研究与开发ＢＯＯＢ年Ｉ口月
第己７卷第１口期
高速ＣＭＯＳ相机图像采集系统关键技术研究
杨会伟１王伟１杨会玲２刘军杰１
（１．西安工业大学光电工程学院西安７１００３２；２．长春理工大学长春１３００２２）
摘要：为满足某靶场弹丸炸点测试中拍摄帧频高、实时记录性强等要求，本文介绍了一种高帧频ＣＭＯＳ图像采集系统。选用帧频２５０帧每秒的ＬＵＰＡ－３００作为高帧频图像传感器。通过ＦＰＯＡ实现对图像传感器的参数配置与图像数据处理，并运用ＰＣＩ图像采集卡实现图像数据的存储与显示。实验结果表明该系统结构简单、成像清晰稳定，拍摄速度快，可应用于高速目标的拍摄。
关键词?ＣＭＯＳ图像传感器；高帧频；现场可编程逻辑门阵列；ＰＣＩ总线
中图分类号：ＴＮ４０９文献标识码：Ｂ
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（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｍｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００３２；
２．ＣｈａｎｇｅｈｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ１３００２２）
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒ；ｈｉｇｈｆｒａｍｅｒａｔｅ；ＦＰＧＡ；ＰＣＩｂｕｓ
０引言
随着ＣＭＯＳ图像传感器技术在近几年的飞速发展，采用ＣＭＯＳ图像传感器的视频设备已经开始应用于工业、医疗、安保、监控、航空、航天、军工等众多领域ｕ宅Ｊ。ＣＭＯＳ图像传感器在集成度，工艺复杂度，功耗，成本和开发周期等方面具有明显的优势，西方发达国家已经对基于ＣＭＯＳ的成像视频系统的开发具有了一定的经验和成功先例，而在我国，对高帧频的ＣＭＯＳ成像系统的开发还相对薄弱。在未来的工业、军事、航空航天领域中，对高性能低成本的视频系统存在着巨大的需求［ａ－ｚ］。因此。通过对基于帧频ＣＭＯＳ图像传感器图像采集系统进行研究和开发。迅速掌握核心技术，积累必要的技术储备和经验，对满足我国将来在相关领域的需求有着积极的推动意义。
本文为满足某靶场弹丸炸点测试中拍摄帧频高、实时记录性强等要求设计了一种高帧频ＣＭＯＳ图像采集系统，实现了图像的采集、显示与存储功能。
１系统结构组成
高帧频ＣＭＯＳ图像采集系统由高帧频ＣＭＯＳ成像单元、串行通信单元、高速缓存单元、数据采集单元以及系统软件组成，如图１所示。
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图１系统整体结构框图
作者简介：杨会伟（１９８２一），男，西安工业大学在读硕士研究生，主要从事高速数字图像采集与图像处理方面的研究。一２４一中国科技核心期刊
万方数据
２００Ｂ年１０月
一第己７卷第１０期
高帧频ＣＭＯＳ成像单元主要由ＣＭＯＳ图像传感器与ＦＰＧＡ控制芯片组成，ＣＭＯＳ图像传感器是系统的成像部件，它是系统的“眼睛”，能够捕获高速运动物体的图像。其电路输出为数字信号图像数据；ＦＰＧＡ控制芯片主要完成对ＣＭＯＳ图像传感器参数配置，它是系统的“指挥中心”，用以协调整个系统的工作；串行通信单元的设计主要是针对ＣＭＯＳ图像传感器功能参数的多样性来实现图像传感器的自动化参数配置；高速缓存单元主要利用ＦＰＧＡ内部提供的ＦＩＦＯＩＰ核，将高速图像经过ＦＩＦＯ的缓存处理后，通过图像采集卡采集到计算机，设计中采用两个ＦＩＦＯ的乒乓操作实现图像数据的缓存，大大提高ＣＰＵ的利用率；数据采集单元主要由数据采集卡与采集接口电路组成，它完成对高速存储单元存储的图像数据的采集与传输控制指令的工作。系统软件完成对硬件电路控制并把采集单元采集到的数据进行处理与显示，重现成像单元捕获的图像。
