專利名稱：提高ccd圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CCD圖象采集，特別是一種提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)面陣CCD內(nèi)部構(gòu)造可將其分為幀轉(zhuǎn)移型(frame transfer)CCD、隔列轉(zhuǎn)移型(interline transfer)CCD和全幀型(full frame)CCD三種。普通的CCD圖象采集裝置，其中的CCD圖象傳感芯片都是工作在普通工作模式下的。對上述三種不同類型的CCD芯片，其普通工作模式的具體工作過程分別敘述如下(1)幀轉(zhuǎn)移型(frame transfer)CCD，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，感應(yīng)電荷移動方向如箭頭所示，101是成像區(qū)(M行×N列)，102是存儲區(qū)(M行×N列)，103是串行移位寄存器，104是輸出傳感器，105是清空溝道。
在普通工作模式下，其輸出一幀圖象所需脈沖序列為Q1→(MX1)→M[Y1→ND1]……………………………………………①①式的含義是首先一個幀轉(zhuǎn)移型CCD清空脈沖Q1施加在CCD清空引腳上，使得CCD成像區(qū)清空，清空后CCD的曝光區(qū)自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；施加一次第一行平移脈沖X1，X1表示一個成像脈沖、一個存儲脈沖、一個串行脈沖(成像脈沖與存儲脈沖相位差為180度，存儲脈沖與串行脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的成像區(qū)引腳、存儲區(qū)引腳和串行移位寄存器控制引腳上，使得成像區(qū)靠近存儲區(qū)的一行電荷平移至存儲區(qū)；連續(xù)施加M次X1，則成像區(qū)的電荷完全平移到存儲區(qū)；然后施加一次Y1，Y1是第二行平移脈沖，表示一個存儲脈沖、一個串行脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的存儲區(qū)引腳和串行移位寄存器控制引腳上，使得存儲區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，然后連續(xù)施加N次D1(D1是幀轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，表示一個串行脈沖和一個重置脈沖，此二脈沖相位差為180度，分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳和重置引腳上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個)，使得該行的象元輸出；連續(xù)施加M次[Y1→ND1]脈沖序列使得存儲區(qū)內(nèi)所有象元均輸出，此時一幀的輸出宣告結(jié)束，即可進入下一幀的曝光。
(2)隔列轉(zhuǎn)移型(interline transfer)CCD，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，感應(yīng)電荷移動方向如箭頭所示，201是成像直條(M行×N列)，202是存儲直條(M行×N列)，203是串行移位寄存器，204是輸出傳感器，205是清空溝道。
在普通工作模式下，其輸出一幀圖象所需脈沖序列為Q2→Z2→M[X2→ND2]…………………………………………………②②式的含義是首先一個隔列轉(zhuǎn)移型CCD清空脈沖Q2施加在CCD清空引腳上，使得CCD成像直條清空，清空后CCD的曝光直條自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；然后施加一次幀平移脈沖Z2，Z2表示一個成像脈沖、一個存儲脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的成像直條引腳、存儲直條引腳上，使得成像直條內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移至存儲直條；然后施加一次X2，X2是隔列轉(zhuǎn)移型CCD行平移脈沖，表示一個存儲脈沖、一個串行脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的存儲直條引腳和串行移位寄存器控制引腳，使得成像直條中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，然后連續(xù)施加N次D2(D2是隔列轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，表示一個串行脈沖和一個重置脈沖，此二脈沖相位差為180度，分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳和重置引腳上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個)，使得該行的象元全部輸出；連續(xù)施加M次[X2→ND2]脈沖序列使得存儲直條內(nèi)所有象元均輸出。這樣一幀圖象的輸出宣告結(jié)束，下一幀的輸出即可開始。
(3)全幀型(full frame)CCD，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，感應(yīng)電荷移動方向如箭頭所示，303是串行移位寄存器，其上方是成像區(qū)(M行×N列)，304是輸出傳感器，305是清空溝道。
