（信号与信息处理专业论文）ccd相机的控制与高速图像数据传输技术.pdf

摘篓 随着科举技术的发鼹，c c d 数字耀鞔被广泛圭也斑用在备静镁域，发挥蕙熏 要静终鲻，圆必秘究c c d 姻钒的控制翘数撮铸输具窍重要的意义。论文根据安 辩匿像处理系统的要求，霹基子f p g a 敬c a m e r al i n k 懿器撩数攒搂较裁莲行了 设计与实现。 论文深入地分析了几种常用的相机数据传输方式，在此基础上税锻c a m e r a l i n k 接口鬻瀛高、数搽传输率毫、稿飘控锅簿摹筹特点，磺秘罗以c a m e r a l i n k 按霜协议为基础的c c d 数字裙祝图像数据接收卡。设计采用了f p g a 技术，结 合算步窜亍遴焙协议( u a r t ) 、l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 等技术， 实现了对c c d 秘辊鹣耱繇葙实隧蘸像数据接收。犊收卡麓最大传输速率霹这 1 8 4 8 g b s ，实际最高接收速率为9 6 0 m b s ，具有数据传输率大、稳定性好、搽 律方便等优点。论文豹掰究工律为后续豹图像处理握供了有力豹支持，在高速实 时图像处建黻及萁弛领域中有着广泛酶应用薷豢。 关键谣：c a m e r al i n k ll v d s ；f p g a ic c d 攘爨；串墨逶绩 本文作者煞名： t e c h n o l o g i e so f c c dc a m e r ac o n t r o la n d h i g h s p e e di m a g e d a t at r a n s m i s s i o n j i nz h e n g d i r e c t e db y ：p r o f z h a n gq i h e n g a b s t r a c t 戮瞧t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e s ，c c dc a m e r ai sw i d e l ya p p l i e di n p r a c t i c ea p p l i c a t i o n s i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ec c dd i g i t a lc a m e r a sc o n t r o la n d d a t at r a n s m i s s i o n f o rt h er e q u e s t so fr e a lt i m ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m ，w ed e s i g n a n di m p l e m e n tt h ei m a g ed a t ac a p t u r eb o a r db a s e do i lc a m e r al i n ki n t e r f a c ea n d f p g as t r u c t u r e i n t h i sp a p e r , w es t u d ys e v e r a lg e n e r a lc a m e r ad a t at r a n s m i s s i o np a t t e r n sa n d c a m e r ac o n t r o lm o d e s o nt h eb a s i so ft h es t u d y , w ec h o o s ec a m e r al i n ki n t e r f a c e b e c a u s eo fi t sh i g hd a t at r a n s m i s s i o na n de a s i l yi m p l e m e n ta n dh u g et h r o u g h p u t t h e d e s i g no far e a l - t i m ei m a g ec a p t u r i n ga n dc a m e r ac o n t r o lb o a r db a s e do nc a m e r a l i n ki sp r e s e n t e d ，t h ec a m e r al i n ki n t e r f a c e 奄rd i g i t a lc a m e r aa n df r a m eg r a b b e ri s a d o p t e df o rt h eb o a r d i nc o m b i n a t i o nw i t hf p g a ，l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a l s i g n a l i n g ) a n du a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) t e c h n o l o g i e s ， t h eb o a r dc a ni m p l e m e n tr e a l * t i m ei m a g ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lo