CCD相机电子快门控制技术的研究.docx

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CCD相机电子快门控制技术的研究

题目

CCD相机电子快门控制技术的研究

Topic

ElectroniccontroltechnologytoshutterofCCDcamera

摘　要

CCD（ChargeCoupledDevice）是电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊的半导体器件，是一种新型的固体成像器件。

它既具有光电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。

CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术。

目前，CCD技术广泛应用于视频处理的前端，它通过光电转换将光信号转化为电信号，以便于后续电路的处理。

本文从CCD出发，系统地介绍了CCD的发展、结构、特点和分类，并以CV-A50/CV-A60相机为例，阐述CCD相机的控制时序，并介绍了调光的种类及各自的优缺点。

本文以ATmega16单片机为例，详细地介绍了用AVR单片机控制调光的硬件和软件的实现，为调光系统的设计提供了一种新的思路。

关键词：

CCDAVR单片机调光

ABSTRACT

CCD（ChargeCoupledDevice）isakindofspecialsemiconductordevice,whichisanewkindofsolidimagingdevice.Itnotonlyhasthefuctionofconversionoflighttoelectricity,butalsohasthefuctionofstorage,transferandread-outofsingals.TechniqueofCCDishighandnewtechniquethatcontainslight,machine,givesorgetsanelectricshocktocombinetogetherwiththecomputer.NowCCDtechnologyiswidelyappliedinthefrontofvideoacquisiton,whichchangesopticalsignalintotheelectricsignalthroughphotoelectricity,tosatifythetreatmentofthefollow-upcircuit.

StartingfromCCD,thispaperintroducesthedevelopment,structure,characteristic,ategorisedofCCDandbytakinganexampleofCV-A50/CV-A60camera,itexplainsthecontroltimesequenceoftheCCDcamera,andintroducesthekindofadjustingluminanceandone'sownplusesandminuses.TakingATmega16asanexample,thepapershowsthesoftwareandhardwarearchitechtureofadjustionsystemtogiveoutanewmethodofsytemdesignofluminanceadjust.

Keyword:

CCD,AVRone-chipcomputer,Adjustionofluminance

第一章绪论

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多应用。

民用的CCD相机，广泛应用在各种需要监视和图像采集的环境中。

例如：

银行监视器的镜头，数码相机镜头，数码摄像机镜头，手机镜头等中都得到了广泛的使用。

视频技术通常由采集，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。

快门时间是CCD的重要指标，影响着CCD的图像质量和速度。

因此，合理的选择快门时间是非常重要的。

有些相机具有自动快门，能够较好的控制曝光时间，有些可以通过跳线设置快门，根据观察的结果进行设置。

先进的快门控制是通过调光板实现的，通过对背景环境的预测，结合一定的算法，来合理的设置快门时间。

一般来说，CCD相机可以内部产生各种同步信号和控制时序，也可以通过外部控制来调节CCD的快门时间和相机的进光量，以达到帧速度和视频质量的较好匹配。

目前，对CCD相机调光的控制可分为机械调光，液晶调光和电子调光等方式。

其中，电子调光是常用的方式。

本设计基于ATmega16单片机控制，通过C语言编程，达到调光的目的。

第二章CCD介绍及调光原理

2.1CCD介绍

CCD于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500-800万像素。

目前，市面上的绝大多数消费型机种及高端数码相机都使用CCD作为图像传感器，而CMOS传感器以往都是作为低端产品，应用于摄像头或简易电脑相机上。

因此，是否采用CCD传感器一度成为人们判断数码相机档次的标准之一。

目前，有能力生产CCD的公司分别为：

SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp。

[1]

2.1.1CCD的分类

CCD有两种基本类型：

一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移，这类器件称为表面沟道CCD（简称为SCCD）；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道CCD（简称BCCD）。

CCD又可分为线型与面型两种。

其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

2.1.2CCD的特点

CCD是数字相机的灵魂，其面积越大，解析度就越高。

它的突出特点是以电荷为信号的载体，并且不同于大多数以电流或电压为信号的载体的器件。

其优点为：

高解析度；低噪声，高敏感度；动态范围广；具有良好的线性特性曲线；感光面积大，光谱响应广；影像失真低；体积小，重量轻；耗电力低，不受强电磁场影响；电荷传输功率佳；可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。

