和外触发

6-6 CCD的逐行扫描、电子快门和外触发

机器视觉系统的最大特点之一是被监控物体是运动的,要清晰地获取运动物体，就需要减少CCD的曝光时间ttotal,并且什么时间开始曝光应该是可控的，应该根据物体运动至视场FOV中央的时间来确定。

6-6-1 逐行扫描

第3-1-3节已介绍了CCTV隔行电视信号的扫描方式（图3-1和图3-2）。这种扫描方式的CCD的曝光时间见图6-11，图中未对曝光进行控制，图6-11（b）表示奇、偶场的曝光时间，图6-11（c）表示光敏像元曝光结束，转移栅用传送脉冲将像元电荷转移至电荷移位寄存器，这个传送脉冲很短，它同时对所有的像元作这种转移。转移结束后，光敏像元又可以对下场图像进行曝光，同时，电荷移位寄存器将代表图像的 电荷阵列逐行移出，并转换成视频电压输出，见图6-11（d）。

从图6-11可以看出，奇偶场图像的曝光期间是交错的，所以，它获取的不是运动物体在同一时间段曝光的图像。奇偶场图像合并在一起时，形成了所谓的运动撕裂，图6-12，在机器视觉系统中，这种失真是很严重的。

消除这种失真的最有效的办法是逐行扫描，逐行扫描摄像头可以和CCTV摄像头一样具有相同的分辨率，但扫描方式不是隔行的，而是逐行的。

将CCD做成隔行或者逐行扫描，比起真空管摄像头来容易多了，它的曝光、转移和视频输出见图6-13，从图中可以看出它们之间的动作就简单多了，所有像元不分奇偶行，同时曝光，视频输出和曝光时间相差一帧时间。

6-6-2 电子快门

图6-11和图6-13所示的CCD曝光时间都持续了一帧时间，这长长的曝光时间，使速度快的运动物体模糊了，所以应根据物体的运动速度改变曝光时间，也就是可变的电子快门。CCD摄像头快门曝光的时序见图6-14，图中的曝光时间基本连续可调， 从10微秒至几十毫秒。曝光期间紧挨在转移脉冲前面，也可以说转移脉冲结束了曝光。

我们必须注意，电子快门的曝光时间的变化，仅仅改变了CCD光敏像元对外来光的感应时间，但不会改变CCD内在的视频读出扫描过程和周期。

电子快门的调节可以用CCD摄像头上的开关组合来实现，也可以通过CCD摄像头上的串行总线来控制。这种非机械式的、具有很大的灵活性的快门控制，给视觉系统带来了极大的好处。

对于运动物体来说，快门时间越短，所获取的图像越精确，即越不模糊，但过短的曝光时间会使光照强度大大提高，给光照技术带来很大的困难，所以应选择合适的快门时间。快门时间与物体的大小、运动速度、物体至镜头的距离等因素有关，特别是和机器视觉系统对获取图像的精度要求有关，精度以像元为单位，例如一个、两个或者1/2个像元精度。

当误差精度为1个像元时，像元的尺寸

P=T×V×PMAG

式中：

P：像元尺寸 O：物体宽度尺寸

V：物体运动速度 PMAG：放大倍数

T：曝光时间 L：芯片的宽度尺寸

若物体的宽度尺寸为1米，运动速度为每秒1米，像元尺寸为0.62μm，1/2英寸CCD，其宽度为6.4mm，则快门时间应短于：

6-6-3 可重新设置的外触发非同步扫描

获取运动物体除了使图像模糊外，还有一个要解决的问题，就是当物体运动至视场（FOV）的中心时，对其进行曝光。而摄像头有自己的扫描周期，它没有和运动物体同步，若按摄像头本身的周期作曝光、转移、输出视频，则极有可能定位不准。这就要求当物体进入视场FOV中心时，发出一个触发脉冲，摄像头中止当前的工作，重新开始曝光、转移和输出视频的扫描过程，图6-15演示了这一过程，当外触发脉冲出现后，摄像头强迫中止目前的扫描，重新设置新的一帧扫描开始，先后启动曝光、电荷转移、视频输出等动作。

CCD摄像头的外触发启动有两种方式：

6-6-3-1 异步方式

CCD平时处于等待状态，只有主振和行振荡器工作，无视频输出，外触发来到后，CCD启动扫描，输出一帧图像，见图6-16（a），外触发脉冲来到后，从下一个行同步头开始一帧图像扫描，即开始曝光、电荷转移、视频输出等动作。

6-6-3-2 可重置方式

CCD按自己的周期工作，并输出视频信号，外触发来到后，CCD中止目前的动作，重新启动，开始新的一帧扫描，见图6-16（b）。

这两种启动方式的CCD摄像头的主振或者行同步都不会因外触发脉冲的到来而中止，它们按自己固有的周期工作，当外触发脉冲出现后，并不是马上启动摄像头工作，而是等待下一个完整的行同步头或者主时钟上升沿才启动新的一帧扫描，所以CCD的启动按两种方式延迟——行周期和主时钟周期，见图6-17。行同步方式从外触发至帧扫描开始的延时为0至一行的周期，例如64μs（假设为CCTV），而点同步方式的延时为0至CCD主时钟周期，例如67ns。可以看出，点同步方式的延时误差小多了。当然，点触发方式对摄像头的设计要求较高。

6-6-4长时间曝光

一般CCD的曝光时间最长不超过一帧周期。和为了获取运动图像而使用CCD的电子快门的目的相反，在光线不足的情况下，为了使图像更清晰，使用大于一帧周期的曝光时间，称作长周期积分（Long term Integration,LTI），来累积光电荷，提高信号，抑制噪音。当然，其前提是在累积期间目标的运动很小或静止。LTI光累积的工作时序见图6-18，图6-18（a）为隔行扫描，图6-18（b）为逐列扫描时的累集曝光时序图。累积的最大时间受热噪音的限制，一般不大于3秒。一般用于机器视觉的摄像头大多具有LTI的标准工作方式。

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