高速分幅相机图像采集的硬件设计与软件开发

夏惊涛，李斌康，郭明安，孙凤荣，杨少华，罗通顶，陈彦丽

(西北核技术研究所，陕西 西安710024)

4通道高速门控分幅相机主要用于超高速过程成像研究，可实现时间分辨为纳秒级的连续4帧图像采集，它主要由光学分幅系统、电子学快门系统和图像采集与处理系统3部分组成。光学分幅系统将被摄目标分成4路光图像信号，分别耦合到各通道的像增强器上。电子学快门系统包括同步机、延时器、像增强器和快门脉冲电路等，同步机被外来信号触发后输出多路信号，其中1路用于触发图像采集电路，另外4路经分别延迟后触发各通道的快门脉冲发生器，4个像增强器在各路快门信号的控制下依次曝光。图像采集与处理系统负责各路图像数据的采集控制，并完成图像的处理、保存与显示。

本文主要针对分幅相机的图像采集与处理功能，从硬件上基于多通道采集卡和多个CCD摄像头，设计实现采用单台计算机同时控制4通道图像采集的硬件系统，并针对高速分幅相机性能和应用特点，设计完成采集主控软件的开发。

1 4通道图像采集硬件设计

1.1 4通道图像采集系统设计

高速分幅相机4通道图像数据采集硬件单元组成设计如图1所示，主要由4个CCD摄像头、多通道图像采集卡和主控计算机组成。为确保4分幅相机系统的整体性能满足科学测量应用的要求，经认真调研分析，分别选用了MINTRON公司的MTV-1881CCD摄像头和PICOLO公司的Alert PCIe高性能多通道图像采集卡。

图1 分幅相机4通道图像采集硬件组成

1.2 CCD摄像头的工作模式与性能

表1列出了MINTRON公司MTV-1881CCD摄像头的主要特点与性能指标，有助于理解和分析该设计的多通道图像采集系统工作模式及其最终所获图像。在该应用中，采用4个MTV-1881摄像头，它们都正常工作于50场/秒的CCIR连续视频图像采集模式，拍摄各通道像增强器后面板的余辉图像。

表1 MTV-1881主要性能指标

1.3 PICOLO Alert PCIe采集卡

1.3.1 主要性能特点

图2为PICOLO Alert PCIe多通道采集卡实物，其为PCI Express接口，设置有4个BNC视频输入接口，可同时进行4路视频图像的持续采集。各路之间的配置与采集过程相互独立，对于CCIR视频制式，单路最高场频可达200场/秒。具有帧存储功能，可保证图像持续传输到计算机内存而不受PCI总线延迟的影响，在场模式下进行采集时能自动消除隔行伪影，图像质量稳定。还可对各通道的采集参数分别进行独立配置，包括图像分辨力、对比度和存储格式等。每个通道可将数据传输到计算机中的2个不同内存位置，同时实现采集和预览。

图2 PICOLO Alert PCIe多通道采集卡

1.3.2 外触发信号的接入方法

采集卡上设置了9条专用I/O线，如图3所示。可利用其中4条信号输入线分别作为4个图像采集通道的外触发信号输入接口。分幅相机的时间分辨是由前端控制快门发生器的延迟信号以及像增强器的开门时间决定的，摄像头拍摄到的各像增强器后面板余辉图像之间已经具备了时间分辨。所以采集卡各通道可以被来自前端同步机的同一路信号触发，在硬件处理上就是将4个通道各自对应的触发信号线连接到一块，再与外部的触发信号线相连。外触发输入信号为5 V或TTL逻辑电平，上升沿有效，在探测到外触发信号与启动采集之间，采集卡内部的通信与处理过程引入一定的固有延迟，时间大约为10 ms。

图3 外触发输入线及其连接方式

2 采集控制与处理软件的实现

2.1 开发平台

针对4分幅相机系统的原理组成和工作模式，需要开发专用的图像采集控制与处理软件。PICOLO Alert PCIe采集卡基于WDM驱动，提供32位Windows系统下的驱动MultiCam，支持Windows XP平台下基于DLL动态链接库的VC++编程。采集控制与处理软件采用C++语言在VisualStudio6.0开发环境下基于MFC框架编程实现，通过调用采集卡SDK软件开发包中动态链接库提供的API函数，设置并启动采集卡进行图像数据采集并传输至计算机，软件功能主要包括数据采集控制以及图像的显示和保存等。

