CN1738356A - 提高ccd图象采集系统帧速率的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高CCD图象采集系统帧速率的方法，该方法的实质是根据用户的需求，在CCD的成像区内将感兴趣的区域设为子窗口，包括该子窗口的首象元坐标(i，j)和尺寸(m行×n列)，驱动CCD工作在子窗口工作模式下，即只将所述的子窗口内的象元输出CCD，而子窗口以外的象元不移出即被湮灭于CCD芯片内部。从而缩短了每一帧图象的处理时间，因而提高了图象帧速率。并且“感兴趣区域”的尺寸和位置坐标均可根据用户要求自由改变，因此提高了CCD图象采集设备的适应性。

Description

提高CCD图象采集系统帧速率的方法

技术领域

本发明涉及CCD图象采集，特别是一种提高CCD图象采集系统帧速率的方法。

背景技术

根据面阵CCD内部构造可将其分为帧转移型(frame transfer)CCD、隔列转移型(interline transfer)CCD和全帧型(full frame)CCD三种。普通的CCD图象采集装置，其中的CCD图象传感芯片都是工作在普通工作模式下的。对上述三种不同类型的CCD芯片，其普通工作模式的具体工作过程分别叙述如下：

(1)帧转移型(frame transfer)CCD，其结构如图1所示，感应电荷移动方向如箭头所示，101是成像区(M行×N列)，102是存储区(M行×N列)，103是串行移位寄存器，104是输出传感器，105是清空沟道。

在普通工作模式下，其输出一帧图象所需脉冲序列为

Q₁→(MX₁)→M[Y₁→ND₁]……………………………………………①

①式的含义是：首先一个帧转移型CCD清空脉冲Q₁施加在CCD清空引脚上，使得CCD成像区清空，清空后CCD的曝光区自动曝光，产生与景物对应的电荷；施加一次第一行平移脉冲X₁，X₁表示一个成像脉冲、一个存储脉冲、一个串行脉冲(成像脉冲与存储脉冲相位差为180度，存储脉冲与串行脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的成像区引脚、存储区引脚和串行移位寄存器控制引脚上，使得成像区靠近存储区的一行电荷平移至存储区；连续施加M次X₁，则成像区的电荷完全平移到存储区；然后施加一次Y₁，Y₁是第二行平移脉冲，表示一个存储脉冲、一个串行脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的存储区引脚和串行移位寄存器控制引脚上，使得存储区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，然后连续施加N次D₁(D₁是帧转移型CCD象元输出脉冲，表示一个串行脉冲和一个重置脉冲，此二脉冲相位差为180度，分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚和重置引脚上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个)，使得该行的象元输出；连续施加M次[Y₁→ND₁]脉冲序列使得存储区内所有象元均输出，此时一帧的输出宣告结束，即可进入下一帧的曝光。

(2)隔列转移型(interline transfer)CCD，其结构如图2所示，感应电荷移动方向如箭头所示，201是成像直条(M行×N列)，202是存储直条(M行×N列)，203是串行移位寄存器，204是输出传感器，205是清空沟道。

在普通工作模式下，其输出一帧图象所需脉冲序列为

Q₂→Z₂→M[X₂→ND₂]…………………………………………………②

②式的含义是：首先一个隔列转移型CCD清空脉冲Q₂施加在CCD清空引脚上，使得CCD成像直条清空，清空后CCD的曝光直条自动曝光，产生与景物对应的电荷；然后施加一次帧平移脉冲Z₂，Z₂表示一个成像脉冲、一个存储脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的成像直条引脚、存储直条引脚上，使得成像直条内的电荷转移至存储直条；然后施加一次X₂，X₂是隔列转移型CCD行平移脉冲，表示一个存储脉冲、一个串行脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的存储直条引脚和串行移位寄存器控制引脚，使得成像直条中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，然后连续施加N次D₂(D₂是隔列转移型CCD象元输出脉冲，表示一个串行脉冲和一个重置脉冲，此二脉冲相位差为180度，分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚和重置引脚上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个)，使得该行的象元全部输出；连续施加M次[X₂→ND₂]脉冲序列使得存储直条内所有象元均输出。这样一帧图象的输出宣告结束，下一帧的输出即可开始。

