CCD相机图像自动稳光技术的研究

    目前,视频技术已经广泛应用于监控和测量领域,并在宇航、遥感、军用设备、自动控制等方面有很好的应用前景。视频技术通常由图像的采集、处理和分析三部分组成。作为图像采集前端的CCD,承担着将光信号转变成电信号的任务,直接影响着后续的计算机图像处理的效果,对整个系统的性能起着重要作用。

    作为CCD的重要指标之一,光积分时间直接影响着CCD的图像质量。因此,合理地选择电子快门时间是非常重要的。有些相机具有自动快门,能够自我完成曝光时间的控制;有些相机可以通过外部触发信号来设置快门时间;另有相机可以通过跳线来设置快门时间。总之,相机的快门控制方法基本上可以分为两种,一种通过外部触发输入设置,另一种通过跳线设置或调光线设置。通常利用前者实现电子调光闭环自动控制。

    本文从SONY公司的XC-ST30相机控制时序入手,以新型嵌入式控制器AVR系列的Mega16[1作为主控单元,实现了对相机快门时间的闭环控制。该自动调光系统已成功地应用于某实际工程项目之中,并取得了满意的实验结果。

    1 CCD相机工作模式与嵌入式单元MEGA16

    虽然CCD相机[2]的品种繁多,型号不同,但在时序控制上大同小异。现以XC-ST30相机的工作模式为典例进行说明。XC-ST30相机是SONY公司生产的一种隔行扫描的工业级黑白CCD相机,它符合CCIR和EIA制式,感光面积为1/3英寸。XC-ST30提供了外部触发信号来控制快门时间,以满足捕捉高速运动目标的要求。该相机同时提供了拨码开关对其快门时间进行设置,因此其快门控制非常灵活,图1给出了通过触发脉冲宽度进行快门时间的设置时序图。

    这种方式中,必须提供外部行同步信号,而外部场同步必须在触发脉冲的下降沿10us~100ms之内提供。触发脉冲的宽度范围是从2us到1/4s。曝光时间是触发脉冲的宽度加上120us。在触发脉冲超过1/3秒之后,相机进入正常操作,之后的50ms内外部触发信号的输入可能无效。在外部触发信号变成正常操作模式之后, WEN信号有输出。同时,该相机具有外部开关设置的电子调光功能,可以根据需要灵活运用。

    MEGA16是美国Atmel公司生产的RISC单片机系列,具备较短的指令周期和较快的运行速度。Mega 16十分适于完成高速嵌入式控制任务,该器件工作在16Mhz时能达到16MIPS。该芯片内部集成了16K字节的Flash, 1K字节的SRAM及512字节的EEPROM,具备丰富强大的硬件接口电路(32个通用寄存器, 23个通用可编程I/O口,三个计数器,三个PWM通道,一个I2C的总线接口,一个USART接口,一个SPI接口, 6通道的10位ADC及2通道的8位ADC),并且支持在线编程(ISP)和在应用编程(IAP)。由于其卓越的性能尤其适用于工程应用。