在普通工作模式下，其輸出一幀圖象所需脈沖序列為Q3→M[X3→ND3]………………………………………………………③③式所表示的含義是首先一個全幀型CCD清空脈沖Q3施加在CCD清空引腳上，使得CCD成像區(qū)清空，CCD的曝光區(qū)開始曝光，曝光區(qū)產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；施加一次是全幀型CCD行平移脈沖X3，X3表示一個成像脈沖、一個串行脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的成像區(qū)引腳和串行移位寄存器控制引腳，使得成像區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，然后連續(xù)施加N次D3(D3是全幀型CCD象元輸出脈沖，表示一個串行脈沖和一個重置脈沖，此二脈沖相位差為180度，分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳和重置引腳上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個)，使得該行的象元全部輸出；連續(xù)施加M次[X3→ND3]脈沖序列使得成像區(qū)內(nèi)所有象元均輸出。這樣一幀圖象的輸出宣告結(jié)束，下一幀的輸出即可開始。
下面以幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD芯片TC237B為例，對普通工作模式下CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程做詳細描述TC237B型CCD是幀轉(zhuǎn)移型(frame transfer)面陣CCD，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中111、112、113三部分所組成的區(qū)域是成像區(qū)11，12是存儲區(qū)，14是第一串行移位寄存器，144是其前端是起保護作用的四個象元，其輸出傳感器是142，其輸出引腳是143。13是第二串行移位寄存器，134是第二串行移位寄存器前端起保護作用的四個象元，132是其輸出傳感器，其輸出引腳是133。15是清空溝道，當(dāng)一行的電荷被移到這里時即被湮滅。成像區(qū)11寬680列，高500行，所以成像區(qū)11就有500行×680列共340000個象元(又稱象素，以下統(tǒng)稱為象元)。存儲區(qū)12的寬度和高度都與成像區(qū)11相同，也是500行，680列。成像區(qū)11分為三個部分，其中111是曝光區(qū)，由496行×658列象元組成的，這是真正的曝光部分，曝光后這里的象元產(chǎn)生感應(yīng)電荷。112、113是暗象元區(qū)域，這些象元是遮住的。112部分包括496行×22列象元，用于每一行的暗電流的參考，而113是最底下的四行，用于將曝光區(qū)111和存儲區(qū)12隔開，防止曝光區(qū)感應(yīng)電荷直接流入存儲區(qū)12。118為清空引腳，119為成像區(qū)引腳，121為存儲區(qū)引腳，131為第一串行移位寄存器控制引腳，141為第二串行移位寄存器控制引腳，131和141連接在一起，16為重置引腳，17為輸出放大器和清空溝道偏置引腳，143為第二串行移位寄存器輸出引腳，131為第一串行移位寄存器輸出引腳。
在普通工作模式下，其各個引腳所施加的時序圖如圖5所示，結(jié)合時序圖對上述過程以133為輸出引腳的單輸出模式為例具體說明如下一幅圖象在曝光之前，首先要將成像區(qū)11的殘余電荷清空，這是“清空時間”，在圖10中用1001表示。清空是用一個1us以上的脈沖加在清空引腳118上完成的。緊接著是“曝光時間”，如圖5的1002所示，在這段時間里，所拍攝的景物在曝光區(qū)111的各個象元點感應(yīng)出相應(yīng)的電荷。曝光時間1002結(jié)束后，進入轉(zhuǎn)移時間1003。這段時間是將成像區(qū)11各象元的電荷全部移入大小相同的存儲區(qū)12。在脈沖的作用下，成像區(qū)114的電荷一行一行地向下平移，平移下來的行進入存儲區(qū)12，存儲區(qū)12中的象元一行一行地移入串行移位寄存器13中。在轉(zhuǎn)移時間成像脈沖、存儲脈沖、串行脈沖的時序關(guān)系如圖5中1008所示的虛線框內(nèi)所表示。其中1005、1006、1007的脈沖個數(shù)為500，因為總共有500行要轉(zhuǎn)移。這樣就完成了成像區(qū)各象元電荷整體平移到存儲區(qū)。轉(zhuǎn)移時間結(jié)束后，進入“輸出時間”1004。輸出一行的過程(如1009所示)是這樣的先在存儲脈沖和串行脈沖的共同作用下(其相位關(guān)系如圖5中1012、1011所表示，保持一定的相位差即可，不需要嚴格按照圖中的相位差)，將存儲區(qū)12整體下移一行，這樣存儲區(qū)12的最后一行移入串行寄存器13中。隨即在串行脈沖和重置脈沖序列的共同作用下(移出一行需要684個脈沖，其中還包括前面四個起保護作用的單元)，電荷被串行移出，并正比地轉(zhuǎn)換成電壓值從輸出引腳133移出。這樣就完成了一行的輸出，如此重復(fù)500次，就把所有的圖象信號輸出了。圖5中只畫出了第一行的轉(zhuǎn)移過程和串行輸出的過程1009，剩下的499次省略，并用1010象征性的表示。
由此可知，TC237B型CCD在普通工作模式下輸出一幀圖象所施加的脈沖序列為Q1→500X1→500(Y1→684D1)，可見這與①式相符合。