2.2 图像采集控制

2.2.1 初始化及设置

程序的执行流程如图4所示，启动采集程序后，首先完成控制软件的初始化，包括生成并初始化软件框架及其界面。接着进行4通道采集卡的初始化，创建各采集通道，将其与采集卡的视频输入口关联，并设置各通道的图像采集参数，包括图像格式、颜色制式和触发方式等。外触发方式设置为上升沿有效，并将各通道和触发信号线关联起来。然后创建并注册回调函数，程序将等待操作指令。软件界面主要分为图像显示、状态提示和控制面板3个部分，如图5所示。

2.2.2 连续采集控制

连续采集工作模式的设置主要是为了在相机研制和组装过程中，能够方便地对系统软硬件以及镜头光圈大小和方位等进行调试。如果点击“实时显示”按钮，软件将启动内部“软触发”方式进行连续视频采集，各通道每完成1帧图像采集，都会产生相应的MultiCam信号，从而调用相应的回调函数进行图像数据处理，并将采集到的图像以适当比例缩小后在软件界面的相应位置进行实时显示。

2.2.3 外触发单次采集控制

4分幅相机的主要应用在于其外触发像增强器控制单次曝光工作模式。当系统处于等待操作指令状态，点击“外触发采集”按钮，软件将控制采集卡开启各通道，但是并不直接采集图像，而是等待外触发信号到达。每接收到1次外触发信号则进行1次采集，不仅将采集图像进行实时显示，更将图像以位图文件的形式及时保存到计算机硬盘中。采集图像保存为256级灰度BMP位图，像素分辨为768×576。在界面右侧的窗口中会及时提示软件在运行过程中的关键步骤和主要执行状态。

2.3 图像处理

2.3.1 有效图像甄选

4分幅相机在实际应用中采取外触发像增强器门控单次曝光工作模式，即接收到外触发同步信号后，每个通道在像增强器控制下曝光1次，相机捕获像增强器后面板余辉图像。由于像增强器的开门信号、采集卡的外触发信号以及相机的帧起始信号不易做到严格同步，无法保证有效帧图像紧随采集卡外触发信号之后到达，而是通常在采集卡外触发中断发生后2～3帧内出现。为此，每次接收到外触发信号后，软件先连续采集10帧图像数据缓存至计算机内存中，再通过每帧总体像素值大小对比将有效帧图像甄选出来。

2.3.2 图像奇偶场亮度校正

4分幅系统中用到的MTV-1881摄像头CCD传感器是帧转移工作方式的，奇偶场图像间隔曝光读出，每场积分读出时间为20 ms，全帧图像曝光读出时间为40 ms。而各通道像增强器门控曝光时间为纳秒级，像增强器后面板输出光余辉滞留时间小于40 ms，即小于连续奇偶两场图像的光积分和读出时间，这样导致在像增强器门控单次曝光工作模式下，相机连续奇偶2场曝光时间不同，输出的奇偶场图像之间亮度差别较大，为此显示之前要对所采集图像进行奇偶场亮度不平衡校正。处理软件先判断一帧图像的奇偶场亮度，当差别不大时，参照较亮场对另一场图像灰度进行拉伸，若其中一场过暗或饱和溢出，则直接采用亮度较好的另一场数据对其进行填充。

4 测试结果

4分幅相机整体系统(如图6所示)完成以后，多次测试表明本文所述的4通道图像采集方案设计合理，其功能设置也完全满足分幅相机的调试与应用工作模式需要。4通道图像实时显示功能为像增强器安装之前相机参数的调节提供了方便，便于甄选、保存有效帧图像，以及奇偶场图像亮度不平衡校正等都保证了相机在外触发门控单次曝光工作模式下多路图像数据的并行有效采集。并且在长时间运行情况下系统稳定正常，各通道所采集的图像质量稳定，如图7所示，确保了高速分幅相机系统的整体性能，满足其在科学测量应用中的需要。

图6 四通道高速分幅相机

图7 相机测试采集图像

［1］单宝忠，郭宝平，牛憨笨.多通道门选通纳秒分幅相机［J］.光学精密工程，2007(12):1963-1968.

［2］杨文正，侯洵，白永林，等.微通道板选通X射线皮秒分幅相机曝光时间的均匀设计［J］.光子学报，2008(3):439-443.

［3］冯勇，陈学超，郑雪梅，等.多通道CCD摄像机的数据采集和图像显示［J］.光学技术，2002(3):135-138.

［4］王琳琅，张伯珩，边川平，等.多通道、高速CCD图像数据的实时采集［J］.中国有线电视，2004(12):22-24.