(3)全帧型(full frame)CCD，其结构如图3所示，感应电荷移动方向如箭头所示，303是串行移位寄存器，其上方是成像区(M行×N列)，304是输出传感器，305是清空沟道。

在普通工作模式下，其输出一帧图象所需脉冲序列为

Q₃→M[X₃→ND₃]………………………………………………………③

③式所表示的含义是：首先一个全帧型CCD清空脉冲Q₃施加在CCD清空引脚上，使得CCD成像区清空，CCD的曝光区开始曝光，曝光区产生与景物对应的电荷；施加一次是全帧型CCD行平移脉冲X₃，X₃表示一个成像脉冲、一个串行脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的成像区引脚和串行移位寄存器控制引脚，使得成像区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，然后连续施加N次D₃(D₃是全帧型CCD象元输出脉冲，表示一个串行脉冲和一个重置脉冲，此二脉冲相位差为180度，分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚和重置引脚上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个)，使得该行的象元全部输出；连续施加M次[X₃→ND₃]脉冲序列使得成像区内所有象元均输出。这样一帧图象的输出宣告结束，下一帧的输出即可开始。

下面以帧转移型面阵CCD芯片TC237B为例，对普通工作模式下CCD的电荷转移过程做详细描述：

TC237B型CCD是帧转移型(frame transfer)面阵CCD，其具体结构如图4所示。图中111、112、113三部分所组成的区域是成像区11，12是存储区，14是第一串行移位寄存器，144是其前端是起保护作用的四个象元，其输出传感器是142，其输出引脚是143。13是第二串行移位寄存器，134是第二串行移位寄存器前端起保护作用的四个象元，132是其输出传感器，其输出引脚是133。15是清空沟道，当一行的电荷被移到这里时即被湮灭。成像区11宽680列，高500行，所以成像区11就有500行×680列共340000个象元(又称象素，以下统称为象元)。存储区12的宽度和高度都与成像区11相同，也是500行，680列。成像区11分为三个部分，其中111是曝光区，由496行×658列象元组成的，这是真正的曝光部分，曝光后这里的象元产生感应电荷。112、113是暗象元区域，这些象元是遮住的。112部分包括496行×22列象元，用于每一行的暗电流的参考，而113是最底下的四行，用于将曝光区111和存储区12隔开，防止曝光区感应电荷直接流入存储区12。118为清空引脚，119为成像区引脚，121为存储区引脚，131为第一串行移位寄存器控制引脚，141为第二串行移位寄存器控制引脚，131和141连接在一起，16为重置引脚，17为输出放大器和清空沟道偏置引脚，143为第二串行移位寄存器输出引脚，131为第一串行移位寄存器输出引脚。