由上述面陣CCD工作過程的分析可知，在普通工作模式下，圖象各象元必須按一定的先后順序一位一位地串行輸出，因此對于一幀有幾十萬象元甚至幾百萬象元的視頻信號來說，其幀速率是非常低的。在日常生活中，對圖象采集系統(tǒng)的采集速度要求不高(例如數(shù)碼攝像，幀速率一般為幾十赫茲)，即使幀速率很低，也能夠滿足需要。但是，在工業(yè)生產(chǎn)中往往對圖象采集速率要求較高，而在科研和軍事領(lǐng)域則有更高的要求。比如在軍事上，有時要求對快速移動的目標進行跟蹤，如果圖象采集速率不夠，未等圖象采集完畢，目標就逃離了視場，造成目標的丟失，這樣將無法跟蹤快速移動的目標，這就對圖象獲取系統(tǒng)的采集速度提出了更高的要求。而對于上述目標跟蹤系統(tǒng)而言，不僅要求圖象采集系統(tǒng)有較高的采集速度，還要求有較大的視場范圍(視場過小則不易捕捉到目標)以及較高的分辨率(分辨率低則跟蹤精度降低)等更多的指標。因此采用普通工作模式是不能滿足上述連續(xù)快速傳遞圖象信息需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，以實現(xiàn)連續(xù)快速傳遞圖象信息。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，該方法的實質(zhì)是根據(jù)用戶的需求，在CCD的成像區(qū)內(nèi)將感興趣的區(qū)域設(shè)為子窗口，包括該子窗口的首象元坐標(i，j)和尺寸(m行×n列)，驅(qū)動CCD工作在子窗口工作模式下，即只將所述的子窗口內(nèi)的象元輸出CCD，而子窗口以外的象元不移出即被湮滅于CCD芯片內(nèi)部。
所述的提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，對于幀轉(zhuǎn)移型CCD該方法包括下列步驟①用戶通過命令，在M行×N列的成像區(qū)內(nèi)設(shè)置首象元坐標為(i，j)和尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加如下序列的驅(qū)動脈沖Q1→(MX1)→(jY1)→m[Y1→(i+n)D1]④該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象；式中Q1清空脈沖，為施加在CCD清空引腳上的清空脈沖，使得CCD成像區(qū)清空，清空后CCD的曝光區(qū)自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；X1為第一行平移脈沖X1，它是由分別施加于CCD的成像區(qū)引腳一個成像脈沖、存儲區(qū)引腳一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳上的一個串行脈沖的組合脈沖，成像脈沖與存儲脈沖相位差為180度，存儲脈沖與串行脈沖相位差為180度，使得成像區(qū)靠近存儲區(qū)的一行電荷平移至存儲區(qū)，存儲區(qū)若有殘余電荷，則靠近串行移位寄存器的一行殘余電荷平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道，平移至清空溝道內(nèi)的電荷被湮滅；Y1是第二行平移脈沖，由分別施加于CCD的存儲區(qū)引腳的一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，其作用使得存儲區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D1是幀轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，由分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳一個串行脈沖和重置引腳的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個；③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
工作過程是首先一個幀轉(zhuǎn)移型CCD清空脈沖Q1施加在CCD清空引腳上，使得CCD成像區(qū)清空，清空后CCD的曝光區(qū)自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；施加一次第一行平移脈沖X1，X1表示一個成像脈沖、一個存儲脈沖、一個串行脈沖(成像脈沖與存儲脈沖相位差為180度，存儲脈沖與串行脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的成像區(qū)引腳、存儲區(qū)引腳和串行移位寄存器控制引腳上，使得成像區(qū)靠近存儲區(qū)的一行電荷平移至存儲區(qū)，存儲區(qū)若有殘余電荷，則靠近串行移位寄存器的一行殘余電荷平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道，平移至清空溝道內(nèi)的電荷被湮滅；連續(xù)施加M次X1，則成像區(qū)的電荷完全平移到存儲區(qū)；然后施加一次Y1，Y1是第二行平移脈沖，表示一個存儲脈沖、一個串行脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的存儲區(qū)引腳和串行移位寄存器控制引腳上，使得存儲區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；連續(xù)施加j次Y1，存儲區(qū)電荷向下平移j行，則子窗口被平移到存儲區(qū)下方靠近串行移位寄存器的位置；再次施加Y1使得子窗口內(nèi)一行電荷平移到串行移位寄存器中，然后連續(xù)施加(i+n)次D1(D1是幀轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，表示一個串行脈沖和一個重置脈沖，此二脈沖相位差為180度，分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳和重置引腳上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個)，使得該行感興趣的象元輸出；連續(xù)施加m次[Y1→(i+n)D1]脈沖序列使得子窗口內(nèi)所有象元均輸出，此時一幀的輸出宣告結(jié)束，即可進入下一幀的曝光。