CN103369267B

CN103369267B - 一种基于抽样的ccd超高速图像采集方法

Info

Publication number: CN103369267B
Application number: CN201310247696.3A
Authority: CN
Inventors: 罗通顶; 李斌康; 杨少华; 郭明安; 夏惊涛; 严明; 李刚
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103369267A

Abstract

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。

Description

一种基于抽样的CCD超高速图像采集方法

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（highframe 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。

Claims

1.一种基于抽样的CCD超高速图像采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】行间转移型CCD的光敏区曝光；

3】垂直寄存器中的感应电荷向下移动一行；

6】将读出的图像还原出不同曝光时刻的图像。

2.根据权利要求1所述的基于抽样的CCD超高速图像采集方法，其特征在于：所述进行抽样的像素行之间的间隔相等。

3.根据权利要求1所述的基于抽样的CCD超高速图像采集方法，其特征在于：所述进行抽样的像素行之间的间隔不等。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于抽样的CCD超高速图像采集方法，其特征在于：所述行间转移型CCD为二相CCD或者多相CCD。