在普通工作模式下，其各个引脚所施加的时序图如图5所示，结合时序图对上述过程以133为输出引脚的单输出模式为例具体说明如下：

一幅图象在曝光之前，首先要将成像区11的残余电荷清空，这是“清空时间”，在图10中用1001表示。清空是用一个1us以上的脉冲加在清空引脚118上完成的。紧接着是“曝光时间”，如图5的1002所示，在这段时间里，所拍摄的景物在曝光区111的各个象元点感应出相应的电荷。曝光时间1002结束后，进入转移时间1003。这段时间是将成像区11各象元的电荷全部移入大小相同的存储区12。在脉冲的作用下，成像区114的电荷一行一行地向下平移，平移下来的行进入存储区12，存储区12中的象元一行一行地移入串行移位寄存器13中。在转移时间成像脉冲、存储脉冲、串行脉冲的时序关系如图5中1008所示的虚线框内所表示。其中1005、1006、1007的脉冲个数为500，因为总共有500行要转移。这样就完成了成像区各象元电荷整体平移到存储区。转移时间结束后，进入“输出时间”1004。输出一行的过程(如1009所示)是这样的：先在存储脉冲和串行脉冲的共同作用下(其相位关系如图5中1012、1011所表示，保持一定的相位差即可，不需要严格按照图中的相位差)，将存储区12整体下移一行，这样存储区12的最后一行移入串行寄存器13中。随即在串行脉冲和重置脉冲序列的共同作用下(移出一行需要684个脉冲，其中还包括前面四个起保护作用的单元)，电荷被串行移出，并正比地转换成电压值从输出引脚133移出。这样就完成了一行的输出，如此重复500次，就把所有的图象信号输出了。图5中只画出了第一行的转移过程和串行输出的过程1009，剩下的499次省略，并用1010象征性的表示。

由此可知，TC237B型CCD在普通工作模式下输出一帧图象所施加的脉冲序列为Q₁→500X₁→500(Y₁→684D₁)，可见这与①式相符合。

由上述面阵CCD工作过程的分析可知，在普通工作模式下，图象各象元必须按一定的先后顺序一位一位地串行输出，因此对于一帧有几十万象元甚至几百万象元的视频信号来说，其帧速率是非常低的。在日常生活中，对图象采集系统的采集速度要求不高(例如数码摄像，帧速率一般为几十赫兹)，即使帧速率很低，也能够满足需要。但是，在工业生产中往往对图象采集速率要求较高，而在科研和军事领域则有更高的要求。比如在军事上，有时要求对快速移动的目标进行跟踪，如果图象采集速率不够，未等图象采集完毕，目标就逃离了视场，造成目标的丢失，这样将无法跟踪快速移动的目标，这就对图象获取系统的采集速度提出了更高的要求。而对于上述目标跟踪系统而言，不仅要求图象采集系统有较高的采集速度，还要求有较大的视场范围(视场过小则不易捕捉到目标)以及较高的分辨率(分辨率低则跟踪精度降低)等更多的指标。因此采用普通工作模式是不能满足上述连续快速传递图象信息需要的。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种提高CCD图象采集系统帧速率的方法，以实现连续快速传递图象信息。

本发明的技术解决方案如下：

一种提高CCD图象采集系统帧速率的方法，该方法的实质是根据用户的需求，在CCD的成像区内将感兴趣的区域设为子窗口，包括该子窗口的首象元坐标(i，j)和尺寸(m行×n列)，驱动CCD工作在子窗口工作模式下，即只将所述的子窗口内的象元输出CCD，而子窗口以外的象元不移出即被湮灭于CCD芯片内部。

所述的提高CCD图象采集系统帧速率的方法，对于帧转移型CCD该方法包括下列步骤：

①用户通过命令，在M行×N列的成像区内设置首象元坐标为(i，j)和尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加如下序列的驱动脉冲：

Q₁→(MX₁)→(jY₁)→m[Y₁→(i+n)D₁]    ④

该CCD将输出一帧所述子窗口的图象；

式中：Q₁清空脉冲，为施加在CCD清空引脚上的清空脉冲，使得CCD成像区清空，清空后CCD的曝光区自动曝光，产生与景物对应的电荷；

X₁为第一行平移脉冲X₁，它是由分别施加于CCD的成像区引脚一个成像脉冲、存储区引脚一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚上的一个串行脉冲的组合脉冲，成像脉冲与存储脉冲相位差为180度，存储脉冲与串行脉冲相位差为180度，使得成像区靠近存储区的一行电荷平移至存储区，存储区若有残余电荷，则靠近串行移位寄存器的一行残余电荷平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道，平移至清空沟道内的电荷被湮灭；