需要注意的是子窗口上方的電荷仍然殘留在存儲區(qū)，當(dāng)下一幀完成MX1這一步驟之后，不僅成像區(qū)的電荷平移到了存儲區(qū)，同時在存儲區(qū)殘留的上一幀的電荷也被平移出存儲區(qū)之外。
所述的提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，對于隔列轉(zhuǎn)移型CCD該方法包括下列步驟①用戶通過命令，在M行×N列的成像直條內(nèi)設(shè)置首象元坐標為(i，j)、尺寸為m行×n列的子窗口；
②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加的CCD如下序列的驅(qū)動脈沖Q2→Z2→(jX2)→m[X2→(i+n)D2]→(M-j-m)X2，該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象；式中Q2清空脈沖，是一個施加在隔列轉(zhuǎn)移型CCD清空引腳上脈沖，使得CCD成像直條清空，清空后CCD的曝光直條自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；Z2為隔列轉(zhuǎn)移型CCD幀平移脈沖，Z2分別施加于CCD的成像直條引腳一個成像脈沖和存儲直條引腳上的一個存儲脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像直條內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移至存儲直條；X2是隔列轉(zhuǎn)移型CCD行平移脈沖，X2由分別施加于CCD的存儲直條引腳的一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像直條中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D1是隔列轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，D1是分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖和重置引腳上的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個；工作過程如下首先一個隔列轉(zhuǎn)移型CCD清空脈沖Q2施加在CCD清空引腳上，使得CCD成像直條清空，清空后CCD的曝光直條自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；然后施加一次幀平移脈沖Z2，Z2表示一個成像脈沖、一個存儲脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的成像直條引腳、存儲直條引腳上，使得成像直條內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移至存儲直條；然后施加一次X2，X2是隔列轉(zhuǎn)移型CCD行平移脈沖，表示一個存儲脈沖、一個串行脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的存儲直條引腳和串行移位寄存器控制引腳，使得成像直條中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；連續(xù)施加j次X2，則子窗口被平移到存儲直條下方靠近串行移位寄存器的位置；再次施加X2使得子窗口內(nèi)一行電荷平移到串行移位寄存器中，然后連續(xù)施加(i+n)次D1(D1是隔列轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，表示一個串行脈沖和一個重置脈沖，此二脈沖相位差為180度，分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳和重置引腳上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個)，使得該行感興趣的象元輸出；連續(xù)施加m次[X2→(i+n)D2]脈沖序列使得子窗口內(nèi)所有象元均輸出；接著連續(xù)施加(M-j-m)次X2使得存儲直條內(nèi)子窗口上方的電荷移出存儲區(qū)；這樣一幀圖象的輸出宣告結(jié)束，下一幀的輸出即可開始。
這里值得注意的是幀轉(zhuǎn)移型CCD不需將存儲區(qū)的殘余電荷移出存儲區(qū)，因為在下一幀MX1作用的時候會將這些殘余電荷移出存儲區(qū)，而隔列轉(zhuǎn)移型CCD因其結(jié)構(gòu)的原因(其結(jié)構(gòu)已經(jīng)在背景技術(shù)中說明)，必須將這些殘余電荷移出存儲直條。
③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