fc c d d i g i t a l c a m e r ai nr e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m i t s t r o n g l ys u p p o r t st h ei m a g e p r o c e s s i n g t h eh i g h s p e e dd i g i t a lc a m e r a sc o n t r o la n dd a t at r a n s m i s s i o nw i l lb e w i d e l ya p p l i e di nm o r ei m a g ep r o c e s s i n ga n do t h e rf i e l d s k e yw o r d s ：c a m e r al i n k ；l v d s ；f p g a ；c c dd i g i t a lc a m e r a ；u a r t i l 本入审明 本人郑重肆 暖：所呈交特学位论文，是本人在导师娓指导下，独立避 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 冀他个人成集体已经发表或撰写过的科研成聚。对本文豹研究傲出重要贡 献瓣令a 鞠集体，均已在文中驭骥礁方式檬臻。本a 完全意识鬟本声舞躲 法簿责任感本人承担。 论文作者嚣名：蔓塾菇嚣端：趁曩衄 关于攀位论文使瑚授权酌声硐 本人完全了解中阑科学院光电技术研究所有芙保留、使用学位论文的 裁定，溺意中戮科学院光电技术研究所裸蕾或向澄家有关部门或枫构送交 论文终笺露斧帮迄予版，允许论文被奎阕移诺瓣；本人授粳中国科学陵毙 电技术硪究所可以将零学位论文的全部或部分内容编入有关数据岸进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文劫汇编本学位论文。 ( 镰密论文在解窝磊应遵守越瘸定) 论文作者签名：姆导师然名：趁，丕丝孥 隧期：超：量过 第一章，j i 言 1 1 概述 第一章引言 实时图像处理系统的基础是实时采集来自模拟或数字相机的视频流，因此相 机的控制和图像数据的传输在实时图像处理系统中有着重要的意义。 图像处理系统一般由五大功能单元组成：图像接收单元、图像预处理单元、 图像处理单元、图像显示单元、数据输出单元。如图1 1 所示。 图l l 实时图像处理系统的组成 其中图像接收单元也叫视频流输入单元主要就是完成对相机的控制和实时 图像的接收。图像预处理单元完成当前帧图像的数据存储，进行全视场的数字滤 波、图像增强、目标分割等算法。图像处理单元是处理系统的核心，完成主要的 图像处理算法。图像输出单元包括c p l d 接口、头部控制接口和字符输出接口。 图像显示单元主要完成由监视器显示相机的原始图像与处理后的图像相叠加的 复合信号。由此可见正确接收来自相机的图像数据是图像处理系统的基础。 近年来，随着光学制造及加工技术，数字电子技术，大规模和超大规模集成 电路技术及制造工业，光电成像传感器，自动控制技术等的迅速发展，目前的实 时图像处理系统在各方面的性能指标较以往有了大幅度的提高，随之对各个模块 技术指标要求也在迅速提高。由于实时图像处理系统是一种基于图像信息处理的 设备，所获得的图像质量直接影响到最后的处理结果和精度。在数字图像处理技 c c d 相机的控制i 箭速幽像数据传输技术 术要求越来越高的今天，为实时图像处理系统提供高质量的数字化图像信号已经 越来越迫切。此外，在其他民用场合，如各种自动监视安全系统，交通控制，天 文观测等等，都需要分辨率越来越高，对比度越来越好，帧频越来越高的实时图 像传输。 1 2 课题研究的目的和意义 原有的图像处理系统都是采用标准制式的模拟相机作为信号源。模拟相机的 帧频为2 5 帧秒，图像分辨率低，输出的是模拟视频信号。视频信号需要经过钳 位、放大、滤波、去同步头、带宽放大等处理电路后，通过高速a d 转换将模 拟视频信号转变成8 位或1 2 位的数字信号。同时还需要对视频信号进行行、场 信号分离，提供后续处理所需要的h s ( 行同步) 和v s ( 场同步) 信号。模拟信 号在传输中会衰减，如果没有距离合适和及时的中继放大，信号最终会湮没在噪 声中。因此模拟相机的图像接收电路复杂、需要a d 转换而且图像传输距离受 限制，不易于实现。所以，随着c c d 技术和数据传输技术的不断发展，采用新 型数据传输接口的c c d 数字相机能够避免上述问题。 c c d 数字相机在信号处理、影像传感和数字存储等三大领域中应用广泛。 它具有以下优点： ( 1 ) 体积小，集成度高，结实耐用及功耗低。 ( 2 ) 在一个较宽的波长范围内有着近乎完美的灵敏度。 ( 3 ) 工作条件是从低照度到非常高照度都能使用。 ( 4 ) 有很好的稳定度和线性度。 ( 5 ) 由于硅阵列结构的固定及紧凑，生成的图像不会变形。 c c d 输出的电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原 成物体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机内，或输入计算机，进行图像增 强、识别、存储等处理。 随着高分辨率、高帧频、数字化的新型c c d 相机出现，使得图像数据量越 来越大、传输速率越来越高。