２高帧频ＣＭＯＳ相机成像单元
２．１ＣＭＯＳ图像传感器
本文中所采用的ＣＭＯＳ图像传感器是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司于２００５年推出的新产品Ｉ。ＵＰＡ－３００，它将模拟图像获取、数字化和数字信号处理的功能集成在单一芯片中。分辨率为６４０Ｘ４８０帧频达到２５０帧／ｓ，属于高帧频图像传感器，可以实现动态目标的跟踪拍摄；动态范围为６１ｄＢ，采用多斜率积分最高可达到９０ｄＢ；内部集成有４个独立的模数转换器（ｊ址Ｃ），采样频率为８０Ｍｓａｍｐｌｅｓ／ｓ，集成的ＡＤＣ提供１０ｂ的数字信号输出，内部有大量的寄存器和控制器，可以对传感器的工作状态进行选取，实现实时调整；采用同步快门，具有随机开窗与亚采样功能，可对片上任意感兴趣的区域进行读取，并且每帧图像可以读取不同的区域。该传感器的时钟频率可到达８０ＭＨｚ。
ＬＵＰＡ－３００供电要求比较复杂，需要提供６种电源：ⅧＤＡ（模拟电源，＋２．５Ｖ），ⅥＤ【）Ｄ（数字电源，＋２．５Ｖ），ＶＰＩＸ（像素电源，＋２．５Ｖ），ＶＲＥＳ（复位电源，
＋３．３Ｖ），ＶＭＥＭ—Ｈ（像素存储电源，＋３。３Ｖ），ＶＡＤＣ（Ｊ∞Ｃ电源，＋２．５Ｖ）。由于需要电源较多，在电路设计中考虑到元件的管脚分布情况，尽量做到电源和地到相应的管脚距离最短。同时为了保证传感器工作稳定，在位于传感器底座下方的ＴＯＰ层进行了大面积铺地。出于冗余保护的考虑，传感器的所有供电管脚都由两个并接的０．１ｐＦ和０．０１弘Ｆ。
ＬＵＰＡ－３００内部有１６个１６位寄存器，可根据应用需求进行设定，并实时做出修改。为了使传感器正常成像。
选用Ｆ＝５０ＩｎｌＸｌ的Ｖ５０１３标准镜头。外壳由铝制材料加工而成，正中心位置提供镜头接口。
２．２重ＰＧＡ控制单元设计
ＦＰＧＡ作为整个系统的控制器，是本设计的核心器
研究与开发
件，其作用贯穿于整个系统。主要功能为：（１）首先要进行自身的Ｉ／Ｏ口和有关功能控制寄存器的初始化；（２）当主机通过串口接口芯片ＭＡｘ－２３２向ＦＰＧＡ发送ＣＭＯＳ图像传感器成像参数时，ＦＰＧＡ内部的ＵＡＲＴ功能模块接收这些成像参数，并将它们保存在其内部相应的存储区域内；（３）当主机发出开始采集命令后，从主机接收到的成像参数通过ＳＰｌ总线接１：Ｉ传人ＣＭＯＳ数字图像传感器，完成ＣＭＯＳ数字图像传感器内部寄存器的初始化。同时要向ＣＭＯＳ图像传感器发出启动图像采集命令，以控制图像采集单元的工作完成图像采集功能；（４）在数据上传阶段，ＦＰＧＡ接收从ＣＭＯＳ图像传感器采集到的图像数据，传送到内部ＦＩＦＯ进行缓存处理，最后将数据传给图像采集卡采集到计算机，实现系统图像的存储与显示。本文选用Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＸＣ２Ｓ２００，片内集成有５６Ｋｂｉｔｓ的ＢｌｏｃｋＲＡＭ，４个延迟锁相环（Ｄｅｌａｙ－ｌｏｃｋｅｄＬｏｏｐ，ＤＬＬ）。ＸＣ２Ｓ２００能兼容多种Ｉ／０电压，并且具有丰富的Ｉ／０引脚。核心电压为＋２．５Ｖ，设计中采用的Ｉ／Ｏ电压为＋３．３Ｖ。
２．３时序控制与自动化参数配置
ＬＵＰＡ一３００图像传感器内部有１６个寄存器，地址从００００到１１１１，每个寄存器有１６位。其中高４位代表寄存器的地址，低１２位是寄存器的数据，每一位都有特定的含义，通过改变每一位的数值就可以改变ＬＵＰＡ一３００的功能特性。ＬＵＰＡ－３００传感器提供了专用的ＳＰＩ总线接口，设计中采用ＦＰＧＡ与图像传感器之间通过ＳＰＩ总线传输协议实现对ＬＵＰＡ－３００图像传感器内部参数的配置，ＳＰＩ总线的工作时序如图所示：每个数据有１６位，后４位（ｂｉｔ＜１５：１２＞）为地址位对应于ＣＭｏＳ图像传感器内部寄存器的地址，前１２位（ｂｉｔ＜ｌｌ：ｏ＞）为数据位，对应于系统成像单元的成像参数。
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图２ＳＰＩ总线传输数据时序