所述的提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，對于全幀型CCD該方法包括下列步驟①通過命令，在M行×N列的成像區(qū)設(shè)置首象元坐標為(i，j)、尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加的CCD如下序列的驅(qū)動脈沖Q3→(jX3)→m[X3→(i+n)D3]，⑥該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象；式中Q3是全幀型CCD清空脈沖，使得CCD成像區(qū)清空，CCD的曝光區(qū)開始曝光，曝光區(qū)產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；X3是全幀型CCD行平移脈沖，X3表示分別施加于CCD的成像區(qū)引腳的一個成像脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D3是全幀型CCD象元輸出脈沖，表示分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖和重置引腳上的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移輸出一個；其工作過程是首先一個全幀型CCD清空脈沖Q3施加在CCD清空引腳上，使得CCD成像區(qū)清空，CCD的曝光區(qū)開始曝光，曝光區(qū)產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；施加一次是全幀型CCD行平移脈沖X3，X3表示一個成像脈沖、一個串行脈沖(此二脈沖相位差為180度)分別施加于CCD的成像區(qū)引腳和串行移位寄存器控制引腳，使得成像區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；連續(xù)施加j次X3，則子窗口被平移到成像區(qū)下方靠近串行移位寄存器的位置；再次施加X3使得子窗口內(nèi)一行電荷平移到串行移位寄存器中，然后連續(xù)施加(i+n)次D3(D3是全幀型CCD象元輸出脈沖，表示一個串行脈沖和一個重置脈沖，此二脈沖相位差為180度，分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳和重置引腳上，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個)，使得該行感興趣的象元輸出；連續(xù)施加m次[X3→(i+n)D3]脈沖序列使得子窗口內(nèi)所有象元均輸出；這樣一幀圖象的輸出宣告結(jié)束，下一幀的輸出即可開始。
③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
本發(fā)明的技術(shù)效果根據(jù)以上各種類型的CCD子窗口工作模式可以看出，子窗口工作模式相對于普通工作模式主要在以下幾個方面節(jié)約了每一幀圖象的輸出時間1、子窗口下方各行象元未輸出2、子窗口一側(cè)的象元未輸出3、子窗口上方各行象元未輸出4、只有子窗口內(nèi)部象元和子窗口另一側(cè)的象元得以輸出，因此節(jié)省了輸出時間。
本發(fā)明所述的提高CCD圖象采集速率的方法與普通工作模式相比，具有以下優(yōu)點1、通過開辟子窗口的方法提高了普通CCD芯片的圖象采集速率；2、所述子窗口(即“感興趣區(qū)域”)位置可以移動，因此可以對視場中不同位置的圖象加以采集；3、所述子窗口(即“感興趣區(qū)域”)尺寸可以變化，因此采集圖象的視場范圍可以改變。


圖1幀轉(zhuǎn)移型CCD結(jié)構(gòu)示意2隔列轉(zhuǎn)移型CCD結(jié)構(gòu)示意3全幀型CCD結(jié)構(gòu)示意4TC237B型CCD結(jié)構(gòu)5TC237B型CCD普通工作模式時序6子窗口位置示意7TC237B型CCD子窗口工作模式時序圖具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
實施例1-TC237B型幀轉(zhuǎn)移CCD先請參閱圖4和圖6，圖4是TC237B型CCD結(jié)構(gòu)圖，圖6是本發(fā)明子窗口位置示意圖。
在介紹“子窗口工作模式”的具體實現(xiàn)之前，先解釋一下本發(fā)明所使用的一些名詞所述的“位置”，就是子窗口1109相對CCD感光面上的參考點的坐標。例如取成像區(qū)11左下角的那個象元為參考點，即坐標原點1108。而代表窗口位置的點取該窗口左下角的點，稱其為“首象元”115。這樣，子窗口1109的位置就可用子窗口首象元115相對坐標原點1108的坐標值來表示。這里選取坐標原點的方式可以多種多樣，同樣首象元的選取也有多種方式。橫坐標和縱坐標的單位是象元。所述的“尺寸”是指所開窗口1109的長度和寬度，其單位也是象元。假設(shè)位置坐標為(i，j)，尺寸大小為(m行，n列)。子窗口就如圖6中小方塊1109所示。
由于TC237B為幀轉(zhuǎn)移型CCD，因此對于該CCD，若用戶在500行×680列的成像區(qū)11內(nèi)僅對首象元坐標為(i，j)、尺寸為m行×n列的子窗口1109感興趣，那么所要施加的CCD驅(qū)動脈沖序列為(僅介紹以133為輸出引腳的單輸出模式)Q1→(500X1)→(jY1)→m[Y1→(4+i+n)D1]………………⑦在該驅(qū)動脈沖序列的驅(qū)動下，所述的CCD輸出一幀所述子窗口1109的圖象，若循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