Y₁是第二行平移脉冲，由分别施加于CCD的存储区引脚的一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，其作用使得存储区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₁是帧转移型CCD象元输出脉冲，由分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚一个串行脉冲和重置引脚的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个；

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

工作过程是：首先一个帧转移型CCD清空脉冲Q₁施加在CCD清空引脚上，使得CCD成像区清空，清空后CCD的曝光区自动曝光，产生与景物对应的电荷；施加一次第一行平移脉冲X₁，X₁表示一个成像脉冲、一个存储脉冲、一个串行脉冲(成像脉冲与存储脉冲相位差为180度，存储脉冲与串行脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的成像区引脚、存储区引脚和串行移位寄存器控制引脚上，使得成像区靠近存储区的一行电荷平移至存储区，存储区若有残余电荷，则靠近串行移位寄存器的一行残余电荷平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道，平移至清空沟道内的电荷被湮灭；连续施加M次X₁，则成像区的电荷完全平移到存储区；然后施加一次Y₁，Y₁是第二行平移脉冲，表示一个存储脉冲、一个串行脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的存储区引脚和串行移位寄存器控制引脚上，使得存储区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；连续施加j次Y₁，存储区电荷向下平移j行，则子窗口被平移到存储区下方靠近串行移位寄存器的位置；再次施加Y₁使得子窗口内一行电荷平移到串行移位寄存器中，然后连续施加(i+n)次D₁ (D₁是帧转移型CCD象元输出脉冲，表示一个串行脉冲和一个重置脉冲，此二脉冲相位差为180度，分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚和重置引脚上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个)，使得该行感兴趣的象元输出；连续施加m次[Y₁→(i+n)D₁]脉冲序列使得子窗口内所有象元均输出，此时一帧的输出宣告结束，即可进入下一帧的曝光。需要注意的是子窗口上方的电荷仍然残留在存储区，当下一帧完成MX₁这一步骤之后，不仅成像区的电荷平移到了存储区，同时在存储区残留的上一帧的电荷也被平移出存储区之外。

所述的提高CCD图象采集系统帧速率的方法，对于隔列转移型CCD该方法包括下列步骤：

①用户通过命令，在M行×N列的成像直条内设置首象元坐标为(i，j)、尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加的CCD如下序列的驱动脉冲：

Q₂→Z₂→(jX₂)→m[X₂→(i+n)D₂]→(M-j-m)X₂，该CCD将输出一帧所述子窗口的图象；

式中：Q₂清空脉冲，是一个施加在隔列转移型CCD清空引脚上脉冲，使得CCD成像直条清空，清空后CCD的曝光直条自动曝光，产生与景物对应的电荷；

Z₂为隔列转移型CCD帧平移脉冲，Z₂分别施加于CCD的成像直条引脚一个成像脉冲和存储直条引脚上的一个存储脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像直条内的电荷转移至存储直条；

X₂是隔列转移型CCD行平移脉冲，X₂由分别施加于CCD的存储直条引脚的一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像直条中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₁是隔列转移型CCD象元输出脉冲，D₁是分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲和重置引脚上的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个；

工作过程如下：首先一个隔列转移型CCD清空脉冲Q₂施加在CCD清空引脚上，使得CCD成像直条清空，清空后CCD的曝光直条自动曝光，产生与景物对应的电荷；然后施加一次帧平移脉冲Z₂，Z₂表示一个成像脉冲、一个存储脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的成像直条引脚、存储直条引脚上，使得成像直条内的电荷转移至存储直条；然后施加一次X₂，X₂是隔列转移型CCD行平移脉冲，表示一个存储脉冲、一个串行脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的存储直条引脚和串行移位寄存器控制引脚，使得成像直条中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；连续施加j次X₂，则子窗口被平移到存储直条下方靠近串行移位寄存器的位置；再次施加X₂使得子窗口内一行电荷平移到串行移位寄存器中，然后连续施加(i+n)次D₁(D₁是隔列转移型CCD象元输出脉冲，表示一个串行脉冲和一个重置脉冲，此二脉冲相位差为180度，分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚和重置引脚上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个)，使得该行感兴趣的象元输出；连续施加m次[X₂→(i+n)D₂]脉冲序列使得子窗口内所有象元均输出；接着连续施加(M-j-m)次X₂使得存储直条内子窗口上方的电荷移出存储区；这样一帧图象的输出宣告结束，下一帧的输出即可开始。

