高速分幅相機圖像采集的硬件設計與軟件開發

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，可實現時間分辨為納秒級的連續4幀圖像采集，它主要由光學分幅系統、電子學快門系統和圖像采集與處理系統3部分組成。光學分幅系統將被攝目標分成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后輸出多路信號，其中1路用于觸發圖像采集電路，另外4路經分別延遲后觸發各通道的快門脈沖發生器，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負責各路圖像數據的采集控制，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，設計實現采用單臺計算機同時控制4通道圖像采集的硬件系統，并針對高速分幅相機性能和應用特點，設計完成采集主控軟件的開發。

1 4通道圖像采集硬件設計

1.1 4通道圖像采集系統設計

高速分幅相機4通道圖像數據采集硬件單元組成設計如圖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分幅相機系統的整體性能滿足科學測量應用的要求，經認真調研分析，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計的多通道圖像采集系統工作模式及其最終所獲圖像。在該應用中，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，可保證圖像持續傳輸到計算機內存而不受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，圖像質量穩定。還可對各通道的采集參數分別進行獨立配置，包括圖像分辨力、對比度和存儲格式等。每個通道可將數據傳輸到計算機中的2個不同內存位置，同時實現采集和預覽。

圖2 PICOLO Alert PCIe多通道采集卡

1.3.2 外觸發信號的接入方法

采集卡上設置了9條專用I/O線，如圖3所示。可利用其中4條信號輸入線分別作為4個圖像采集通道的外觸發信號輸入接口。分幅相機的時間分辨是由前端控制快門發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，在硬件處理上就是將4個通道各自對應的觸發信號線連接到一塊，再與外部的觸發信號線相連。外觸發輸入信號為5 V或TTL邏輯電平，上升沿有效，在探測到外觸發信號與啟動采集之間，采集卡內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 外觸發輸入線及其連接方式

2 采集控制與處理軟件的實現

2.1 開發平臺

針對4分幅相機系統的原理組成和工作模式，需要開發專用的圖像采集控制與處理軟件。PICOLO Alert PCIe采集卡基于WDM驅動，提供32位Windows系統下的驅動MultiCam，支持Windows XP平臺下基于DLL動態鏈接庫的VC++編程。采集控制與處理軟件采用C++語言在VisualStudio6.0開發環境下基于MFC框架編程實現，通過調用采集卡SDK軟件開發包中動態鏈接庫提供的API函數，設置并啟動采集卡進行圖像數據采集并傳輸至計算機，軟件功能主要包括數據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 初始化及設置

程序的執行流程如圖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，創建各采集通道，將其與采集卡的視頻輸入口關聯，并設置各通道的圖像采集參數，包括圖像格式、顏色制式和觸發方式等。外觸發方式設置為上升沿有效，并將各通道和觸發信號線關聯起來。然后創建并注冊回調函數，程序將等待操作指令。軟件界面主要分為圖像顯示、狀態提示和控制面板3個部分，如圖5所示。

2.2.2 連續采集控制

連續采集工作模式的設置主要是為了在相機研制和組裝過程中，能夠方便地對系統軟硬件以及鏡頭光圈大小和方位等進行調試。如果點擊“實時顯示”按鈕，軟件將啟動內部“軟觸發”方式進行連續視頻采集，各通道每完成1幀圖像采集，都會產生相應的MultiCam信號，從而調用相應的回調函數進行圖像數據處理，并將采集到的圖像以適當比例縮小后在軟件界面的相應位置進行實時顯示。

2.2.3 外觸發單次采集控制

4分幅相機的主要應用在于其外觸發像增強器控制單次曝光工作模式。當系統處于等待操作指令狀態，點擊“外觸發采集”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，而是等待外觸發信號到達。每接收到1次外觸發信號則進行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。在界面右側的窗口中會及時提示軟件在運行過程中的關鍵步驟和主要執行狀態。

2.3 圖像處理

2.3.1 有效圖像甄選

4分幅相機在實際應用中采取外觸發像增強器門控單次曝光工作模式，即接收到外觸發同步信號后，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信號之后到達，而是通常在采集卡外觸發中斷發生后2～3幀內出現。為此，每次接收到外觸發信號后，軟件先連續采集10幀圖像數據緩存至計算機內存中，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分幅系統中用到的MTV-1881攝像頭CCD傳感器是幀轉移工作方式的，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，即小于連續奇偶兩場圖像的光積分和讀出時間，這樣導致在像增強器門控單次曝光工作模式下，相機連續奇偶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據對其進行填充。

4 測試結果

4分幅相機整體系統(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計合理，其功能設置也完全滿足分幅相機的調試與應用工作模式需要。4通道圖像實時顯示功能為像增強器安裝之前相機參數的調節提供了方便，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門控單次曝光工作模式下多路圖像數據的并行有效采集。并且在長時間運行情況下系統穩定正常，各通道所采集的圖像質量穩定，如圖7所示，確保了高速分幅相機系統的整體性能，滿足其在科學測量應用中的需要。

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攝像機的數據采集和圖像顯示［J］.光學技術，2002(3):135-138.

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