⑦式較④有一處改變就是⑦式中D1前面的系數(shù)是4+i+n，而④式中則是i+n。⑦式多出4個脈沖是因為TC237B型CCD串行移位寄存器113前面有四個起保護作用的單元134，電荷的輸出必須經(jīng)過這四個單元。
⑦式所表示的含義與④式完全相同，其工作過程
首先一個幀轉(zhuǎn)移型CCD清空脈沖Q1施加在CCD清空引腳118上，使得CCD成像區(qū)11清空，清空后CCD的曝光區(qū)111自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；施加一次第一行平移脈沖X1，其中Q1清空脈沖，為施加在CCD清空引腳上的清空脈沖，使得CCD成像區(qū)清空，清空后CCD的曝光區(qū)自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；X1為第一行平移脈沖，它是由分別施加于CCD的成像區(qū)引腳119上一個成像脈沖、存儲區(qū)引腳121一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳131上的一個串行脈沖的組合脈沖，成像脈沖與存儲脈沖相位差為180度，存儲脈沖與串行脈沖相位差為180度，使得成像區(qū)11靠近存儲區(qū)12的一行電荷平移至存儲區(qū)12，存儲區(qū)12若有殘余電荷，則靠近串行移位寄存器13的一行殘余電荷平移至串行移位寄存器13中，串行移位寄存器13中若有殘余電荷則被平移至清空溝道15，平移至清空溝道15內(nèi)的電荷被湮滅；Y1是第二行平移脈沖，由分別施加于CCD的存儲區(qū)引腳121的一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳131的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，其作用使得存儲區(qū)12中一行電荷向下平移至串行移位寄存器13中，串行移位寄存器13中若有殘余電荷，則被平移至清空溝道15內(nèi)被湮滅；D1是幀轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，由分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳131一個串行脈沖和重置引腳16的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器131中的象元通過輸出引腳133輸出一個象元；連續(xù)施加500次X1，則成像區(qū)11的電荷完全平移到存儲區(qū)12；然后連續(xù)施加j次Y1，存儲區(qū)12電荷向下平移j行，則子窗口1109被平移到存儲區(qū)12下方靠近串行移位寄存器13的位置；再次施加Y1使得子窗口1109內(nèi)一行電荷平移到串行移位寄存器13中，然后連續(xù)施加(4+i+n)次D1，每次使得串行移位寄存器13中的象元輸出一個象元，(4+i+n)次使得該行感興趣的象元輸出；連續(xù)施加m次[Y1→(4+i+n)D1]脈沖序列，就使得子窗口1109內(nèi)所有象元都輸出，此時一幀的輸出宣告結(jié)束，即可進入下一幀的曝光。需要注意的是子窗口1109上方的電荷仍然殘留在存儲區(qū)12，當(dāng)下一幀完成500X1這一步驟之后，不僅成像區(qū)111的電荷平移到了存儲區(qū)12，同時在存儲區(qū)12殘留的上一幀的電荷也被平移出存儲區(qū)12之外。
在“子窗口工作模式”下，各個引腳所施加的時序圖如圖7所示，結(jié)合時序圖對子窗口工作過程具體解釋如下在清空時間1001、曝光時間1002和轉(zhuǎn)移時間1003內(nèi)，時序與前文所述和圖5所示的普通工作模式(即整幀全部輸出)完全相同。這部分時間是很短的，沒有必要也沒有辦法“節(jié)省”。轉(zhuǎn)移結(jié)束之后，成像區(qū)11的感應(yīng)電荷全部轉(zhuǎn)移到下方的存儲區(qū)12對應(yīng)的位置。關(guān)鍵的變化是在輸出時間。這里我們對驅(qū)動脈沖序列做如下三點變更。
第一，我們在圖5中的1016所表示的“輸出時間”之前再增加幾個脈沖，如圖7中1201所示，增加的脈沖個數(shù)為j，使得子窗口1109下面各行不需要的數(shù)據(jù)直接移到下面的清空溝道15而被湮滅，這樣節(jié)省了很多時間。
第二，在輸出時間，由于第一次的修改，使得子窗口下面的行已經(jīng)被湮滅，我們只需將m行數(shù)據(jù)輸出，而不必將所有500行全部輸出。所以圖5中的1016循環(huán)了500次，而圖7中1202只需循環(huán)m次，這節(jié)省了很大一部分時間。子窗口1105上方那些行在下一幀圖象的轉(zhuǎn)移時間1003內(nèi)會自動下移，并在清空溝道15中被湮滅。
第三，在第二次修改中所述的m次循環(huán)，其每個循環(huán)之內(nèi)還可做一些修改。圖5中的1014、1015共需要684個脈沖，而圖7中1203、1204只需4+i+n個脈沖，剩下的數(shù)據(jù)在每一行下移的過程中也隨之下移，直到移動到清空溝道15后被湮滅。這又節(jié)省了相當(dāng)可觀的時間。以上就是本發(fā)明方法提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的原因和實質(zhì)。
本實施例的過程與本發(fā)明的技術(shù)方案中描敘的過程是相同的。