这里值得注意的是帧转移型CCD不需将存储区的残余电荷移出存储区，因为在下一帧MX₁作用的时候会将这些残余电荷移出存储区，而隔列转移型CCD因其结构的原因(其结构已经在背景技术中说明)，必须将这些残余电荷移出存储直条。

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

所述的提高CCD图象采集系统帧速率的方法，对于全帧型CCD该方法包括下列步骤：

①通过命令，在M行×N列的成像区设置首象元坐标为(i，j)、尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加的CCD如下序列的驱动脉冲：

Q₃→(jX₃)→m[X₃→(i+n)D₃]，    ⑥

该CCD将输出一帧所述子窗口的图象；

式中：Q₃是全帧型CCD清空脉冲，使得CCD成像区清空，CCD的曝光区开始曝光，曝光区产生与景物对应的电荷；

X₃是全帧型CCD行平移脉冲，X₃表示分别施加于CCD的成像区引脚的一个成像脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₃是全帧型CCD象元输出脉冲，表示分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲和重置引脚上的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移输出一个；

其工作过程是：

首先一个全帧型CCD清空脉冲Q₃施加在CCD清空引脚上，使得CCD成像区清空，CCD的曝光区开始曝光，曝光区产生与景物对应的电荷；施加一次是全帧型CCD行平移脉冲X₃，X₃表示一个成像脉冲、一个串行脉冲(此二脉冲相位差为180度)分别施加于CCD的成像区引脚和串行移位寄存器控制引脚，使得成像区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；连续施加j次X₃，则子窗口被平移到成像区下方靠近串行移位寄存器的位置；再次施加X₃使得子窗口内一行电荷平移到串行移位寄存器中，然后连续施加(i+n)次D₃(D₃是全帧型CCD象元输出脉冲，表示一个串行脉冲和一个重置脉冲，此二脉冲相位差为180度，分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚和重置引脚上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个)，使得该行感兴趣的象元输出；连续施加m次[X₃→(i+n)D₃]脉冲序列使得子窗口内所有象元均输出；这样一帧图象的输出宣告结束，下一帧的输出即可开始。

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

本发明的技术效果：

根据以上各种类型的CCD子窗口工作模式可以看出，子窗口工作模式相对于普通工作模式主要在以下几个方面节约了每一帧图象的输出时间：

1、子窗口下方各行象元未输出

2、子窗口一侧的象元未输出

3、子窗口上方各行象元未输出

4、只有子窗口内部象元和子窗口另一侧的象元得以输出，因此节省了输出时间。

本发明所述的提高CCD图象采集速率的方法与普通工作模式相比，具有以下优点：

1、通过开辟子窗口的方法提高了普通CCD芯片的图象采集速率；

2、所述子窗口(即“感兴趣区域”)位置可以移动，因此可以对视场中不同位置的图象加以采集；

3、所述子窗口(即“感兴趣区域”)尺寸可以变化，因此采集图象的视场范围可以改变。

附图说明

图1：帧转移型CCD结构示意图

图2：隔列转移型CCD结构示意图

图3：全帧型CCD结构示意图

图4：TC237B型CCD结构图

图5：TC237B型CCD普通工作模式时序图

图6：子窗口位置示意图

图7：TC237B型CCD子窗口工作模式时序图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1-TC237B型帧转移CCD