众多新的接口技术的发展，如u s b 、i e e e 一1 3 9 4 和 c a m e r al i n k 等，新型的c c d 相机纷纷对其提供支持。 为满足工程实际的需要，必须建立带宽高、数据传输率高、模块化和低功耗 第一章引言 、的图像接收与控制系统，以解决实时图像处理系统接收模块数据传输量大、传输 速率高等问题。在了解现有数字c c d 相机和多种输出接口基础上，根据图像处 理平台的需求，针对数据量大、传输速率高等问题，本论文开发了基于c a m e r a l i n k 接口的c c d 数字相机控制与数据传输系统，解决了高速c c d 图像实时图 像接收以及对相机的控制，满足了实时图像处理平台的需求。 1 3 主要研究工作 在大量查阅文献的基础上，分析现有c c d 数字相机和多种相机输出接口， 研究基于c a m e r al i n k 接口的高速c c d 数字相机的数据传输与控制在实时图像 处理系统中的应用，探讨新的接口是否可以满足系统要求，通过验证为实时图像 处理系统的升级提供技术支持。 本文的主要工作如下： 1 )分析比较c c d 数字相机常用的几种高速数据传输接口如u s b 、 i e e e 1 3 9 4 、c a i t l e r al i l l k 等的性能。 2 )根据实时图像处理平台的要求，确定数字相机控制与数据传输的设计方 案。 3 ) 设计并制作应用于实时图像处理系统的c c d 相机控制与图像数据接收板 卡。 4 )在实时图像处理系统中应用该相机控制和图像数据接收板卡，测试其性 能。 c c d 相机的控制与高速| 2 | 像数据传输技术 2 1 概述 第二章c a m e r al i n k 接口技术 c a m e r al i n k 是数字视频的通信接口。它以c h a n n e ll i n k 技术为基础，为视 频应用提供了一个通用的信号传输规范。 多年以来数字视频市场缺乏一个标准的通信接口。采集卡和相机生产商提供 了多种互不兼容的接口标准，使得传输线的统一制造非常困难，也常常使得用户 感到无所适从。因此迫切需要一个数字相机和图像采集卡之间的连接标准，能够 兼顾相机的多样性和数据传输高速性。为此n i 、数字c c d 相机供应商和图像采 集卡公司于2 0 0 0 年联合推出了c a m e r al i n k 接口协议。这个接口的优点是：数 字c c d 相机的数据接口输出采用较少的线数、连接电缆更容易制造更具有通用 性；数据传输速率高；接口简单容易实现。 2 2l v d s 技术 l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 是一种低摆幅的差分信号技术，它 使得信号能在差分p c b 线对或平衡电缆上以几百m b p s 的速率传输，其低压幅 和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。l v d s 的标准 a n s i e i a e i a 一6 4 4 ( 1 9 9 5 年1 1 月通过) ，主要定义了l v d s 的电特性，即信号摆 幅在3 5 0 m v 。信号的低电压摆动减少了上升和下降的时间能达到6 5 5 m b p s 的实 用最高速率和1 9 2 3 g b p s 的无失真媒质上的理论极限速率。标准中都指定了与物 理媒质无关的特性，这意味着只要媒质在指定的噪声边缘和倾斜容忍范围内发送 信号到接收器，接口都能正常工作。l v d s 具有许多优点：终端适配容易； 功耗低：具有f a i l s a f e 特性确保可靠性；低成本；高速传送能力。这些特 性使得l v d s 标准在计算机、通信设备、消费电子等方面得到了广泛应用。 不管使用的l v d s 传输媒质是p c b 线对还是电缆，都必须采取措施防止信 号在媒质终端发生反射，同时减少电磁干扰。l v d s 要求使用一个与媒质相匹配 的终端电阻( 1 0 0 士2 0 q ) ，该电阻终l e 了环流信号，应该将它尽可能靠近接收器 第二二章c a m e r al i n k 接口技术 输入端放置。l v d s 驱动器能以超过1 5 5 5 m b p s 的速度驱动双绞线对，距离超过 1 0 m 。对速度的实际限制是：送到驱动器的1 v r l 数据的速度；媒质的带宽性 能。通常在驱动器侧使用复用器、在接收器侧使用解复用器来实现多个t t l 信 道和一个l v d s 信道的复用转换，以提高信号速率，降低功耗。并减少传输媒质 和接口数，降低设备复杂性。 l v d s 接收器可以承受至少士l v 的驱动器与接收器之i 自j 的地的电压变化。出 于l v d s 驱动器典型的偏置电压为+ 1 2 v 。地的电压变化、驱动器偏置电压以及 轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端相对于接收器的地是共模电压。这个 共模范围是：+ o 2 v + 2 2 v 。建议接收器的输入电压范围为：o v + 2 4 v 。 2 3c h a n n e il i n k 美国国家半导体公司为了解决平板显示的问题开发了基于l v d s 的c h a n n e l l i n k 技术。此技术被广泛应用于数据传输领域。c h a n n e ll i n k 包括驱动器和接收 器两部分。