专利名称：高速数字化ccd摄像系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于CCD摄像系统，特别是关于帧频达到150帧每秒的数字化CCD摄像系统。
背景技术：
照相技术问世后，人们开始设想如何连续快速的拍摄目标的影像。例如汽车碰撞、物体破碎过程、人体运动机理变化、运动摄像等领域，都希望摄像系统具有较高的时间分辨率，具有较大的存储容量，可以存储足够多的影像信息。
最早的高速摄像系统采用胶片感应的方法来记录目标的影像，也可以取得很高的时间分辨率。但是这样的摄像系统一般具有复杂的光机结构，而且得到的胶片还需冲洗才能进行判读使用，很不方便。
随着半导体工业和集成电路技术的发展，新的光电感应技术日臻成熟，CCD和CMOS传感器成为主要的光电传感器，特别是CCD传感器具有功耗小、噪声低、暗电流小、工作可靠等优点。因此，人们期望将CCD技术、最新的电子学技术以及计算机技术结合起来，提供新的高速数字化摄像系统。
发明内容
综上所述，如何将CCD技术、与计算机的数字化处理技术结合起来，为高速摄像领域提供新的技术手段是本发明所要解决的技术问题。为此，本发明的目的是提供一种高速数字化CCD摄像系统。
本发明的思路是利用最新的高帧频CCD器件，将成像光学系统的像面耦合到CCD的光敏面上，利用电子学技术驱动CCD工作，读取光电耦合的信息，进行处理，并数字化，采集到计算机记录、显示、处理。即本发明的技术方案如下根据本发明的高速数字化CCD摄像系统，包含光学镜头，可以是照相物镜或望远物镜，以及防止杂散光的遮光罩，特点是a、还有位于遮光罩上并与光学镜头进行光电耦合的高帧频CCD光学传感器、以及与CCD光学传感器依次以电路联结的电子学子系统、计算机采集与控制系统；b、该电子学子系统包括由32路并行且分别含有依次电路连接的信号调理和A/D变换模块、以及后接该32路A/D变换模块的多路合并模块所构成的视频信号调理与A/D变换电路，和分别向该视频信号调理与A/D变换电路提供时序和电源的时序控制模块与DC/DC模块；c、该计算机采集与控制子系统包括计算机和驻留于计算机内的图像采集与控制程序。
这样，光学镜头视场内的目标将成像于高帧频CCD光学传感器的光敏面，通过光电耦合，电子学子系统并行处理CCD光学传感器并行输出的32路视频信号，并进行数字化，多路合并后，传输到计算机，计算机采集与控制子系统记录下数字化后的图像数据，并进行显示和处理。
上述的高帧频CCD光学传感器是最高工作频率至少为150帧/秒的CCD光学传感器，是1024×1024个像素的帧转移型CCD面阵，该CCD面阵有32路视频输出端口，每路输出对应512×64个像素。
上述的计算机采集与控制子系统采用高速PCI总线传输高速图像数据。
本发明把高帧频的CCD传感器与低噪声电子学技术、高速数据采集技术、计算机数字图像处理技术相结合，提供了一种高速数字化CCD摄像技术。本发明系统的优点如下1、采用高性能CCD作为摄像系统的光电耦合传感器，具有低噪声，大动态范围，功耗小的优点；2、CCD光电感应产生的模拟视频电信号分为32路并行输出，系统模拟信号带宽较小，保证系统具有较高的信噪比。
3、采用计算机作为采集与控制系统，能够灵活控制摄像系统和完成海量数字图像信号的采集记录。
4、影像信息实时数字化，能够快速回放浏览拍摄的信息。
5、采用最新的数字图像处理技术，利用软件对影像信息进行处理。
图1是本发明的系统原理与组成示意图。
图2是本发明的电子学子系统与计算机采集控制子系统的组成模块图。
图3是本发明中的图像采集程序启动操作子程序流程图。
图4是本发明中的图像采集程序中断服务子程序流程图。
图5是本发明中的图像采集程序结束操作子程序流程图。
具体实施例方式下面结合图1-图4给出本发明的一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征、技术性能和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。
如图1所示，本实施例中，采用的光学镜头1为透射式照相机镜头，作为替换，也可采用反射式望远镜，或显微物镜。本实施例中，照相机镜头为适马(SIGMA)变焦镜头，具体指标为28-300毫米变焦范围，F3.5-6.3。采用尼康卡口固定。遮光罩2采用铝合金材料制成，并表面阳极化处理，防止杂散光影响CCD光学传感器3的成像质量。电子学子系统4完成与CCD光学传感器3的电路联结，计算机采集与控制子系统5与电子学子系统4完成电路联结。本实施例中，CCD光学传感器3采用美国Sarnoff公司的1024×1024面阵CCD，为高分辨率、高速帧转移CCD。像元大小为18μm。面阵尺寸约18mm×18mm。
本实施例中，CCD光学传感器3的信号电缆联结电子学子系统4。信号电缆包括视频信号电缆301，和驱动电源电缆302。视频信号电缆301和驱动电源电缆302均采用标准彩虹线。