先请参阅图4和图6，图4是TC237B型CCD结构图，图6是本发明子窗口位置示意图。

在介绍“子窗口工作模式”的具体实现之前，先解释一下本发明所使用的一些名词：

所述的“位置”，就是子窗口1109相对CCD感光面上的参考点的坐标。例如取成像区11左下角的那个象元为参考点，即坐标原点1108。而代表窗口位置的点取该窗口左下角的点，称其为“首象元”115。这样，子窗口1109的位置就可用子窗口首象元115相对坐标原点1108的坐标值来表示。这里选取坐标原点的方式可以多种多样，同样首象元的选取也有多种方式。横坐标和纵坐标的单位是象元。所述的“尺寸”是指所开窗口1109的长度和宽度，其单位也是象元。假设位置坐标为(i，j)，尺寸大小为(m行，n列)。子窗口就如图6中小方块1109所示。

由于TC237B为帧转移型CCD，因此对于该CCD，若用户在500行×680列的成像区11内仅对首象元坐标为(i，j)、尺寸为m行×n列的子窗口1109感兴趣，那么所要施加的CCD驱动脉冲序列为(仅介绍以133为输出引脚的单输出模式)：

Q₁→(500X₁)→(jY₁)→m[Y₁→(4+i+n)D₁]………………⑦

在该驱动脉冲序列的驱动下，所述的CCD输出一帧所述子窗口1109的图象，若循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

⑦式较④有一处改变就是⑦式中D₁前面的系数是4+i+n，而④式中则是i+n。⑦式多出4个脉冲是因为TC237B型CCD串行移位寄存器113前面有四个起保护作用的单元134，电荷的输出必须经过这四个单元。

⑦式所表示的含义与④式完全相同，其工作过程：

首先一个帧转移型CCD清空脉冲Q₁施加在CCD清空引脚118上，使得CCD成像区11清空，清空后CCD的曝光区111自动曝光，产生与景物对应的电荷；施加一次第一行平移脉冲X₁，其中：Q₁清空脉冲，为施加在CCD清空引脚上的清空脉冲，使得CCD成像区清空，清空后CCD的曝光区自动曝光，产生与景物对应的电荷；

X₁为第一行平移脉冲，它是由分别施加于CCD的成像区引脚119上一个成像脉冲、存储区引脚121一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚131上的一个串行脉冲的组合脉冲，成像脉冲与存储脉冲相位差为180度，存储脉冲与串行脉冲相位差为180度，使得成像区11靠近存储区12的一行电荷平移至存储区12，存储区12若有残余电荷，则靠近串行移位寄存器13的一行残余电荷平移至串行移位寄存器13中，串行移位寄存器13中若有残余电荷则被平移至清空沟道15，平移至清空沟道15内的电荷被湮灭；

Y₁是第二行平移脉冲，由分别施加于CCD的存储区引脚121的一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚131的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，其作用使得存储区12中一行电荷向下平移至串行移位寄存器13中，串行移位寄存器13中若有残余电荷，则被平移至清空沟道15内被湮灭；

D₁是帧转移型CCD象元输出脉冲，由分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚131一个串行脉冲和重置引脚16的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器131中的象元通过输出引脚133输出一个象元；

连续施加500次X₁，则成像区11的电荷完全平移到存储区12；然后连续施加j次Y₁，存储区12电荷向下平移j行，则子窗口1109被平移到存储区12下方靠近串行移位寄存器13的位置；再次施加Y₁使得子窗口1109内一行电荷平移到串行移位寄存器13中，然后连续施加(4+i+n)次D₁，每次使得串行移位寄存器13中的象元输出一个象元，(4+i+n)次使得该行感兴趣的象元输出；连续施加m次[Y₁→(4+i+n)D₁]脉冲序列，就使得子窗口1109内所有象元都输出，此时一帧的输出宣告结束，即可进入下一帧的曝光。需要注意的是子窗口1109上方的电荷仍然残留在存储区12，当下一帧完成500X₁这一步骤之后，不仅成像区111的电荷平移到了存储区12，同时在存储区12残留的上一帧的电荷也被平移出存储区12之外。