驱动器接收2 8 个单端数掘信号和1 个单端时钟信号。数据信号以7 ： 1 的串行比转化成4 对l v d s 信号，加上一个时钟信号共有5 刘l v d s 经驱动器 输出。接收器的工作与驱动器正好相反将5 对l v d s 信号转化为2 8 个单端信号 和一个时钟信号输出。需要注意的是在接收端需要接一个1 0 0 q 左右的终端匹配 电阻。图2 1 是c h a n n e ll i n k 的工作原理。 c c d 相机的挡制与高速图像数据传输技术 16 g b p s o 畛 d a t a ( l d v s ) i 窆 陟 。卑 o r 畛 d a t a ( l d v s ) 辜 。陟 f 吞忍 ：； 巴 一吟 d a t a ( l d v s ) 辜 陟 6 - o g - t * 畛 d a t a ( l d v s ) 耄 盼 i 啦 c l a c k ( l d v s ) 耄汕 2 l o c k 。 2 4 相机信号 幽2 1c h a n n e ll i n k 的：i ：作原理 相机所需要的信号可分为以下4 类： 电源信号 高速相机控制信号 低速串行命令通信信号 高速视频信号 2 4 1 电源信号 c a m e r a l i n k 连接器不提供电源。相机的电源通常由专用的电缆进行传输。 2 4 2 高速相机控制信号 4 对l v d s 差分信号作为常规的相机控制信号。这4 对控制信号有比串行命 令通信信号更快的响应速度，且定义为相机的输入和板卡的输出。这4 对信号定 义为：相机控制信号l ( c c i ) 、相机控制信号2 ( c c 2 ) 、相机控制信号3 ( c c 3 ) 和相机控制信号4 ( c c 4 ) ，它们分别是外同步信号( e x s y n c ) 、重置信号( p r i n ) 、 笫二章c a m e r al i n k 接口技术 向前信号( f o r 、r d ) 和保留信号( f u t u r eu s e ) 。定义如下表 表2 1 高速相机控制信号定义 g e n e r i cs i g n a ln a m es h o r tf o r md e f i n i t i o n c a m e r ac o n t r o jic c i e x s y n c ( e x t e m a l s y n c h r o n i z a t i o n ) c a m e r ac o n t r o l2c c 2 p r i n ( p i x e r e s e l ) c a m e r ac o n t r o l3c c 3f o r w a r d c a m e r ac o i l t r o l4c c 4 f u t u r 9u s e 相机外同步信号c c l ，根据相机的不同对相机的控制也有差异。如：由高电 平下降到低电平时开始读出数据。 相机重置信号c c 2 ，它控制c c d 的像素的积分时间。当c c 2 信号为高时开 始积分，当为低时复位。而且此信号与c c l 相机外同步信号有关联。 相机向前信号c c 3 ，它是针对t d i 相机的。t d i ( t i m ed e l a ya n di n t e g r a t i o n ) 是一种扫描叠加方式，t d i 相机比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。作 为t d i 相机的方向控制信号，当为高时表示相机工作在f o r w a r d 模式下，当 为低时相机工作在r e v e r s e 模式下。 2 4 3 低速串行命令通信信号 两对l v d s 信号作为相机与板卡之间异步通信信号。 s e r i a l t o f r a m e g r a b b e r ( s e r t f g ) 是由相机输出板卡接收的通信信号； s e r i a l t o c a m e r a ( s e r t c ) 贝l j 是由板卡输出相机接收的通信信号。通信协议遵守异 步通信协议也就是r s 2 3 2 协议。c a m e r al i n k 标准推荐使用最小9 6 0 0 b p s ，1 位起 始位，8 位数据为，1 位停止位无握手无校验的格式。 2 4 4 高速视频信号 高速视频信号从相机传输像素数据和像素限定信号到接收板。相机的视频信 号是由并行信号转化为串行信号再传输。通过国家半导体公司的c h a n n e ll i n k 芯 片在传输电缆中传输。 c c d 相机的控制j 高速图像数据传输技术 c a m e r al i n k 标准定义了相机的视频信号： 帧有效信号( f v a l ) ，当该信号为高或为1 时能接受到有效的行。在线阵相 机中，这个信号一直为高或留作其他应用。 行有效信号( l v a l ) ，信号为高或为1 时能接受到有效的像素数据。 数据有效信号( d v a l ) ，一般来说这个信号为高时表示能够接受到一位像素 数据。 空闲信号( s p ) 这个信号没有被定义，是为将来的应用预留的信号。 相机的数据信号：( p o r t a 0 a 7 到p o r t h 0 p o r t h 7 ) ，端口a 到h 是8 位的 用来传输数据。一个c h a n n e l l i n k 芯片能支持a ，b ，c 三个端口，最多能支 持8 个端口。 