2.1.3CCD的原理

CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

因此，CCD的基本过程主要是信号电荷的产生，存储，转移和检测。

如果分解CCD，就会发现CCD的结构分为三层：

第一层是“微型镜头”。

相当于在感光层前面加上一副眼镜。

因此，感光面积不再由传感器的开口面积决定，而改由微型镜片的表面积来决定。

第二层是“分色滤色片”。

它有两种分色法。

一种是RGB原色分色法，另一种是CMYK补色分色法。

第三层是“感光层”。

主要是感光片。

它是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。

[2]

2.1.4CCD术语

1.电荷耦合器件（CCD）：

电荷耦合器件是一种半导体器件，其中有限的隔离电荷包被一组门的连续时钟从半导体中的一个位置搬运到它的另一个相邻的位置。

2.面阵：

包括对光敏感的半导体的行和列的固态视频检测器。

有时被称作一个矩阵阵列或者二维阵列。

大多数广口照相机使用面阵。

3.时钟信号：

通过照相机的一个信号输出来帮助帧捕捉器协调数据的接收。

从照相机引出的时钟信号包括STROBE，LVAL和FVAL。

4.LVAL：

表明相机是否输出一个有效数据行的时钟信号，有时也称为水平同步信号。

5.FVAL：

表明相机是否输出一个有效数据帧的时钟信号。

有时也称为垂直同步信号。

6.曝光量：

在每个单元面积表面上总的接收光的能量。

由积分时间和发光流量密度决定。

7.外同步信号：

相机的同步控制信号。

变化频率信号EXSYNC触发行或帧从传感器传输到读出寄存器，以此来控制相机的行或帧的输出率。

8.帧：

两维像元阵列或像元信息，或是相机所有像元的全部读出。

9.帧速率：

图像系统每秒帧读出的个数。

10.帧输出：

通过传感器的输出节点到相机的其他电子元件，把每一帧的每一行的每一个像素输出的过程。

11.帧转移：

从传感器的有效区域到存储区域的高速电荷运动。

12.采集卡：

相机与计算机之间的接口设备。

13.积分时间：

指允许光电池接收电荷的时间。

大多数DALSA图像传感器的积分时间是相机中EXSYNC信号间的时间。

14.主时钟：

相机中用来驱动内部时钟的控制信号。

相机的数据率来自于主时钟。

15.像素：

在图像传感器上的感光单元。

也可说成图像的图形单元。

16.预触发：

有些采集卡在从一个相机接收数据前需要的一段时间。

预触发允许在有效数据前，通过发送几个像素的LVAL信号的高电平来建立时间。

17.读出寄存器：

CCD中的一个移位寄存器，把光生电荷送到设备的输出节点。

18.复位时钟：

用于清除输出节点的原有像元电荷的电压波形，复位后能使之继续接收数据。

19.空间分辨率：

单位长度图像被分成的点数。

例如：

每英寸200点。

20.闸门：

用于数据采集的相机时钟信号。

有时也指像素时钟。

[3]

2.2调光原理

CCD相机在拍摄过程中，由于太阳高角、大气透过率及地面景物亮度的变化，影响了物体成像的清晰度。

由于影像对比度的下降，降低了景物目标的分辨率。

为了最大限度的获取景物的图像信息，获得清晰的图像，必须进行调光。

其主要目的就是使CCD靶面获得适宜的照度。

2.2.1机械调光

机械调光包括变密度盘调光和可变光阑调光。

变密度盘调光机构具有实现复杂，体积大，驱动功率大等特点，因此在本设计中不适合采用中型变密度盘作为调光元件。

可变光阑调光在相机中是常用的方式。

为了在不同光线强度下都产生曝光正确的影像，照相机镜头有一可变光阑，用来调节直径不断变化的小孔，这就是所谓的光圈。

在镜头固定的袖珍照相机上，镜头还设有快门装置，被称作镜间快门。

快门打开后，光线才能透射到胶片上。

快门给了人们选择准确曝光瞬间的机会，而且通过确定某一快门速度，还可以控制曝光时间的长短。

2.2.2液晶调光

液晶的电光效应（Electro-OpticEffect）是指液晶在外电场下的分子排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电光调制现象。

