本文将概括介绍高速CMOS图像传感器应用于交通监控系统设计的考虑。由于交通监控系统通常需要获取清晰的动态实时影像作数据分析，所以对用于摄像头的图像传感器有特定的需求。本文以赛普拉斯半导体公司所设计和生产的高速图像传感器为例子，描述如何使用于不同种类的交通监控系统上。

引言

我国的高速公路发展迅速，在2007年底高速公路长达45,000公里，并会在每年以超过10%的速度增长。如何有效率地管理都市的交通问题已成为城市发展的主要障碍。基于这个原因，国家投入开发，运用智慧型交通监控系统(ITS)改善交通情況。

在整个智慧型交通监控系统上，如何能够把道路上交通情况转变为系统可应用的数据非常重要。图像传感器是最为常用的元件，原因在于它的通用性，也因为它的特性和人类的视觉系统相类似，所以在构想系统的设计上会比较容易；此外也适合用于道路情况的记录。

由于交通监控系统的种类很多，在不同的应用下对图像传感器的需求也不完全相同。一般的交通监控系统应用包括：

? 超速车辆的捕获

? 车牌识别(用于收费路段或限制行驶/专属路段的监控)

? 交通拥堵状况监测和车辆流量控制

? 闯红灯，违章并线和走进专用车道等的违例监管

? 穿越铁轨的管理

? 收费路段和桥梁

根据所需要的拍摄范围，譬如用于车辆超速捕获及车牌识别，成像系统要求：

? 每一帧都有好的图像质量

? 没有模糊 (blur)

? 无畸变（tilting）

? 好的对比度

? 好的动态范围

? 逐行扫描

? 分辨率必须足以识别车辆及其牌照上的字符

? 单色图像通常具有较高对比度，而彩色图像一般只是备选方案

? 帧率要足够拍摄快速移动的车辆

? 很高的低照度响应和灵敏度

? 耐极端气象条件的操控

? 镜头视场（FOV）：依分辨率而不同， 一般建议在30°角的范围内避免反光影响

? 对于车辆及牌照识别，不建议使用非图像无损压缩

另外，用于交通拥堵状况监测的摄像头通常安放在离地面较高的位置，所需要的拍摄范围比较广阔，所以成像系统和上述的要求不大相同。这类的成像系统需要：

? 一般倾向于使用彩色图像用于分別每台车辆在路上使用的情形

? 分辨率应足以看清路面状况

? 因而，需要更高的 FOV角度以观测整个路段

? 由于拍摄距离比较远，相对的车辆移动速度不会很高。帧频不是主要的考虑因素

? 很大的动态范围足够拍摄极暗和极亮的影像

? 耐极端天气条件的操控

? 极高可靠性以及平均无故障时间 (Mean Time Failure)

为何选择赛普拉斯CMOS高速图像传感器

赛普拉斯在开发高速成像技术方面拥有多年的经验，并是大多数极高速摄像头厂商所青睐的供应商。赛普拉斯推出的通用CMOS互补金属氧化物半导体高速图像传感器得益于定制设计领域所积累的技术，作为完整的通用图像处理器，满足几乎所有高速应用的需求。赛普拉斯 的超高帧频图像传感器，包括LUPA300 (30万像素， 250帧/秒)、 LUPA1300-2(130万像素，500帧/秒) 和 LUPA4000 (400万像素， 15帧/秒)已经应用于交通监控系统的设计上。

例如把摄像头安放在离开高速公路约五米高的龙门架上(如图1)，照相机的安装跟车辆成一40 ° 的角度，拍摄距离 L = 3 米，用来拍摄一台170公里/小时的超速车辆，我们可以约略计算出不同的图像传感器所拍摄得到的帧数。从计算的数据看，如果使用15帧/秒的图像传感器，并不能拍摄出一张全幅的图像。当帧率增加以后，在25至30帧就只能得出一帧图像。但仅有一张图像并不能保证图像的可使用性，例如拍摄时的开始时间刚好车辆已经通过40 ° 的拍摄范围，这样所拍出来的照片只有车辆的后半部分被拍摄下来。另外在某些角度下可能刚被太阳光反射导致单一成像不能使用。