2 5c a m e r al i n k 的硬件结构 一个c h a n n e ll i i l k 接收芯片最多只有2 8 位既三个8 b i t 的端口，但是一些相机的 输出需要几块接收芯片和更多的端口。因此c a m e r al i n k 定义了三种类型的结构： 基础结构( b a s e ) 、中间结构( m e d i u m ) 和完全结构( f u l l ) ，以满足不同的需要。 各类型特征如表1 所示。本文采用的是基础结构b a s e 型，现在的最大传输速率是 2 3 8 g b i t s 能够满足大多数数字c c d 相机的数据传输要求。 表2 2c a m e r al i n k 的三种结构 c o n f i g u r a t i o n s p o r t ss u p p o r t e dn u m b e rn u m b e ro f o f c h i o sc o n n e c t o r s b a s e a ，b ，c ll m e d i u m a ，b ，c ，d ，e ，f 2 ， 2 f u l l a ，b ，c ，d ，e ，r g h 32 如图2 2 所示，c a m e ml i n k 的中问结构和完全结构与基础结构有许多相似 之处。他们都是在基础结构的扩展，因此基础结构b a s e 型是学习掌握c a m e r a l i n k 接口的基本。 第二章c a m e r al i n k 接i j 技术 图2 2c a m e r al i n k 硬件结构示意图 2 6c a m e r al i n k 的连接器 c a m e r a l i n k 采用了3 m 公司的m d r 2 6 连接器，适合高速的l v d s 信号的传 输。由于连接器采用了屏蔽技术，配合3 m 的电缆线能够达到最大i o m 的传输 距离。 ! ! 里塑! ! 塑丝型! ! 鱼望鬯堡墼塑堡笙丝查 2 7 本章小结 图2 3c a m e r al i n k 的连接器 本章主要详细介绍了c a m e r al i n k 接口协议。针对c a m e r al i n k 的工作原理、 信号定义、硬件结构作了详细阐述。 第三章c c d 数字相机控制。j ，麓速| 芏| 像数据传输的方棠设计 。 第三章c c d 数字相机的控制与图像数据传输的方案设计 c c d 是在7 0 年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。3 0 多年来，随着 新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，c c d 技术得到了较 快的发展。c c d 数字相机是在基础上发展起来的，现在c c d 数字相机已经应用 在信号处理和数字存储等众多领域。 二十世纪8 0 年代以来，一类先进的门阵列f p g a 的出现，产生了一种 数字电路设计方法，具有良好的应用前景。基于f p g a 的数字电路设计方法在可 靠性、体积、成本上的优势巨大。 3 1c c d 数字相机 3 1 1c c d 简介 c c d 是一种金属一氧化物一半导体结构的新型器件，其基本结构是一种密 排的m o s 电容器，能够存储由入射光在c c d 像敏单元激发出的光信息电荷， 并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转 移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。1 9 6 9 年底由美国贝尔实验室 w s b o y l e 和 g e s m i t h发明了新型半导体器件一一 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，即电荷耦合器件。c c d 器件与其它的成像器件 相比有以下些优点： 体积小，集成度高，结实耐用及功耗低。 在个较宽的波长范围内有着近乎完美的灵敏度。 工作条件是从低照度到非常高照度都能使用。 有很好的稳定度和线性度。 由于硅阵列结构的固定及紧凑，生成的图像不会变形。 c c d 相机的特性参数： 1 ) 分辨率：用光学传递函数o t f 中的调制传递函数m t f 来评价。m t f 横坐标一般为归一化空间频率，纵坐标为归一化电量输出( m t f ) 。这项指标有 图像传感器和光学系统共同决定。 2 ) 输出饱和特性：曝光量( 电荷积蓄时间乘照度) 增加时传感器输出达到 c c d 相机的控制与高速幽像数据传输技术 饱和的特性。对于c c d 芯片，这个指标决定满阱容量f w c ( f u l lw e l lc a p a c i t y ) 。 3 ) 暗输出特性：无光像信号照射时，传感器仍有微弱输出的特性( 暗电流) 。 4 ) 灵敏度：单位照度产生的光电流。 5 ) 光谱响应：对敏感光波段的响应。 6 ) 残像：某像素下一次扫描后读出的信号仍受上一次遗留信号电荷影响的 现象。 7 ) 动态范围：势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比。 8 ) 量子效率：生成的光电子与入射光子之比。 3 1 2c c d 分类 c c d 器件按照不同的工作方式的可划分为线阵c c d 和面阵c c d 。