高速分幅相機圖像采集的硬件設(shè)計與軟件開發(fā)

夏驚濤，李斌康，郭明安，孫鳳榮，楊少華，羅通頂，陳彥麗

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024)

4通道高速門控分幅相機主要用于超高速過程成像研究，可實現(xiàn)時間分辨為納秒級的連續(xù)4幀圖像采集，它主要由光學分幅系統(tǒng)、電子學快門系統(tǒng)和圖像采集與處理系統(tǒng)3部分組成。光學分幅系統(tǒng)將被攝目標分成4路光圖像信號，分別耦合到各通道的像增強器上。電子學快門系統(tǒng)包括同步機、延時器、像增強器和快門脈沖電路等，同步機被外來信號觸發(fā)后輸出多路信號，其中1路用于觸發(fā)圖像采集電路，另外4路經(jīng)分別延遲后觸發(fā)各通道的快門脈沖發(fā)生器，4個像增強器在各路快門信號的控制下依次曝光。圖像采集與處理系統(tǒng)負責各路圖像數(shù)據(jù)的采集控制，并完成圖像的處理、保存與顯示。

本文主要針對分幅相機的圖像采集與處理功能，從硬件上基于多通道采集卡和多個CCD攝像頭，設(shè)計實現(xiàn)采用單臺計算機同時控制4通道圖像采集的硬件系統(tǒng)，并針對高速分幅相機性能和應(yīng)用特點，設(shè)計完成采集主控軟件的開發(fā)。

1 4通道圖像采集硬件設(shè)計

1.1 4通道圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

高速分幅相機4通道圖像數(shù)據(jù)采集硬件單元組成設(shè)計如圖1所示，主要由4個CCD攝像頭、多通道圖像采集卡和主控計算機組成。為確保4分幅相機系統(tǒng)的整體性能滿足科學測量應(yīng)用的要求，經(jīng)認真調(diào)研分析，分別選用了MINTRON公司的MTV-1881CCD攝像頭和PICOLO公司的Alert PCIe高性能多通道圖像采集卡。

圖1 分幅相機4通道圖像采集硬件組成

1.2 CCD攝像頭的工作模式與性能

表1列出了MINTRON公司MTV-1881CCD攝像頭的主要特點與性能指標，有助于理解和分析該設(shè)計的多通道圖像采集系統(tǒng)工作模式及其最終所獲圖像。在該應(yīng)用中，采用4個MTV-1881攝像頭，它們都正常工作于50場/秒的CCIR連續(xù)視頻圖像采集模式，拍攝各通道像增強器后面板的余輝圖像。

表1 MTV-1881主要性能指標

1.3 PICOLO Alert PCIe采集卡

1.3.1 主要性能特點

圖2為PICOLO Alert PCIe多通道采集卡實物，其為PCI Express接口，設(shè)置有4個BNC視頻輸入接口，可同時進行4路視頻圖像的持續(xù)采集。各路之間的配置與采集過程相互獨立，對于CCIR視頻制式，單路最高場頻可達200場/秒。具有幀存儲功能，可保證圖像持續(xù)傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存而不受PCI總線延遲的影響，在場模式下進行采集時能自動消除隔行偽影，圖像質(zhì)量穩(wěn)定。還可對各通道的采集參數(shù)分別進行獨立配置，包括圖像分辨力、對比度和存儲格式等。每個通道可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中的2個不同內(nèi)存位置，同時實現(xiàn)采集和預(yù)覽。

圖2 PICOLO Alert PCIe多通道采集卡

1.3.2 外觸發(fā)信號的接入方法

采集卡上設(shè)置了9條專用I/O線，如圖3所示?？衫闷渲?條信號輸入線分別作為4個圖像采集通道的外觸發(fā)信號輸入接口。分幅相機的時間分辨是由前端控制快門發(fā)生器的延遲信號以及像增強器的開門時間決定的，攝像頭拍攝到的各像增強器后面板余輝圖像之間已經(jīng)具備了時間分辨。所以采集卡各通道可以被來自前端同步機的同一路信號觸發(fā)，在硬件處理上就是將4個通道各自對應(yīng)的觸發(fā)信號線連接到一塊，再與外部的觸發(fā)信號線相連。外觸發(fā)輸入信號為5 V或TTL邏輯電平，上升沿有效，在探測到外觸發(fā)信號與啟動采集之間，采集卡內(nèi)部的通信與處理過程引入一定的固有延遲，時間大約為10 ms。

圖3 外觸發(fā)輸入線及其連接方式

2 采集控制與處理軟件的實現(xiàn)

2.1 開發(fā)平臺

針對4分幅相機系統(tǒng)的原理組成和工作模式，需要開發(fā)專用的圖像采集控制與處理軟件。PICOLO Alert PCIe采集卡基于WDM驅(qū)動，提供32位Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動MultiCam，支持Windows XP平臺下基于DLL動態(tài)鏈接庫的VC++編程。采集控制與處理軟件采用C++語言在VisualStudio6.0開發(fā)環(huán)境下基于MFC框架編程實現(xiàn)，通過調(diào)用采集卡SDK軟件開發(fā)包中動態(tài)鏈接庫提供的API函數(shù)，設(shè)置并啟動采集卡進行圖像數(shù)據(jù)采集并傳輸至計算機，軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集控制以及圖像的顯示和保存等。