在“子窗口工作模式”下，各个引脚所施加的时序图如图7所示，结合时序图对子窗口工作过程具体解释如下：

在清空时间1001、曝光时间1002和转移时间1003内，时序与前文所述和图5所示的普通工作模式(即整帧全部输出)完全相同。这部分时间是很短的，没有必要也没有办法“节省”。转移结束之后，成像区11的感应电荷全部转移到下方的存储区12对应的位置。关键的变化是在输出时间。这里我们对驱动脉冲序列做如下三点变更。

第一，我们在图5中的1016所表示的“输出时间”之前再增加几个脉冲，如图7中1201所示，增加的脉冲个数为j，使得子窗口1109下面各行不需要的数据直接移到下面的清空沟道15而被湮灭，这样节省了很多时间。

第二，在输出时间，由于第一次的修改，使得子窗口下面的行已经被湮灭，我们只需将m行数据输出，而不必将所有500行全部输出。所以图5中的1016循环了500次，而图7中1202只需循环m次，这节省了很大一部分时间。子窗口1105上方那些行在下一帧图象的转移时间1003内会自动下移，并在清空沟道15中被湮灭。

第三，在第二次修改中所述的m次循环，其每个循环之内还可做一些修改。图5中的1014、1015共需要684个脉冲，而图7中1203、1204只需4+i+n个脉冲，剩下的数据在每一行下移的过程中也随之下移，直到移动到清空沟道15后被湮灭。这又节省了相当可观的时间。以上就是本发明方法提高CCD图象采集系统帧速率的原因和实质。

本实施例的过程与本发明的技术方案中描叙的过程是相同的。

实施例2-隔列转移型CCD

本发明提高CCD图象采集系统帧速率的方法，对于隔列转移型CCD包括下列步骤：

①用户通过命令，在M行×N列的成像直条内设置首象元坐标为(i，j)、尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加的CCD如下序列的驱动脉冲：

Q₂→Z₂→(jX₂)→m[X₂→(i+n)D₂]→(M-j-m)X₂，该CCD将输出一帧所述子窗口的图象，其中：

Q₂清空脉冲，是一个施加在隔列转移型CCD清空引脚上脉冲，使得CCD成像直条清空，清空后CCD的曝光直条自动曝光，产生与景物对应的电荷；

Z₂为隔列转移型CCD帧平移脉冲，Z₂分别施加于CCD的成像直条引脚一个成像脉冲和存储直条引脚上的一个存储脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像直条内的电荷转移至存储直条；

X₂是隔列转移型CCD行平移脉冲，X₂由分别施加于CCD的存储直条引脚的一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像直条中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₁是隔列转移型CCD象元输出脉冲，D₁是分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲和重置引脚上的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个；

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

实施例3-全帧型CCD

本发明提高CCD图象采集系统帧速率的方法，对于全帧型CCD该方法包括下列步骤：

①通过命令，在M行×N列的成像区设置首象元坐标为(i，j)、尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加的CCD如下序列的驱动脉冲：

Q₃→(jX₃)→m[X₃→(i+n)D₃]，该CCD将输出一帧所述子窗口的图象，其中：

Q₃是全帧型CCD清空脉冲，使得CCD成像区清空，CCD的曝光区开始曝光，曝光区产生与景物对应的电荷；

X₃是全帧型CCD行平移脉冲，X₃表示分别施加于CCD的成像区引脚的一个成像脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₃是全帧型CCD象元输出脉冲，表示分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲和重置引脚上的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移输出一个；

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

Claims (4)