下面分 别对这两种c c d 作简要的说明。 3 1 2 1 线阵c c d 器件的两种基本形式 ( 1 ) 单沟道线阵c c d 图3 1 所示为单向单沟道线阵c c d 的结构图。由图可见，光敏阵列与转移 区( 移位寄存器) 是分开的，每个传感器都挨着传输门，再就是移位寄存器，由 于移位寄存器也是光敏的，所以要用金属遮光片把移位寄存器遮挡住。在光积分 周期里，这种器件光栅电极电压为高电平，光敏区在光的作用下产生电荷存于光 敏m o s 电容势阱中。 读出寄存器时钟 输出 秽位寄存器 ( a ) 图2 1 单沟道线型c c d 结构示意图 当转移栅上转移脉冲到来时，线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到 c c d 移位寄存器中，最后移位寄存器的内容在时钟脉冲的作用下一位位地移出 第三章c c d 数： 相机控制0 高速图像数据传输的方案设计 、 器件，形成视频脉冲信号。 这种结构的c c d 的转移次数多，效率低，调制传递函数m t f 较差，只适用 于像敏单元较少的摄像器件。 ( 2 ) 双沟道线阵c c d 图3 2 为双沟道线型摄像器件。它具有两列c c d 移位寄存器a 与b ，分列 在像敏阵列的两边。当转移栅a 与b 为高电位( 对于n 沟器件) 时，光积分阵 列的信号电荷包同时按箭头方向转移到对应的移位寄存器内，然后在驱动脉冲的 作用下分别向右转移，最后以视频信号输出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵 c c d 要比单沟道线阵c c d 的转移次数少一半，它的总转移效率也大大提高，故 一般高于2 5 6 位的线阵c c d 都为双沟道的。 图3 2 双沟道线型c c d 结构示意图 3 1 2 2 面阵c c d 按一定的方式将一维线型c c d 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列， 即可以构成二维面阵c c d 。由于排列方式不同，面阵c c d 常有帧转移，隔列转 移，线转移和全桢转移四种方式。 ( i ) 帧转移面阵c c d 帧转移c c d ( f r a m et r a n s f e r ) ( 靶面被分成成像区和i 存储区，存储区上覆盖 有不透光的铝膜，不能接收光子并产生光生电荷。它的成像区在曝光积分后，像 c c d 相机的控制与高速图像数据传输技术 素电荷先被运送到存储区，再由时钟信号把图像信号由存储区传到寄存器中，再 把寄存器内容传送到输出级。图像信号被传到遮光存储区的时间取决于面阵大 小，但一般都会少于5 0 0 肛s 。 图3 3 为面阵帧转移摄像器的结构图。它有成像区( 光敏区) ，暂存器和水 平读出寄存器三部分构成。与全帧式c c d ( f u l l f r a m e t r a n s f e r ) 相比，它增加了 暂存区，是将光敏区的一半进行光遮蔽来暂存图像的，其像元结构与全帧式c c d 相比是不同的。成像区有并行排列的若干电荷耦合沟道组成( 图中的虚线方框) ， 各沟道之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道。假定有m 个转移沟道，每个沟 道有n 个成像单元，整个成像区共有m x n 个单元。存储区的结构和单元数都和 成像区相同。存储区与水平读出寄存器均被遮蔽。 遮光部分 光照部分 图3 3 帧转移面阵c c d 结构示意图 声岛 手岛 其工作过程是图像经物镜成像到光敏区，当光敏区的某一相电极( 如i 。) 加有适当的偏压时，光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里。这样就将被摄 光学图像变成了光积分电极下的电荷包图像。 第三章c c d 数字相机控制、。，高速i 芏像数据传输的方案政汁 当光积分周期结束时，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到的 信号电荷迅速转移到存储区水平读出寄存器中。然后依靠加在存储区和水平读出 器存器上的驱动脉冲驱动水平读出寄存器经输出通道输出一帧信息。当第一场读 出的同时，第二场信息通过光积分有收集到势阱中。一旦第一场信息被全部读出， 第二场信息马上就传给寄存器，使之连续地读出。 这种面阵c c d 的特点是结构简单，光敏单元的尺寸可以很小，模传递函数 m t f 较高，但光敏面积占总面积的比例小。 ( 2 ) 隔列转移型面阵 隔列转移型面阵c c d ( i n t e r l i n et r a n s f e ra r r a y ) 是由光电二极管和把光 电二极管分丌的垂直转移寄存器组成，这里的转移寄存器由不透光的金属遮光膜 遮挡。隔列转移型面阵c c d 的结构如图所示。它的像敏单元呈二维排列，每列 像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移 控制栅。由图可见，每一像敏单元对应于两个遮光的读出寄存器单元。读出寄存 器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每列像敏单元均被读出寄存器所隔，因 此，这种面阵c c d 成为隔列转移型c c d 。图3 4 中最下面是水平读出寄存器。 