2.2 圖像采集控制

2.2.1 初始化及設(shè)置

程序的執(zhí)行流程如圖4所示，啟動采集程序后，首先完成控制軟件的初始化，包括生成并初始化軟件框架及其界面。接著進行4通道采集卡的初始化，創(chuàng)建各采集通道，將其與采集卡的視頻輸入口關(guān)聯(lián)，并設(shè)置各通道的圖像采集參數(shù)，包括圖像格式、顏色制式和觸發(fā)方式等。外觸發(fā)方式設(shè)置為上升沿有效，并將各通道和觸發(fā)信號線關(guān)聯(lián)起來。然后創(chuàng)建并注冊回調(diào)函數(shù)，程序?qū)⒌却僮髦噶睢＼浖缑嬷饕譃閳D像顯示、狀態(tài)提示和控制面板3個部分，如圖5所示。

2.2.2 連續(xù)采集控制

連續(xù)采集工作模式的設(shè)置主要是為了在相機研制和組裝過程中，能夠方便地對系統(tǒng)軟硬件以及鏡頭光圈大小和方位等進行調(diào)試。如果點擊“實時顯示”按鈕，軟件將啟動內(nèi)部“軟觸發(fā)”方式進行連續(xù)視頻采集，各通道每完成1幀圖像采集，都會產(chǎn)生相應(yīng)的MultiCam信號，從而調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)進行圖像數(shù)據(jù)處理，并將采集到的圖像以適當比例縮小后在軟件界面的相應(yīng)位置進行實時顯示。

2.2.3 外觸發(fā)單次采集控制

4分幅相機的主要應(yīng)用在于其外觸發(fā)像增強器控制單次曝光工作模式。當系統(tǒng)處于等待操作指令狀態(tài)，點擊“外觸發(fā)采集”按鈕，軟件將控制采集卡開啟各通道，但是并不直接采集圖像，而是等待外觸發(fā)信號到達。每接收到1次外觸發(fā)信號則進行1次采集，不僅將采集圖像進行實時顯示，更將圖像以位圖文件的形式及時保存到計算機硬盤中。采集圖像保存為256級灰度BMP位圖，像素分辨為768×576。在界面右側(cè)的窗口中會及時提示軟件在運行過程中的關(guān)鍵步驟和主要執(zhí)行狀態(tài)。

2.3 圖像處理

2.3.1 有效圖像甄選

4分幅相機在實際應(yīng)用中采取外觸發(fā)像增強器門控單次曝光工作模式，即接收到外觸發(fā)同步信號后，每個通道在像增強器控制下曝光1次，相機捕獲像增強器后面板余輝圖像。由于像增強器的開門信號、采集卡的外觸發(fā)信號以及相機的幀起始信號不易做到嚴格同步，無法保證有效幀圖像緊隨采集卡外觸發(fā)信號之后到達，而是通常在采集卡外觸發(fā)中斷發(fā)生后2～3幀內(nèi)出現(xiàn)。為此，每次接收到外觸發(fā)信號后，軟件先連續(xù)采集10幀圖像數(shù)據(jù)緩存至計算機內(nèi)存中，再通過每幀總體像素值大小對比將有效幀圖像甄選出來。

2.3.2 圖像奇偶場亮度校正

4分幅系統(tǒng)中用到的MTV-1881攝像頭CCD傳感器是幀轉(zhuǎn)移工作方式的，奇偶場圖像間隔曝光讀出，每場積分讀出時間為20 ms，全幀圖像曝光讀出時間為40 ms。而各通道像增強器門控曝光時間為納秒級，像增強器后面板輸出光余輝滯留時間小于40 ms，即小于連續(xù)奇偶兩場圖像的光積分和讀出時間，這樣導(dǎo)致在像增強器門控單次曝光工作模式下，相機連續(xù)奇偶2場曝光時間不同，輸出的奇偶場圖像之間亮度差別較大，為此顯示之前要對所采集圖像進行奇偶場亮度不平衡校正。處理軟件先判斷一幀圖像的奇偶場亮度，當差別不大時，參照較亮場對另一場圖像灰度進行拉伸，若其中一場過暗或飽和溢出，則直接采用亮度較好的另一場數(shù)據(jù)對其進行填充。

4 測試結(jié)果

4分幅相機整體系統(tǒng)(如圖6所示)完成以后，多次測試表明本文所述的4通道圖像采集方案設(shè)計合理，其功能設(shè)置也完全滿足分幅相機的調(diào)試與應(yīng)用工作模式需要。4通道圖像實時顯示功能為像增強器安裝之前相機參數(shù)的調(diào)節(jié)提供了方便，便于甄選、保存有效幀圖像，以及奇偶場圖像亮度不平衡校正等都保證了相機在外觸發(fā)門控單次曝光工作模式下多路圖像數(shù)據(jù)的并行有效采集。并且在長時間運行情況下系統(tǒng)穩(wěn)定正常，各通道所采集的圖像質(zhì)量穩(wěn)定，如圖7所示，確保了高速分幅相機系統(tǒng)的整體性能，滿足其在科學測量應(yīng)用中的需要。

圖6 四通道高速分幅相機

圖7 相機測試采集圖像

［1］單寶忠，郭寶平，牛憨笨.多通道門選通納秒分幅相機［J］.光學精密工程，2007(12):1963-1968.

［2］楊文正，侯洵，白永林，等.微通道板選通X射線皮秒分幅相機曝光時間的均勻設(shè)計［J］.光子學報，2008(3):439-443.

［3］馮勇，陳學超，鄭雪梅，等.多通道CCD攝像機的數(shù)據(jù)采集和圖像顯示［J］.光學技術(shù)，2002(3):135-138.

［4］王琳瑯，張伯珩，邊川平，等.多通道、高速CCD圖像數(shù)據(jù)的實時采集［J］.中國有線電視，2004(12):22-24.