图1 使用LUA300或LUP1300-2在高速公路上的设计案例（略）

假如使用赛普拉斯的LUPA300 或 LUPA1300-2就能得到15及31帧的图像。这样可保证足够的影像进行交通监控分析。

赛普拉斯另外还有LUPA4000可使用在离地面较高的交通拥堵状况监测摄像头上。这类摄像头需要比较大的分辨率以察看大面积的影像，此外还能通过数字变焦功能看清足够的细节。LUPA4000 在 2048x2048 像素下虽然只有15帧/秒的帧频， 但可通过设置 ROI(只选取所需的图像区域) 和二次抽样来提高所需观测区域的帧率。这特别适合应用在ITS 探测以自动变焦到感兴趣的目标上。

赛普拉斯推出的LUPA高速图像传感器使用所谓的6晶体管像素。这种图像传感器有一点非常重要，就是其管线化全局快门特性。就全局快门而言，所有像素都同时启动和终止光集成，这对避免拍摄高速运动所产生的影像模糊和图像畸变有决定性影响。全局快门技术使图像传感器能固定高速运动场景，这样拍摄出来的车辆影像每一行列都保持一致性，也为像车牌识别的电脑分析等应用增加了准确性。另外管线特性确保像素阵列读取期间就能进行下一帧像素中的光集成工作，这样才能确保帧速率不受集成时间的影响，从而增加高速图像传感器的有效帧率。

为了实现高敏感度，采集光电荷并将其转换为电压的光电二极管应设计得尽可能小型化，以减少光电二极管的寄生电容。此外，像素填充因数（像素开放区域与光敏区域之比）应尽可能大。我们可采用 N-well 像素专利技术，再配合光电二极管周边的 P-well 开口，就能实现光电二极管小型化和较大的填充因数。除了高敏感度之外，我们还应使像素存储电容，与光实现良好的屏蔽，并且减少光泄漏确保它不会造成任何噪声。该像素架构在像素读数期间的信号存储方面实现了良好的性能。

图2 在离地面较高的交通拥堵状况临监测摄像头上LUPA4000的使用状况（略）

许多交通拍摄场景都在逆光条件下发生，这就要求传感器拥有较高的动态范围。如果使用线性传感器，其动态范围恰好与信噪比（SNR）相应但却限制了最暗和最亮的影像显现，而 赛普拉斯 LUPA CMOS图像传感器的多斜率操作能够使动态范围得到大幅增加，同时信噪比则保持不变，光强度和输出电压之间的分段线性关系能够清楚地显示出这一结果。整个转换过程带上了明显的非线性特点。这样，场景的暗处就能够通过模数转换器可观的转换范围得到扩展：转换特性曲线在此处最陡，以确保高感光度与高对比度。在特性曲线上部水准以外的部分，亮部场景的部分过度曝光维度也可得到充分捕捉。这样，我们就有可能得到动态范围高达100dB、模数转换范围为10位的场景图像。

图3 全局快门和非全局快门动态影像的影响（略）

图4 图像传感器的线性和多斜率操作对影像的动态范围影响（略）

相对于CCD电荷耦合器件图像传感器需要外接模数转换器、时序发生器、图像处理和其他输出级芯片，赛普拉斯的LUPA高速图像传感器能够把以上外接芯片集成在图像传感器里面。这些特性有助于简化定制高速摄像头的设计工作，从而减少开发的成本和时间。图5显示了LUPA1300-2高速图像传感器的典型架构。这些图像传感器通常只有一个时钟输入、为数不多的电 源和一些同步引脚。图像传感器读取和曝光的所有其他信号都在片上生成。

图5 带有片上集成功能的LUPA1300-2图像传感器方框图（略）

赛普拉斯LUPA系列图像传感器都是工业级别的产品，具极端气候条件下的可靠性和一贯优异的质量。此外LUPA图像传感器还有可拍摄彩色(除LUPA4000外)或单色图像的型号可供选择。LUPA系列图像传感除了能使用于高速交通监控系统外，也可以应用于机器视觉和产品线上检查、体育运动分析(如赛跑或高尔夫挥杆动作的分析)和科学项目研究等。