一种基于抽样的CCD超高速图像采集方法

摘要

本发明一种基于抽样的CCD超高速图像采集方法，包括1】行间转移型CCD的光敏区曝光、2】对CCD光敏区进行抽样，进行抽样的像素行之间至少相隔N个不进行抽样的像素行，将抽样的像素行的感应电荷转移到垂直寄存器中，其中N≥1；3】垂直寄存器中的感应电荷向下移动一行；4】CCD光敏区进行下一次曝光，对光敏区上一次进行抽样的像素行重复步骤2】和3】，直至垂直寄存器中存储N行感应电荷，停止曝光；5】将垂直寄存器中的感应电荷作为一幅图像通过水平寄存器正常读出；6】通过软件将该幅图像还原出不同曝光时刻的图像的步骤，将多次抽样的序列图像先暂存在CCD的垂直寄存器上，最后再一起通过水平寄存器慢速读出。它可以在空间分辨率损失较小的情况下，使帧频率得到大幅度提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高速图像采集方法，特别涉及一种基于行间转移型CCD 的高速图像采集时序驱动方法。

背景技术

高速相机对于快物理过程的研究有着重要的意义，它能将物理研究对象的 时间过程进行放大，从而提供一些普通速度成像系统无法获取的信息。目前， 因为CCD具有较高的灵敏度，所以市场上的高速相机主要以CCD为主。帧频 率是衡量CCD图像采集速度的一个重要指标。对于一些毫秒级甚至微秒级的 快物理现象的研究，需要CCD相机具备很高的帧频率。一般情况下，决定CCD 的帧频率主要有两个因素：CCD的曝光时间和像素的输出时间。因为受像素 输出速率的制约，CCD帧频率比较低。目前，常用的提高CCD帧频率的方法 主要有：多端口并行输出、窗口（ROI）输出、Binning输出等。多端口并行输 出的方法是提高了CCD的像素输出速率，而窗口（ROI）输出和Binning输出 的方法是降低了像素总的输出时间，所以这些方法都能提高CCD的帧频率。 但是这些方法对于CCD的帧频率提高幅度相对有限，或者造成了CCD分辨率 的极大损失。以美国Princeton仪器公司的ProEM_512B相机为例，采用高速 CCD图像传感器，512×512分辨率下，帧频可达34fps；利用Binning方法， 在32×32分辨率下，帧频可达689fps。帧频率仅提高了20倍，分辨率降低为 原来的256分之一。

最近一些文献基于帧转移型CCD，将一些像素进行遮光作为存储区，提 出将多次曝光的图像先在存储区进行存储后再慢速输出的方法。这种方法的帧 频率只与CCD的曝光时间相关，与像素的输出时间因素完全无关，因此能极 大的提高CCD的帧频率。该类方法存在的缺点是：对CCD像素进行遮光处理 的工艺要求高、难度大、成本高，还存在垂直拖尾现象。

行间转移型CCD结构如图1所示，其中11是光敏区，用于将入射在其上 的代表图像的光转化成光生电荷；12是垂直寄存器，与光敏区像素一一对应， 已经进行了遮光处理，用于存储光敏区转移的电荷；13是串行移位寄存区，用 于将存储区的电荷按行上的像素串行转移出CCD传感器。

如图2所示，普通工作模式时，CCD经过一个曝光周期后，在读出转移 脉冲P1的控制下电荷由光敏区一起全部转移到垂直寄存中，然后在垂直转移 脉冲P2和水平转移脉冲P3的控制下通过水平寄存器逐字逐行输出。因此可以 设想，如果能直接利用垂直寄存器存储多幅图像，最后再慢速输出，也可以达 到提高CCD帧频率目的，而且不需要再对像素做遮光处理，降低了技术的难 度。调研表明，许多行间转移型CCD具有抽样的功能，它可以只使得光敏区 部分像素行的感应电荷发生转移，因而大量的垂直寄存器处于空闲状态，这就 为利用垂直寄存器存储多幅图像的方法实现提供了可行性。

发明内容

为了解决CCD的帧频率受制于像素的输出时间难以提高、在超高帧频率 时空间分辨率损失过大及工艺实现难度大等问题，本发明根据行间转移CCD 的特点，提出一种基于抽样原理的高速成像方法，该方法将多次抽样的序列图 像先暂存在CCD的垂直寄存器上，最后再一起通过水平寄存器慢速读出。它 可以在空间分辨率损失较小的情况下，使帧频率得到大幅度提高。