底光器 垂直移位 寸 bbb _ 一 寄存器 寸 盱 ， b ， b 寸 b 寸 b 寸 b 十 寸 b 寸 b 寸 睁于 睁 1 一 b 睁， 寸 1 3 -寸1 3 -， 3 -十 r - c 匕匕黝 水平移位寄存器 图3 4 隔列转移面阵c c d 结构示意图 输 出 这种面阵c c d 的工作过程如下：在光积分期问，光生电荷包存储在像敏单 元的势阱里，转移栅为低电位，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器 的变化势阱隔开；当光积分时间结束，转移栅上的电位由低变高，其下形成的势 c c d 丰h 机的控制与高速图像数据传输技术 阱将像敏单元的势阱于此刻读出寄存器某单元( 此刻该单元上的电压为高电平) 的势阱沟通，像敏单元中的光生电荷便经过转移栅转移到读出寄存器；转移的过 程为并行的，即各列光敏单元的光生电荷同时转移到对应的读出寄存器中。转移 过程很快，转移控制栅上的电位很快变为低电平。转移过程结束后，光敏单元与 读出寄存器又被隔开，转移到读出寄存器中的光生电荷在读出脉冲的作用下一行 行地向水平读出寄存器中转移，水平读出寄存器快速地将其经输出端输出。在输 出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。积分曝光结束后，由光电二极管生 成的电荷可以在l g s 内被转移到垂直转移寄存器内，这样就减小了斑点( s m e a r ) 。 采用这种器件的优点是从成像区到存储区的转移速度很快，就没必要对进入的光 用快门。采用微透镜技术能提高光学填充因子。光电管和转移门的衔接会有一个 时常数，它会限制到垂直c c d 寄存器的速度。因此，并不是所有的电荷都会被 读出，而会有残留。残留的电荷会加载到下一帧图像上而引起像迟滞，采用空穴 累积器件能解除这一问题。 ( 3 ) 线转移型面阵c c d 如图3 5 所示，它与前面两种转移方式相比，取消了存储区，多了一个线寻 址电路。它的像敏单元一行行地紧密排列，很类似于帧转移型c c d 的光敏区， 但他的每一行都有一定的地址。它没有水平读出寄存器，只有一个输出寄存器。 当线寻址电路选中某一行像敏单元时，驱动脉冲将使该行的光生电荷包一位位地 按箭头方向转移，并移入输出寄存器，输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号 电荷包经输出端输出。根据不同的使用要求，线寻址电路发出不同的数码，就可 以方便地选择扫描方式，实现逐行扫描或隔行扫描。若有n 行像敏单元，每输出 一行的时间( 行周期) 为t ，则隔行扫描的场周期t = 芒7 1 。每行的光积分时间 z 为2 t 一t = ( n 一1 ) t 。这种转移方式具有有效光敏面积大，转移速度快，转移效 率高等特点，但电路比较复杂。 第三章c c d 数字相机控制l 高速图像数据传输的方案设计 图3 5 线转移面阵c c d 结构示意图 ( 4 ) 全帧式c c d 全帧式c c d ( f u l lf r a m et r a n s f e r ) 阵列结构见图3 6 ，它由成像区、串行读出 寄存器和输出级构成。 其工作过程比较简单。成像区曝光后，像素信号在时钟信号的作用下被一行 行地读出到串行读出寄存器中，最后在时钟信号作用把寄存器内容传送到输出 级，但是在每一行像素信号转移之前，所有的串行寄存器内容都必须被送到输出 绒。 s m s en o d e a r i da m o h 矗叮 图3 6 全帧面c c d 结构示意图 c c d 相机的控制与，箭速幽像数据传输技术 3 1 3c o d 相机 典型的c c d 相机主要由c c d 、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、 光学机械接1 ：3 等构成。c c d 相机的工作流程：光学镜头通过相机的机械光学接 口，将目标成像在c c d 的光敏面上；在驱动电路所提供的驱动脉冲作用下，c c d 完成光电荷的转换、存储、转移和读取过程，从而将二维的光学信号转换为一位 的电信号输出；信号处理电路主要接收来自c c d 的一维电信号，并进行采样保 持、c d s ( 相关双采样) 、a g c 、a p 转换等预处理，而后进行视频信号的合成， 将c c d 输出的电信号转换为所需要的视频格式输出。 c c d 相机总类繁多依据c c d 的特性大体可分为以下几类： 按成像色彩划分，可分为彩色相机和黑白相机； 按灵敏度划分，可分为：普通型、月光型、星光型和红外型； 按分辨率划分，像素数在3 8 万以下的为普通型，像素数载3 8 万以上的 为高分辨率型； 按c c d 光敏面尺寸大小划分，可分为1 4 、1 3 ，1 2 、1 英寸相机； 按扫描方式划分，可分为行扫描和面扫描两种方式。其中，面扫描c c d 相机有可分为隔行扫描和逐行扫描； 按同步方式划分，可分为普通相机( 内同步) 和具有外同步功能的相机； 由于c c d 相机发展迅速还出现了高速c c d 相机，帧频已经超过了1 0 0 0 帧 秒，这里就不做阐述。 3 1 3 10 0 d 相机的主要功能控制 1 ) 同步方式的选择 对单台c c d 相机而言，主要的同步方式有：内同步、外同步和电源同步等。 具体功能如下： 一 内同步：利用相机内置的同步信号发生电路产生的同步信号来完成同步 信号控制： _ 外同步：通过外置的同步信号发生器将特定的同步信号送入相机的外同 步输入端，以满足对相机的特殊控制需要； _ 电源同步：用相机的a c 电源完成垂直同步。 