實施例2-隔列轉(zhuǎn)移型CCD本發(fā)明提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，對于隔列轉(zhuǎn)移型CCD包括下列步驟①用戶通過命令，在M行×N列的成像直條內(nèi)設(shè)置首象元坐標為(i，j)、尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加的CCD如下序列的驅(qū)動脈沖Q2→Z2→(jX2)→m[X2→(i+n)D2]→(M-j-m)X2，該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象，其中Q2清空脈沖，是一個施加在隔列轉(zhuǎn)移型CCD清空引腳上脈沖，使得CCD成像直條清空，清空后CCD的曝光直條自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；Z2為隔列轉(zhuǎn)移型CCD幀平移脈沖，Z2分別施加于CCD的成像直條引腳一個成像脈沖和存儲直條引腳上的一個存儲脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像直條內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移至存儲直條；X2是隔列轉(zhuǎn)移型CCD行平移脈沖，X2由分別施加于CCD的存儲直條引腳的一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像直條中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D1是隔列轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，D1是分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖和重置引腳上的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個；③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
實施例3-全幀型CCD本發(fā)明提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，對于全幀型CCD該方法包括下列步驟①通過命令，在M行×N列的成像區(qū)設(shè)置首象元坐標為(i，j)、尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加的CCD如下序列的驅(qū)動脈沖Q3→(jX3)→m[X3→(i+n)D3]，該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象，其中Q3是全幀型CCD清空脈沖，使得CCD成像區(qū)清空，CCD的曝光區(qū)開始曝光，曝光區(qū)產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；X3是全幀型CCD行平移脈沖，X3表示分別施加于CCD的成像區(qū)引腳的一個成像脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D3是全幀型CCD象元輸出脈沖，表示分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖和重置引腳上的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移輸出一個；③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
權(quán)利要求
1.一種提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，其特征在于該方法的實質(zhì)是根據(jù)用戶的需求，在CCD的成像區(qū)內(nèi)將感興趣的區(qū)域設(shè)為子窗口，包括該子窗口的首象元坐標(i，j)和尺寸(m行×n列)，驅(qū)動CCD工作在子窗口工作模式下只將所述的子窗口內(nèi)的象元輸出CCD，而子窗口以外的象元不移出即被湮滅于CCD芯片內(nèi)部。
2.權(quán)利要求1所述的提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，其特征在于對于幀轉(zhuǎn)移型CCD該方法包括下列步驟①用戶通過命令，在M行×N列的成像區(qū)(11)內(nèi)設(shè)置首象元坐標為(i，i)和尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加如下序列的驅(qū)動脈沖Q1→(MX1)→(jY1)→m[Y1→(i+n)D1]，該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象，其中Q1清空脈沖，為施加在CCD清空引腳上的脈沖，使得CCD成像區(qū)清空，清空后CCD的曝光區(qū)自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；X1為第一行平移脈沖X1，它是由分別施加于CCD的成像區(qū)引腳一個成像脈沖、存儲區(qū)引腳一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳上的一個串行脈沖的組合脈沖，成像脈沖與存儲脈沖相位差為180度，存儲脈沖與串行脈沖相位差為180度，使得成像區(qū)靠近存儲區(qū)的一行電荷平移至存儲區(qū)，存儲區(qū)若有殘余電荷，則靠近串行移位寄存器