用CCD攝像機(jī)獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像

假定車輛以最高時(shí)速255km/h（因?yàn)闇y速雷達(dá)可測速度上限為255km/h，為了便于分析取此上限。即，若最高速度時(shí)，系統(tǒng)能完成既定功能，那么，最高速度以下的情況，系統(tǒng)肯定勝任）馳入測速及抓拍區(qū)域，當(dāng)T車輛馳出測速區(qū)域ΔR1的瞬間，測速雷達(dá)給出抓拍信號，同時(shí)，高速攝象機(jī)開始工作。圖3中有關(guān)參數(shù)按以往經(jīng)驗(yàn)取值，

則： R5=5.5×tg78°≈26m

R2=5.5×tg70°≈15m

在攝像頭定焦且光軸下俯12°時(shí)，假設(shè)清晰畫面視角按±2°取值，則：

R4=5.5×tg76°≈22m

R6=5.5×tg80°≈31m

又假如，目標(biāo)T的速度為VR=255km/h≈71m/s

所以目標(biāo)T通過抓拍區(qū)域ΔR2所用時(shí)間為：

9/71≈0.126s

要在這么短的時(shí)間內(nèi)抓拍到高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)可不是件容易的事。必須對攝像機(jī)提出嚴(yán)格的要求。

3．2．1 電子快門速度的影響

攝像機(jī)的電子快門速度是首先要考慮的指標(biāo)。因?yàn)?，電子快門速度可以看成是對高速目標(biāo)在空間監(jiān)測點(diǎn)上出現(xiàn)頻率的采樣。假如電子快門的速度為1/10000S，那么目標(biāo)在1/10000S內(nèi)相對鏡頭的移動(dòng)距離為：

71×1/10000=0.0071m=7.1mm

由此可見，當(dāng)時(shí)使用高電子快門速度的攝像機(jī)時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相對于鏡頭可以認(rèn)為是靜止的。

假如我們以每0.1 m為間隔來觀測此運(yùn)動(dòng)物體，并且認(rèn)為攝像機(jī)在物體運(yùn)動(dòng)0.1m時(shí)能夠曝光出清晰圖像（即認(rèn)為定焦距時(shí)，物體在0.1m范圍內(nèi)是清晰成像范圍）那么，此高速目標(biāo)在0.1m內(nèi)的出現(xiàn)頻率為：

1/0.1/71=710次/S

根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，觀測點(diǎn)采樣速度應(yīng)是此頻率的兩倍即

2×710=1420次/S

而 10000 >> 1420

由此可見，假如目標(biāo)以255km/h的速度高速形式，采用電子快門速度為1/10000S以上的攝像機(jī)是可行的。

3．2．2 為什么不能使用隔行掃描攝像機(jī)

以PAL制攝像機(jī)為例。PAL制攝像機(jī)采用奇場和偶場的復(fù)合來得到一幀完整的圖像。它的幀頻率為25f/s，場頻率為50場/S，因此幀周期和場周期分別為40ms、20ms。也就是說，一幀圖像的相鄰奇行和偶行的復(fù)合要間隔20ms。

讓我們來看一下目標(biāo)以255km/h的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，20ms內(nèi)它運(yùn)行了多遠(yuǎn)：

71×0.02=1.42m

也就是說，奇場掃描后和偶場掃描后復(fù)合的圖像已經(jīng)是目標(biāo)移動(dòng)1.42m以后的圖像了。在此，（筆者定義）定義隔行掃描引起的目標(biāo)移動(dòng)距離為隔行掃描模糊距離。

又假如光軸與水平面的交點(diǎn)處O可以得到目標(biāo)的清晰圖像。因?yàn)槲覀儾捎枚ń古臄z，從理論上講，在拍攝區(qū)域只有一點(diǎn)目標(biāo)是最清晰的，我們可以調(diào)焦使O點(diǎn)處最清晰。那么在假定視角±2°的情況下，以抓拍范圍內(nèi)最不清晰處P點(diǎn)與光軸和水平面的交點(diǎn)O的距離作為基準(zhǔn)，即最大模糊距離OP（筆者定義），則有：

隔行掃描模糊距離/最大模糊距離 = 1.42/5 = 28.4%

由此可見，因隔行掃描引起的圖像模糊度達(dá)28.4%。

綜合以上分析，采用隔行掃描攝像機(jī)不可避免的回引起圖像的閃爍和模糊。相反，采用逐行掃描的攝像機(jī)則可以解決上述問題，而且還可以使每場圖像的掃描分辨率提高！假如攝像機(jī)的電子快門速度足夠快的話，那么在抓拍區(qū)域得到一幅最清晰的圖像是完全有可能的。當(dāng)然，其他因素如車身反光、天氣影響暫考慮為理想狀態(tài)，而且攝像機(jī)本身也認(rèn)為工作在最佳狀態(tài)下。假如在本系統(tǒng)中采用幀速率為60f/s的逐行掃描攝像機(jī)，那么在目標(biāo)以255km/h的速度運(yùn)行時(shí)，即在0.126秒內(nèi)能夠得到7幀較清晰的圖像。其中一幀當(dāng)電子快門速度足夠快時(shí)一定是最清晰的。當(dāng)然，如果我們能找到變焦速度足夠快的攝像機(jī)，那么可以肯定，在抓拍區(qū)域的每幀圖像都應(yīng)是清晰的。

因此，要得到清晰的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像，選擇逐行掃描攝像機(jī)的主要出發(fā)點(diǎn)是：電子快門速度、分辨率、幀速率。

4 結(jié)束語

本文以超速抓拍系統(tǒng)為例對如何用CCD攝像機(jī)獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像作了較深入的分析。該結(jié)果對于其他形式的攝像機(jī)或照相機(jī)等成像系統(tǒng)也應(yīng)有一定的借鑒意義。由于筆者水平有限，文中疏漏敬請諸專家不吝賜教。