第三章c c d 数一相机拄制0 高速i 兰i 像数据传输的方案垃汁 对于有多个c c d 相机构成的图像处理系统，希望所有的视频输入信号都是 垂直同步的，以避免变换相机输出时出现的图像失真。此时，我们可以利用一个 外同步信号发生器产生的同步信号驱动多台相机。 2 ) 自动增益控制( a g c ) c c d 相机通常具有一个对c c d 的信号进行放大的视频放大器，其放大倍数 称为增益。若放大器的增益保持不变，则在高亮度环境下将使视频信号饱和。利 用相机的自动增益控制( a g c ) ，电路可以随着环境内外照度的变化自动的调节 放大器的增益，从而使相机能够在较大的光照范围内工作。 3 ) 背光补偿 通常，c c d 相机的a g c 工作点是以通过对整个视场的信号的平均值来确定 的。当视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗前景目标时，c c d 相机仅对 前景目标所在的子区域求平均来确定其a g c 工作点，从而提高了成像质量。 4 ) 电子快门 c c d 相机一般都具备电子快门特性，电子快门不需要任何机械部件。c c d 相机采用电子快门控制c c d 的积累时间。当电子快门开启时，c c d 相机输出的 仅是电子快门开始起的光电荷信号，其余光电荷信号则被泄放。 较快的快门速度对于观察运动图像会产生一个“冻结动作”效应，从而大大 地增加了相机的动态分辨率。同时，当电子快门速度增加时，在c c d 积分时间 内，聚焦在c c d 的光通量减少，将会降低相机的灵敏度。 5 ) y ( 伽1 玛) 校正 在整个视觉系统中需要进行两次转换：c c d 传感器将光图像转换为电信号， 即所谓光电转换；电信号经传输后，在接收端由显示设备将电信号还原成光图像， 即电光转换。为了使接收端再现的图像与输出端的原图像一致，必须保证两次转 换中的综合特性具有线性特性。c c d 传感器上的光( l ) 和从相机输出的信号电 压( v ) 之问的关系为v = l r ，从而为光和电压之间提供了线性关系。 6 ) 白平衡 自平衡功能仅用于彩色c c d 相机，其主要功能是实现相机图像对实际景物 的精确反映。由于论文采用的是黑被相机故不做过多阐述。 7 ) 电子曝光 c c d 相机的控制与尚速图像数据传输技术 c c d 相机中，采用电子曝光以后，可以防止曝光饱和、减小光晕、减小图 像模糊和摄取运动目标图像。在运动图像采集中有重要的意义。 8 ) 抗光晕( a n t i b l o o m i n g ) 如果光强太大，势阱将填满电子，而过剩点电子会向外溢出。如果没有特殊 措施，溢出的电子将进入相邻像素，形成串音，使图像出现光晕现象，图像清晰 度夜就明显下降了。光晕严重影响了相机的成像质量。常用的抗光晕的方法有： _ 缩短曝光时间 一时钟抗晕( c l o c ka n t i b l o o m i n g ) 一溢出沟道( o v e r f l o wd r a i n ) 溢出门 采用抗晕措施以后，图像中的光晕现象消失了，图像不受强光影响，能获得 清晰图像。 9 ) 数字变焦技术 在c c d 相机中发展了一种数字变焦技术，它有着与变焦镜头相似的作用。 数字变焦的前提是，c c d 相机有很高的分辨率，在拍摄全景图像时，由于显示 的原因，图像细节没有显示出来；但如果要想看清局部细节，则可利用数字变焦 技术，将局部放大，便可以看清局部细节，其放大倍数可以打6 倍。如果c c d 的分辨率不够高，还可以采用图像内插的方法，利用相邻两像素的图像数据，内 插出其中的中间像素的数据。这样，就可以增大一倍的图像数据量，使放大的局 部很清晰。需要说明的是，数字变焦技术不能取代变焦透镜，二者同时存在。 1 0 ) b i n n i n g b i n n i n g 技术是一种将几个相邻像素合并成一个像素的技术，它的优点是： 可以有效提高像素相应度、信噪比及相机的帧频。b i n n i n g 技术对相机性能的提 高主要体现在：将相机的信噪比大致提高为m n ，其中m n 为b i n n i n g 的像素数；将相机的帧频提高至原来的m n 倍。缺点体现在：相机的分辨率 降低；多像素合并的信号量增大很多，便要求以为寄存器具有更高的暂存能力。 图3 7 是经过b i n n i n g 后的图像，可见经过行、列b i n n i n g 后，a 的大小形状 改变了，相机的灵敏度也提高了。 第三帝c c d 数字相机控制j t 速图像数据传输的方粲世汁 m o r ec h a r q e b r i g h t e rp i x e l c h a r g ei n 4a d j a c e n tp i x e l s 1 c h a r g eb i n n e d ： n o r m a li m a g eb i n n e di m a g e 1 p i x e lo u t p u t 图3 7b i n n i n g 作用效果 3 1 3 2c c d 相机的主要特性参数 1 1 最低照度 最低照度是衡量c c d 相机灵敏度的重要指标。它表示当环境光照度低 至一定程度，而使c c d 相机所输出的视频信号电平低到某一规定值时，所 对应的环境照度。 c c d 相机的最低照度与所