．为了方便的更改传感器内部参数，根据不同需求来改变传感器的工作状态，利用串行通信来实现。上位机通过串行通信向ＦＰＧＡ发送数据，ＦＰＧＡ接受到数据后对数据进行处理，一方面将接受到的数据反馈给计算机，检验数据的正确性；另一方面通过ＳＰＩ总线将数据传送到图像传感器内部。实现内部参数的改变。结构原理图如图３所示。
中国科技核心期刊图３串行通信结构图
一２５—
万方数据
研究与开发３图像采集单元
２００Ｂ年１口月
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为了实现对ＣＭＯＳ相机采集到的大量、高速的图像数据的高质量记录，要求数据采集系统具有数据传输效率高、传输延时低、系统集成度高、系统可维护性高等特点［６］。ＰＣＩ是一种高性能的计算机局部总线，拥有很高的传输速度（３２ｂ时为３３ＭＨｚ，其传输速率最高为１３２ＭＢ／ｓ）口］，非常适合于图形、图像、３Ｄ动画和网络等高速外围设备的需要。本文采用ＰＣＩ插卡实现图像数据的采集，采集单元主要由采集接口电路与图像采集卡组成。采集接口电路与硬件的数据总线和控制总线相连，并提供采集卡的标准数据接口；采集卡通过采集接口电路与系统的控制总线和数据总线相连。当传感器采集到的图像数据经过ＦＰＧＡ内部ＦＩＦＯ的缓冲处理后，图像数据进入到ＰＣＩ图像采集卡的ＤＭＡ数据流，通过ＤＭＡ操作将数据传输到计算机内部。最后通过图像处理软件实现图像的显示与存储。
４软件设计
上位机应用程序使用ＶＣ＋＋开发。采用ＶＣ＋＋的ＭＦＣ框架，为了方便用户操作，创建了一种基于对话框的应用程序，用户只需要控制相关的按钮及菜单即可完成图像采集的相应功能。上位机应用程序主要完成以下几个功能：（１）传输计算机指令到采集单元，对系统硬件进行控制；（２）配置数据采集卡，采集处理ＦＩＦＯ输出的数据；（３）进行简单的图像处理与分析；（４）对采集数据的硬盘存储与图像恢复显示。软件流程如图４所示。
图４软件设计流图
５实验结果及分析
将图像采集系统与图像采集卡相连，采集卡通过ＰＣＩ插槽与计算机相连，运用上位机软件控制实现对物体的拍
一２６一摄。系统在全帧模式（６４０Ｘ４８０）下，对室外路面行驶汽车进行实时跟踪拍摄，得到系统捕获图像的效果如图５所示。
图５系统实时跟踪拍摄图片
由采集到的图像可以看出，所拍摄物图像的边缘较为清晰，无明显变形，在对系统进行长时间的拷机实验时，系统未发生不正常工作现象，说明系统工作稳定性较好。
６结束语
本文设计的高帧频ＣＭＯＳ图像采集系统实现了图像的采集、存储与显示，该系统的帧频达到２５０帧／ｓ，图像分辨率为６４０Ｘ４８０。能够实现对动态目标的实时拍摄，具有容易控制、安全可靠、性能稳定等优点。本系统采用串行通信功能实现ＣＭＯＳ传感器的自动化参数配置。这样就可以在不改变硬件结构的前提下，通过上位机与ＦＰＧＡ之间的串行通信很容易的改变ＣＭＯＳ图像传感器内部的配置参数，对ＣＭＯＳ图像传感器多种功能的研究提供了便利。
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中国科技核心期刊万方数据
高速CMOS相机图像采集系统关键技术研究
作者：杨会伟， 王伟， 杨会玲， 刘军杰， Yang Huiwei， Wang Wei， Yang Huiling， Liu Junjie
作者单位：杨会伟,王伟,刘军杰,Yang Huiwei,Wang Wei,Liu Junjie(西安工业大学光电工程学院,西安,710032)， 杨会玲,Yang Huiling(长春理工大学,长春,130022)
刊名：
国外电子测量技术
英文刊名：FOREIGN ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY
年，卷(期)：2008，27(10)