1、一种提高CCD图象采集系统帧速率的方法，其特征在于该方法的实质是根据用户的需求，在CCD的成像区内将感兴趣的区域设为子窗口，包括该子窗口的首象元坐标(i，j)和尺寸(m行×n列)，驱动CCD工作在子窗口工作模式下：只将所述的子窗口内的象元输出CCD，而子窗口以外的象元不移出即被湮灭于CCD芯片内部。

2、权利要求1所述的提高CCD图象采集系统帧速率的方法，其特征在于对于帧转移型CCD该方法包括下列步骤：

①用户通过命令，在M行×N列的成像区(11)内设置首象元坐标为(i，i)和尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加如下序列的驱动脉冲：

Q₁→(MX₁)→(jY₁)→m[Y₁→(i+n)D₁]，该CCD将输出一帧所述子窗口的图象，其中：

Q₁清空脉冲，为施加在CCD清空引脚上的脉冲，使得CCD成像区清空，清空后CCD的曝光区自动曝光，产生与景物对应的电荷；

X₁为第一行平移脉冲X₁，它是由分别施加于CCD的成像区引脚一个成像脉冲、存储区引脚一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚上的一个串行脉冲的组合脉冲，成像脉冲与存储脉冲相位差为180度，存储脉冲与串行脉冲相位差为180度，使得成像区靠近存储区的一行电荷平移至存储区，存储区若有残余电荷，则靠近串行移位寄存器的一行残余电荷平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道，平移至清空沟道内的电荷被湮灭；

Y₁是第二行平移脉冲，由分别施加于CCD的存储区引脚的一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，其作用使得存储区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₁是帧转移型CCD象元输出脉冲，由分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚一个串行脉冲和重置引脚的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个；

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

3、权利要求1所述的提高CCD图象采集系统帧速率的方法，其特征在于对于隔列转移型CCD该方法包括下列步骤：

①用户通过命令，在M行×N列的成像直条内设置首象元坐标为(i，i)、尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加的CCD如下序列的驱动脉冲：

Q₂→Z₂→(jX₂)→m[X₂→(i+n)D₂]→(M-j-m)X₂，该CCD将输出一帧所述子窗口的图象，其中：

Q₂清空脉冲，是一个施加在隔列转移型CCD清空引脚上脉冲，使得CCD成像直条清空，清空后CCD的曝光直条自动曝光，产生与景物对应的电荷；

Z₂为隔列转移型CCD帧平移脉冲，Z₂分别施加于CCD的成像直条引脚一个成像脉冲和存储直条引脚上的一个存储脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像直条内的电荷转移至存储直条；

X₂是隔列转移型CCD行平移脉冲，X₂由分别施加于CCD的存储直条引脚的一个存储脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像直条中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₁是隔列转移型CCD象元输出脉冲，D₁是分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲和重置引脚上的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一个；

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

4、权利要求1所述的提高CCD图象采集系统帧速率的方法，其特征在于对于全帧型CCD该方法包括下列步骤：

①通过命令，在M行×N列的成像区设置首象元坐标为(i，j)、尺寸为m行×n列的子窗口；

②通过CCD驱动器对所述的CCD施加的CCD如下序列的驱动脉冲：

Q₃→(jX₃)→m[X₃→(i+n)D₃]，该CCD将输出一帧所述子窗口的图象，其中：

Q₃是全帧型CCD清空脉冲，使得CCD成像区清空，CCD的曝光区开始曝光，曝光区产生与景物对应的电荷；

X₃是全帧型CCD行平移脉冲，X₃表示分别施加于CCD的成像区引脚的一个成像脉冲和串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得成像区中一行电荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有残余电荷则被平移至清空沟道内被湮灭；

D₃是全帧型CCD象元输出脉冲，表示分别施加于CCD的串行移位寄存器控制引脚的一个串行脉冲和重置引脚上的一个重置脉冲的组合脉冲，此二脉冲相位差为180度，使得串行移位寄存器中的象元平移输出一个；

③循环施加上述脉冲序列，则输出具有所述子窗口的高帧速率视频图象。

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