通常液晶分子当加热到100℃以上时，液晶分子随机取向，材料表现为各向同性。

随着温度的下降，分子开始在一个方向上排列，形成所谓向列相，并表现出很强的各向异性。

当有外加电场存在时，由于液晶具有介电各向异性，电导各向异性和双折射性，液晶分子可以很快按电场方向准直。

因此可实现对入射光束偏折角度和光强幅度、相位的调整。

图2.1为给液晶分子施加电压时，诱导偶极子使液晶分子可以很快按电场方向准直。

图2.2为偏振光经过正性液晶时的各向异性光学特性。

图2.1给液晶分子施加电压时→诱导偶极子图2.2正性液晶的各向异性光学特性

综上所述，基于液晶折射率的各向异性，液晶呈现出如下的光学性质：

（1）能使入射光的前进方向偏于分子长轴（指向矢n）方向。

（2）能够改变入射光的偏振光状态（线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光或偏振光的方向）。

（3）能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者透射。

液晶技术本身有其特有的优点：

小体积的阵列集成；大的电光系数；很低的电压驱动；低功耗；现有技术成熟，制作成本低；无运动部件实现动态调节等，并在光通信中将发挥重要作用。

2.2.3电子调光

优质的电子调光相机比那些机械调光的相机更能带给你真实的影像。

优质的调光镜头能将更多的光汇聚到成像器（CCD）上。

电子技术的改善使单CCD芯片的相机在弱光下也可以进行拍摄。

当光线不足时，照相机通过利用电子增益来增大有限的光，将一个弱光信号扩大，其结果是不可避免地出现纹理和视频噪音。

采用单片机作为控制芯片，控制简单，经济实惠。

并且系统能够独立工作，且视频信号处理电路的设计也非常简单。

系统完全能够保证CCD相机在很大的光学动态范围内获得清晰的成像质量。

如果加上控制CCD电子快门坝即可实现对外界光强几万倍的衰减变化，控制效果更佳。

[4]

第三章CV-A50/CV-A60相机及图像采集卡

3.1CV-A50/CV-A60相机的工作方式

此种相机有5种外部异步触发方式：

1.边缘预选择触发方式TR=1预曝光（SM=0，SM=1）

2.脉冲宽度调制方式TR=2脉冲宽度控制曝光时间

3.延时结构读出方式TR=3PWC曝光时间通过外部VD读出

4.长时间曝光方式TR=4曝光时间是外部VD的时间间隔

5.开始/停止方式TR=5曝光时间是通过外部VD触发开始和停止的

引入一个外部触发脉冲来抓拍图像，主要是在触发脉冲的边缘引入曝光时间或用脉冲的持续时间控制曝光（积聚）时间。

3.1.1边缘预选择触发方式

触发脉冲是由持续边沿开始引进曝光时间，曝光时间（积聚时间）是通过RS-232C的设置来限定和控制快门速度的。

CCIR制式的视频显示为“偶数部分”的输出（如图3.1所示），EIA制式的视频显示为“奇数部分”的输出（如图3.2所示）。

图3.1CCIR制式的边缘预选择触发

图3.2EIA制式的边缘预选择触发

3.1.2脉冲宽度调制方式

在触发脉冲的持续边沿引进曝光时间，曝光时间（积聚时间）是通过触发脉冲的持续时间来控制的。

CCIR制式的视频显示为“偶数部分”的输出，EIA制式的视频显示为“奇数部分”的输出。

它们的时序图与边缘预选择触发的时序图相似。

其曝光时间的范围是1.5H-1000H。

3.1.3延时结构读出方式

此种方式允许同时抓拍图像，相机使用共同的外部触发脉冲，连续输出单一的输入画面，当使用者在控制影像从CCD传感器上输出时，曝光时间就在外部触发信号的下降沿开始，在外部触发信号的上升沿结束（与脉冲宽度调制是同样的情形）。

