1k×1kCCD相机的ROI图像提取技术

    引　言

    CCD是一种光电式图像传感器,它可以将图像信息直接转换成电信号,通过对电信号的数字化实现图像的还原,现在已经成为光学图像获取的主要元件。目前CCD技术正在向快读出高帧频大靶面的方向发展。尤其在天文和军事领域,对空间或者地面快速运动的目标进行实时的精确探测和跟踪,确定目标的尺寸,形状和运动轨迹等重要目标特性。传统的CCD读出方式为固定靶面,整幅读出,系统的信号链带宽较低。为了达到实时性精确性的目的,可以采用ROI的采集方式,这种方式不损失图像的分辨率,使用灵活,显著提高了CCD相机的帧频。

    1　实验原理

    科学级的CCD相机结构主要包括CCD芯片,TE致冷,光学镜头,电路驱动,和图像传输处理几个部分[1]。本文所用的芯片为Kodak公司的KAF1001,它是一款单通道高速读出高灵敏度宽动态范围单色光全帧型CCD芯片,像素为1 024(H)×1 024(V),具有低噪声高灵敏度的特点[2]。

    采用TE真空致冷方式进行致冷,光学镜头采用蔡司2.8光圈120 mm的变焦镜头,相机与电脑主机之间通过USB2.0协议收发通讯。ROI是CCD相机的众多功能之一,是指为了提取整幅图像中某一个局部区域的图像或者提高某个局部区域单独成像的帧频而采用的一种特殊的图像采集方式。它不同于简单的图像剪切,更具使用意义的是它提高了图像的帧频而不损失图像分辨率。在本系统中采集的图像可以是1 024×1 024, 600×600,300×300等不同像素和不同区域,由采集软件设置。

    2　整体电路设计

    CCD相机的电路有以下几大部分组成:

    2.1　CCD后端驱动电路

    由CPLD发出的CCD芯片的Pixel的转移信号需要有专门的驱动电路控制,在设计中选用DS0026,EL7156,EL7212等专门的驱动芯片,调整其正负电压值使其脉冲的电压值符合CCD芯片的要求。

    2.2　AD转换电路及锁存器

    AD选用14位高速AD转换芯片AD9824,片内含有最高30MSPS的CDS(相关双采样)功能,可以有效的降低系统干扰,并且具有在线调节PGA,GAIN增益放大(1～6倍)和OFFSET本底(-300～300 mV)的功能[3]。数据锁存器采用LCX574,最高带宽达到150 MHz,目的是将四路AD换转的数据进行锁存并按顺序将数据写进外部FIFO进行存储。

    2.3　外部FIFO

    采用64 k×18同步高速FIFO CY7C4285接收四路AD转换后的数字信号,可通过检测FIFO固有的“空”、“满”和“半满”等标志来控制数据的传输,并且其可以与外部USB传输控制芯片无缝连接,最高读写频率达到100 MHz满足CCD的采样带宽要求。