本发明的技术解决方案为：

一种基于抽样的CCD超高速图像采集方法，其特殊之处在于：包括以下 步骤：

1】行间转移型CCD的光敏区曝光；

2】对CCD光敏区进行抽样，进行抽样的像素行之间至少相隔N个不进 行抽样的像素行，将抽样的像素行的感应电荷转移到垂直寄存器中，其中N≥ 1；

3】垂直寄存器中的感应电荷向下移动一行；

4】CCD光敏区进行下一次曝光，对光敏区上一次进行抽样的像素行重 复步骤2】和3】，直至垂直寄存器中存储N行感应电荷，停止曝光；

5】将垂直寄存器中的感应电荷作为一幅图像通过水平寄存器正常读出；

6】将读出的图像还原出不同曝光时刻的图像。

上述进行抽样的像素行之间的间隔相等。

上述进行抽样的像素行之间的间隔不等。

上述行间转移型CCD为二相CCD或者多相CCD。

本发明所具有的有益效果：

1、本发明方法基于抽样原理，利用行间转移型CCD上的垂直寄存器实现 片上存储，能够大幅度提高CCD的帧频率，利用普通速度的CCD就可以实现 微秒级高速成像。

2、本发明适用于行间转移型CCD，不需要对设备硬件进行改动，仅改变 驱动时序关系就能方便实现，具有广泛的适用性。

3、本发明将光敏电荷抽样存储至垂直寄存器后，其后的处理过程都在遮 光情况下进行，能有效的避免垂直拖尾现象。

4、本发明方法在大幅度提高CCD的帧频率的同时，其空间分辨率损失非 常小，因此在提供极高的帧频率的同时，也能保持较高的空间分辨率。

5、本发明方法利用低成本的科学级CCD实现高速成像，性价比高。

附图说明

图1是行间转移CCD结构示意图；其中：11-光敏区；12-垂直寄存器；13- 水平寄存器；

图2是普通模式下行间转移CCD电荷转移过程示意图；图2a光敏区曝 光图；图2b为行间转移图；图2c为水平输出图；

其中：P1-读出转移脉冲；P2-垂直转移脉冲；P3-水平转移脉冲；

图3是高速成像驱动方法的电荷转移过程示意图（以4抽1为例）；图3a 光敏区曝光图；图3b为抽样转移图；图3c为向下转移图；图3d为N次抽样 后（本例N=4）的图；图3f为各次抽样的图像依次存储在垂直寄存器中的示 意图；图3g为水平输出图；其中Reg1：中转垂直寄存器；Reg2：空闲垂直寄 存器；

图4是行间转移型CCD的转移门示意图（本例为4相CCD）；

图5是异步驱动时序设计方法的示意图;P1:读出转移脉冲；P2:垂直转移脉 冲；P3:水平转移脉冲；P1X:抽样相关的读出转移脉冲。

具体实施方式

本发明基于抽样的CCD超高速图像采集方法，具体步骤如下：

步骤1：经过一个曝光时间，对CCD光敏区进行抽样，将部分像素行的 感应电荷转移到垂直寄存器中。

抽样是指光敏像素开始向垂直寄存器转移时，从相邻几个像素中，抽取感 兴趣的像素转移。调研表明，许多行间转移型CCD具有高帧频读出模式（high  frame rate readout mode），例如SONY公司的生产的ICX204、ICX205、ICX285 等。它们这种功能的实现就是通过抽样实现的，因为CCD读出的像素减少了， CCD总读出时间随之减小，因而可以提高CCD的帧频率。转移门连接着光敏 区像素和垂直寄存器，是感应电荷从光敏区向垂直寄存器转移的通道。图4为 其结构示意图。它存在于每一个像素中。它们的开启可以通过一个读出转移脉 冲统一控制，或者通过几个读出转移脉冲分开控制。抽样需要CCD具有多个 读出转移脉冲。例如，ICX285芯片存在着两个读出转移脉冲V_Φ2A、V_Φ2B，其 中V_Φ2A控制光敏区第8n+3、8(n+1)行，V_Φ2B控制光敏区第8n+1、8n+2、8n+4、 8n+5、8n+6、8n+7行（n∈+Z）的转移门。当V_Φ2A开启，V_Φ2B关闭时，只有 第8n+3、8(n+1)行像素的感应电荷被转移到垂直寄存器中，即可实现每相邻8 行像素中抽取2行像素。CCD可采取的抽样方式与CCD的控制结构相关，可 以分为规则抽样和不规则抽样两类。规则抽样是指每x行像素为一组，从中抽 取1行。不规则抽样可定义为规则抽样外的方式。应用本发明，采取的抽样方 式都必须满足以下原则：进行抽样的像素行之间应该相隔多个不进行抽样的像 素行。