捕捉影像是在外部VD信号传送给相机时才储存在CCD中。

CCIR制式的视频显示为“偶数部分”的输出（如图3.3所示），EIA制式的视频显示为“奇数部分”的输出（如图3.4所示）。

图3.3CCIR制式的延时结构读出

图3.4EIA制式的延时结构读出

3.1.4长时间曝光方式

曝光时间是指输送到相机中的两个外部的VD脉冲的输入间隔，曝光时间在第一个外部VD脉冲的输入时开始，在下一个VD脉冲的输入时结束。

长时间曝光是一个连续的过程，每个外部的VD脉冲将与相机信号同步，并输出以前的积聚信号。

曝光时间选择在完整的垂直时间周期间隔中。

其视野汇聚和图像汇聚分别如图3.5和3.6所示。

图3.5长时间曝光视野汇聚

图3.6长时间曝光图像汇聚

3.1.5开始/停止方式

曝光时间是通过外部触发信号和外部VD信号间的间隔来控制的。

曝光时间在外部触发的下降沿之后的第一个HD脉冲开始，在VD脉冲的上升沿结束。

EIA制式的范围在1/60-1/10000之间，CCIR的制式的范围在1/50-1/10000之间。

开始/停止方式是一个连续的方式。

此期间的VD信号必须一直连续不断，它不可能输入任意的外部VD信号。

其图像汇聚和视野汇聚分别如图3.7和3.8所示。

[5]

图3.7开始/停止方式的交错的图像汇聚

图3.8开始/停止方式的交错的视野汇聚

3.2图像采集卡

这里采用了MatroxMeteorII/Digital图像采集卡。

它可以用RS-422或LVDS差分信号标准，采集黑白/分量RGB，面阵/线阵信号。

其可以构建功能强大，价格低廉，基于PC的图像系统。

一般来讲，所有的MatroxMeteorII板卡都有专门设计的MatroxVideoInterfaceASIC。

它是一个高级存储控制器，并可以用先进的格式（重组方式）将数据实时采集到板上内存，使采集到的数据流不须通过CPU而直接将并行数据流导出到PCI总线。

MatroxMeteorII/Digital可以将采集到的图像传输到系统内存进行处理，或以实时活动视频窗口进行显示，速率可达130MB/S。

它的数据图像可以被重新定格，并通过MatroxVIA实时传输到主系统或显示。

MatroxVIA的特点包括剪切和独立的水平垂直亚采样。

MatroxVIA可以执行格式重组操作。

图像数据同时以奇/偶像素，奇/偶行的方式呈现。

反向扫描图段或组合可以在极小损耗或不损耗主CPU的情况下被重新排序为一个合适的图像。

MatroxMeteorII的主要特点为：

它是PCI或PC/104-Plus™格式的视频采集卡；可以采集数字面阵/线阵信号，包括多抽头配置；具有32位宽RS-422或LVDS接口；其采样率在RS-422下可达到25MHz，在LVDS下可达到40MHz；可配置LUT（4个256×8位或2个4K×16位）；可以触发输入，时钟输出；其PCI总线主模式为32位/33MHz；可以实时传输到系统或显卡；可在扩展板上缓存，确保采集；支持packed或planar9传输彩色或多路黑白数据流；接口简单。

MatroxMeteorII/Digital针对PCI有一个100-pin的外接口用于数据的输入以及控制信号的输入/输出，且具有一个连接RS-232串口的9-pin接口4和一个用于触发输入的9-pin接口4。

[6]

第四章AVRMega16单片机介绍

4.1AVR单片机介绍

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机。

AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产和更新。

其内嵌长寿命的E2PROM可长期保存关键数据，避免断电丢失。

片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。

AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻，可单独设定为输入/输出，并可设定（初始）高阻输入，驱动能力强（可省去功率驱动器件），使得I/O口资源灵活，功能强大，可充分利用。

AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT，I2C和SPI使用。

AVR单片机具有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路（BOD）和多个复位源（自动上/下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），并具有可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机还具有多种省电休眠模式，可宽电压运行（5-2.7V），抗干扰能力强。

并且可以降低一般8位机中的软件抗干扰设计的工作量和硬件的使用量。

AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器，看门狗，E2PROM，同/异步串行口，TWI，SPI，A/D模数转换器，定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统，降低功耗抗干扰的休眠模式，品种多、门类全的中断系统，具有输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器，具有替换功能的I/O端口等）于一身的特点。