电子学子系统4和计算机采集与控制子系统5均采用模块化的设计方法。电子学子系统4包括32路并行视频信号的信号调理401、A/D变换402、多路合并模块403、DC/DC电源模块404、CCD驱动电路405、时序控制模块406。其中信号调理模块401和A/D变换模块402均有32组，信号调理模块401完成CCD光学传感器输出视频信号的交流耦合、三阶低通滤波、直流恢复、增益调整功能。A/D变换模块402完成调理之后的视频信号的12bit量化。在本实施例中，采用的A/D变换芯片是Analog Device公司生产的AD9225AR芯片，该芯片有25MSPS的转换速率，满足高速数字化的要求。多路合并模块403将32路12比特的并行数字图像信号合并为24比特的图像信号，减少了接口电缆的数目。DC/DC电源模块404接受计算机采集与控制子系统5的控制，为信号调理401、A/D变换402、多路合并403、CCD驱动电路405和时序控制406提供电源。时序控制406根据计算机采集与控制子系统5的中央处理器505的控制，产生控制信号，控制CCD驱动电路405、信号调理401、A/D变化402、多路合并403。
本实施例中，计算机采集与控制子系统5，包括数据整理模块501、乒乓缓存502、磁盘阵列503、显示设备504、中央处理器505。中央处理器505控制计算机采集与控制子系统5的工作。数据整理模块501将多路合并403输出的图像数据进行整理、传输至乒乓缓存502，这两个模块的作用是通过优化组合，提高计算机采集与控制子系统5的效率。乒乓缓存502的数据在中央处理器505的控制下，通过标准PCI总线记录在磁盘阵列503。并采用Direct Draw技术显示在显示设备504。如图所示，中央处理器505还对时序控制406进行控制。
本实施例中的计算机采集与控制子系统软件Microsoft VisualStudio 6.0集成开发环境下完成，运行平台为Windows 2000 professional。
软件主要完成以下功能图像数据采集、实时影像显示、硬件控制、影像后处理与回放，并具备常规的数字图像处理功能。
图3是图像采集程序启动操作子程序100，其流程如图所示，步骤1001，启动操作图像采集，步骤1002，设置图像保存的文件夹与文件名，步骤1003，初始化图像采集卡和缓冲区，步骤1004，设置CCD工作模式，步骤1005，显示模式初始化，步骤1006打开中断，CCD摄像系统开始工作，步骤1007，返回用户界面。
图4是图像采集程序的中断服务子程序110，其流程如图所示，步骤1101，中断入口，步骤1102，启动DMA，步骤1103，查询DMA状态是否结束？若仍未结束，返回执行步骤1103，若DMA状态结束，则依次执行步骤1104，显示图像，步骤1105，将显示图像记录到文件中，步骤1106，退出中断服务子程序。
图5是图像采集程序的结束操作子程序120，其流程如图所示，步骤1201，停止图像采集，步骤1202，关闭文件，步骤1203，关闭中断，步骤1204，关闭CCD，步骤1205，释放Direct Draw，步骤1206，释放图像传输缓冲区，步骤1207，返回用户界面。
权利要求
1.一种高速数字化摄像系统，包括光学镜头(1)和防止朵散光的遮光罩(2)，其特征在于a.还有位于遮光罩(2)上并与光学镜头(1)进行光电耦合的高帧频CCD光学传感器(3)、与CCD光学传感器(3)以电路联结的电子学子系统(4)以及与电子学系统(4)以标准电路接口联结的计算机采集与控制子系统(5)；b.该电子学子系统(4)包括由32路并行且分别含有依次电路联结的信号调(401)和A/D变换模块(402)，以及后接该32路A/D变换模块(402)的多路合并模块(403)所构成的视频信号调理与A/D变换电路(41)，和分别向视频信号调理与A/D转换电路(41)提供时序信号和电源的时序控制模块(406)和DC/DC模块(404)以及电联结CCD光学传感器(3)的CCD驱动电路(405)；c.该计算机采集与控制子系统(5)含有计算机和驻留于该计算中的图像采集与控制程序。
2.根据权利要求1所述的高速数字化摄像系统，其特征在于所述的光学镜头(1)为普通型照相机镜头或反射型望远物镜。
3.根据权利要求1所述的高速数字化摄像系统，其特征在于所述的遮光罩(2)由铝合金材料加工而成，并表面阳极化处理。
4.根据权利要求1所述的高速数字化摄像系统，其特征在于所述的高帧频CCD光学传感器(3)，是帧转移型面阵CCD，并且视频信号分为32路并行输出。
5.根据权利要求1所述的高速数字化摄像系统，其特征在于所述的CCD光学传感器(3)的最高工作频率至少为150帧/秒。
全文摘要
一种高速数字化摄像系统，是把高性能CCD传感器技术、高速电子学信号处理技术与计算机采集与控制的软硬件技术结合起来的一种集成系统，包括光学镜头、防止杂散光的遮光罩和高帧频面阵CCD，以及后接该高帧频面阵CCD并依次电路连接的专用电子学系统和数据采集与控制系统。可提供高速海量的数字化影像，广泛用于运动目标捕捉、瞬态过程记录、人体运动机理研究和物体破碎过程等研究领域。
文档编号G03B39/00GK1693990SQ20051002498
公开日2005年11月9日 申请日期2005年4月8日 优先权日2005年4月8日
发明者王跃明, 薛永祺, 王建宇, 刘银年, 王欣, 黄健, 胡培新 申请人:中国科学院上海技术物理研究所