步骤2：垂直寄存器中的感应电荷向下移动，为下一次抽样留下存储空间， 即中转垂直寄存器（Reg1）的电荷移出。

根据行间转移型CCD的结构，光敏区每一个像素对应着一个专用的垂直 寄存器。由于采用抽样的方式，只有部分像素行的感应电荷转移到垂直寄存器 中，而其它行所对应的垂直寄存器则空闲。这就为本发明存储多次曝光的抽样 图像预留了空闲垂直寄存器（Reg2）。为了便于存储多幅图像，充分利用抽样 形成的空闲寄存器，步骤1中抽样应满足如下原则：进行抽样的像素行之间应 该相隔多个不进行抽样的像素行。如图3所示。下一次抽样之前，必须将中转 垂直寄存器的电荷移出，因此可向下转移至空闲垂直寄存器。垂直转移脉冲控 制电荷在垂直寄存器中的移动，它一般由几个脉冲（V1、V2、V3、V4等）组 成，由此CCD可分为二相CCD、三相CCD、四相CCD等。

步骤3：进入下一次曝光，对光敏区的相同像素行重复上述的步骤1、步 骤2过程。如此反复，经过了N个抽样及存储过程后，CCD经过了N次曝光， 光敏区被抽样的像素行产生了Ｎ幅不同时刻的图像，各幅图像依次存储在垂直 寄存器中。

如图3所示。N即总共抽样的次数，也是采集图像的帧幅数。它的大小与 CCD可采用的抽样方式密切有关。如果是规则抽样，即每x行像素为一组， 从中抽取1行，则可以为每个中转垂直寄存器预留x-1个空闲垂直寄存器，总 共可以存储x帧抽样图像，因此CCD总共可抽样的次数N等于x；如果是不 规则抽样，这种情况比较复杂，Ｎ的大小取决于可利用的空闲垂直寄存器，例 如ICX285芯片可以实现每相邻8行像素中抽取第3行和第8行像素的抽样方 式，每个中转垂直寄存器可以利用2个空闲垂直寄存器，因为每一组的第3 行中转垂直寄存器只能往下移动2行，再往下移动将覆盖上一组第8行的中转 垂直寄存器，因此该CCD最多可抽样的次数为3，可采集3帧图像。

步骤4：将垂直寄存器中的感应电荷作为一幅图像通过水平寄存器正常读 出。

经过步骤3后，CCD垂直寄存器中存储了多帧图像。参照CCD的正常图 像输出方式，将所有垂直寄存器中电荷作为一幅全分辨图像输出。行间转移型 CCD的图像输出过程一般包括两个基本过程：垂直向下转移到水平寄存器和 通过水平寄存器逐像素输出。这两个过程分别由垂直转移脉冲（如V1、V2、 V3、V4等）和水平转移脉冲控制（如H₁、H₂等）。步骤2可以是一个慢速的 过程，并不影响到利用本发明获取的CCD帧频率。

步骤5：最后通过软件还原出不同时刻的图像。

这一步包括软件采集和算法提取两个过程。软件采集同CCD正常采集模 式一样。而算法提取是指从得到的一幅全分辨图像中提取出不同时刻的图像。 不同时刻抽样的像素行按照一定的规律在全分辨图像中排列。将相同时刻的像 素行提取出来组成一幅图像。利用该方法可以获得各个时刻的曝光图像。

图5是本发明异步驱动时序设计方法的示意图。其中P1表示读出转移脉 冲、P2表示垂直转移脉冲、P3表示水平转移脉冲、P1_X表示与抽样相关的读 出转移脉冲。

驱动时序可分为以下过程：

过程1：P1_X脉冲将感应电荷转移到中转垂直寄存器中，然后P2将中转垂 直寄存器向下移到空闲垂直寄存器中，使得中转垂直寄存器清空。

过程2：循环过程1N次，直到空闲垂直寄存器无法再接收中转垂直寄存 器的感应电荷。

过程3：进入CCD的正常输出（readout）时序，垂直寄存器中的图像逐 行转移至水平移位寄存区中串行输出。

本发明原理：

本发明适用于带有遮光的垂直寄存器的行间转移型CCD芯片，采用只对 光敏区部分行像素进行抽样转移的方式，因而得到许多空闲垂直寄存器，利用 空闲垂直寄存器可实现多次抽样图像的存储。在存储了多幅抽样图像后，再通 过CCD的正常输出模式慢速读出。利用本发明获取的CCD帧频率与CCD的 图像输出过程无关，只取决于相邻两次抽样的时间间隔，显著减小了影响CCD 帧频率提高的最大制约因素即电荷的串行读出时间，从可以实现普通CCD帧 频率大幅度的提高。

已经利用SONY公司的ICX285AL芯片应用了本发明方法，获得了帧频 率大于6万帧每秒、分辨率为1360×256的样机。与该CCD芯片正常模式下 15帧/秒的指标相比，帧频率提高了4000倍以上，而分辨率仅降低为原来的四 分之一。