充分体现了单片机技术从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。

总之，AVR单片机博采众长又具独特技术，是8位机中的佼佼者。

AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。

它具有3个档次：

1.低档Tiny系列AVR单片机：

主要有Tiny11/12/13/15/26/28等。

2.中档AT90S系列AVR单片机：

主要有AT90S1200/2313/8515/8535等（正在淘汰或转型到Mega中）。

3.高档ATmega系列AVR单片机：

主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。

[7]

4.2ATMega16单片机硬件简介

4.2.1总体介绍

ATMega16单片机是AVRMega系列的中档单片机。

它内部有16K字节的可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW）、512字节的E2PR-OM、1K字节的SRAM，具备较大的程序存储空间和内部RAM空间，可以存放较大的程序。

DIP封装的Mega16单片机共有40个引脚（引脚图见附录一），其中有32个通用的I/O端口，I/O口较多，可以满足复杂系统的设计要求。

从Mega16开始，Mega系列支持边界扫描的JTAG接口和片内调试与编程，可以进行硬件仿真。

另外，它具有如下硬件：

三个带比较模式的定时器/计数器（T/C）；片内/外中断；可编程串行USART；8路10位可选差分输入级；可编程增益（TQFP封装）的ADC；片内振荡器的可编程看门狗定时器；一个SPI串行端口以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

4.2.2本设计所需模块简介

1.通用数字I/O端口

Mega16的通用数字I/O端口是具有可选上拉电阻的双向I/O端口。

每个端口引脚都有三个寄存器位：

DDRxn、PORTxn和PINxn。

DDRxn位于DDRx寄存器，PORTxn位于PORTx寄存器，PINxn位于PINx寄存器。

DDxn用来选择引脚的方向。

当DDRxn设置为“0”时，对应的I/O口设为输入。

当引脚配置为输入时，若PORTxn为“1”，上拉电阻将使能。

如果需要关闭这个上拉电阻，可以将PORTxn清零，或者将这个引脚配置为输出。

若DDRxn设置为“1”时，对应的I/O口设为输出。

当引脚配置为输出时，若PORTxn为“1”，引脚输出高电平（“1”），否则输出低电平（“0”）。

不论如何配置DDRxn，都可以通过读取PINxn寄存器来获得引脚电平。

PINxn寄存器的各个位与其前面的锁存器组成了一个同步器，这样就可以避免在内部时钟状态发生改变的短时间范围内由于引脚电平变化而造成的信号不稳定。

其缺点是引入了延迟。

需要注意的是，如果设置某一个端口为输出，需要延时一个机器周期才能读取到正确的输出值。

系统复位后，所有的I/O端口设置为输入，且内部上拉使能。

另外，对未连接的引脚，建议给这些引脚赋予一个确定电平。

最简单的保证未用引脚具有确定电平的方法是使能内部上拉电阻。

但要注意的是复位时上拉电阻将被禁用。

如果复位时的功耗也有严格要求，则建议使用外部上拉或下拉电阻，不推荐直接将未用引脚与Vcc或GND连接，因为这样可能会在引脚偶然作为输出时出现冲击电流。

2.复位操作

Mega16具有如下复位源：

上电复位，外部复位，掉电复位及看门狗复位。

本系统中为提高系统的抗干扰性能，上述复位措施均存在。

分别介绍如下。

（1）上电复位

上电复位（POR）脉冲由片内检测电路产生，无论何时Vcc低于检测电平，POR即发生。

POR电路可以用来触发、启动复位，或者用来检测电源故障。

POR电路保证器件在上电时复位（如图4.1所示）。

Vcc达到上电门限电压后触发延迟计数器，并且在计数器溢出之前器件一直保持为复位状态（如图4.2所示）。

图4.1MCU启动过程，

连接到Vcc.

图4.2MCU启动过程，

由外电路控制

（2）外部复位

外部复位由外加于

引脚的低电平产生。

当复位低电平持续时间大于最小脉冲宽度时，触发复位过程，即使此时并没有时钟信号在运行。

当外加信号达到复位门限电压VRST（上升沿）时，tTOUT延时周期开始。

延时结束后MCU即启动（如图4.3所示）