的一行殘余電荷平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道，平移至清空溝道內(nèi)的電荷被湮滅；Y1是第二行平移脈沖，由分別施加于CCD的存儲區(qū)引腳的一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，其作用使得存儲區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D1是幀轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，由分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳一個串行脈沖和重置引腳的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個；③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
3.權(quán)利要求1所述的提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，其特征在于對于隔列轉(zhuǎn)移型CCD該方法包括下列步驟①用戶通過命令，在M行×N列的成像直條內(nèi)設(shè)置首象元坐標為(i，i)、尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加的CCD如下序列的驅(qū)動脈沖Q2→Z2→(jX2)→m[X2→(i+n)D2]→(M-j-m)X2，該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象，其中Q2清空脈沖，是一個施加在隔列轉(zhuǎn)移型CCD清空引腳上脈沖，使得CCD成像直條清空，清空后CCD的曝光直條自動曝光，產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；Z2為隔列轉(zhuǎn)移型CCD幀平移脈沖，Z2分別施加于CCD的成像直條引腳一個成像脈沖和存儲直條引腳上的一個存儲脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像直條內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移至存儲直條；X2是隔列轉(zhuǎn)移型CCD行平移脈沖，X2由分別施加于CCD的存儲直條引腳的一個存儲脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像直條中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D1是隔列轉(zhuǎn)移型CCD象元輸出脈沖，D1是分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖和重置引腳上的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移出一個；③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
4.權(quán)利要求1所述的提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，其特征在于對于全幀型CCD該方法包括下列步驟①通過命令，在M行×N列的成像區(qū)設(shè)置首象元坐標為(i，j)、尺寸為m行×n列的子窗口；②通過CCD驅(qū)動器對所述的CCD施加的CCD如下序列的驅(qū)動脈沖Q3→(jX3)→m[X3→(i+n)D3]，該CCD將輸出一幀所述子窗口的圖象，其中Q3是全幀型CCD清空脈沖，使得CCD成像區(qū)清空，CCD的曝光區(qū)開始曝光，曝光區(qū)產(chǎn)生與景物對應(yīng)的電荷；X3是全幀型CCD行平移脈沖，X3表示分別施加于CCD的成像區(qū)引腳的一個成像脈沖和串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得成像區(qū)中一行電荷向下平移至串行移位寄存器中，串行移位寄存器中若有殘余電荷則被平移至清空溝道內(nèi)被湮滅；D3是全幀型CCD象元輸出脈沖，表示分別施加于CCD的串行移位寄存器控制引腳的一個串行脈沖和重置引腳上的一個重置脈沖的組合脈沖，此二脈沖相位差為180度，使得串行移位寄存器中的象元平移輸出一個；③循環(huán)施加上述脈沖序列，則輸出具有所述子窗口的高幀速率視頻圖象。
全文摘要
一種提高CCD圖象采集系統(tǒng)幀速率的方法，該方法的實質(zhì)是根據(jù)用戶的需求，在CCD的成像區(qū)內(nèi)將感興趣的區(qū)域設(shè)為子窗口，包括該子窗口的首象元坐標(i，j)和尺寸(m行×n列)，驅(qū)動CCD工作在子窗口工作模式下，即只將所述的子窗口內(nèi)的象元輸出CCD，而子窗口以外的象元不移出即被湮滅于CCD芯片內(nèi)部。從而縮短了每一幀圖象的處理時間，因而提高了圖象幀速率。并且“感興趣區(qū)域”的尺寸和位置坐標均可根據(jù)用戶要求自由改變，因此提高了CCD圖象采集設(shè)備的適應(yīng)性。
文檔編號H01L27/148GK1738356SQ20051002938
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者秦世博, 董作人, 葉青, 韓澤華, 方祖捷, 瞿榮輝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所