被引用次数：0次
参考文献(7条)
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本文主要论述了CMOS图像传感器时序控制电路的系统设计和实现方法.针对双采样结构的图像传感器,分析了常用的并行式曝光方式和滚筒式曝光方式两种时序控制方法及其具体实现过程,并根据时序控制电路的功能仿真和在FPGA上的验证结果,对二者进行了比较,证明了这两种方法的可行性.
2.期刊论文孙宏海.李泽学.纪华.王大伟.王延杰.SUN Hong-hai.LI Ze-xue.JI Hua.WANG Da-wei.WANG Yan-jie 半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机及其成像噪声分析-光学精密工程2008,16(10)
为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,介绍了采用半导体制冷方法设计的高帧频CMOS数字摄像机成像系统,并针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷器,实现了制冷量可控.实验结果表明,图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40℃;通过降低传感器温度很大程度上减少了暗电流固定模式噪声和瞬态随机噪声;此外,在摄像机内硬件实现了彩色滤波阵列转换和列向非均匀性校正,使输出图像信噪比提高了6 dB.该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率,高帧频,高信噪比,宽动态范围,成像质量好等特点.
3.学位论文杨会伟高帧频CMOS相机图像采集系统研究2009
高帧频图像采集是研究高速瞬态现象发生机理和运动规律的一种直观地测试技术和手段。以某型号炸点坐标测量经纬仪为应用背景，设计了一种高帧频图像采集系统。
论文介绍了高帧频CMOS图像采集系统的发展现状，根据功能需求把整个采集系统设计划分为成像器设计、图像采集卡设计和软件设计三个部分。
成像器设计围绕Cypress公司CMOS图像传感器LUPA-300，设计了该图像传感器的外围电路；基于FPGA设计了CMOS传感器的时序驱动，实现了CMOS图像传感器的数字图像输出；根据CMOS传感器内部寄存器各个参数性能指标，通过FPGA与上位机串行通信完成CMOS相机自动化参数设置，实现了CMOS图像传感器工作状态的可变配置。
图像采集卡设计主要包括Camera Link接口、FPGA控制、PCI总线接口三个功能模块。Camera Link接口主要负责接收成像器传送的高速图像数据，并将其传输到FPGA内部；FPGA控制模块主要负责完成对高速图像数据的缓存处理，并为整个图像采集卡提供控制命令，协调各个功能模块问的工作；PCI总线接口采用专用的接口芯片PCI9054，通过DMA操作实现了图像数据的高速传输。
针对图像采集卡设计了驱动程序和上层应用程序，实现了图像数据的采集与显示。最后运用两点校正和一点校正相结合的方法实现图像的非均匀性校正。
该高帧频图像采集系统具有10位数据位宽，在分辨率为640×480的情况下，图像成像单元可产生最高250帧/秒数字图像数据流，图像采集卡可达到200帧/s的采集速率。实验表明该高速图像采集系统具有结构简单、性能稳定可靠、实时性强、灵活性好等优点。
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基于PCI Express总线设计了一种高帧频CMOS相机图像采集系统.选用帧频250帧/s的LUPA-300作为高帧频图像传感器,通过FPGA实现对图像传感器的参数配置与图像数据处理,采用PCI Express总线作为图像数据传输总线,大大提高了传输速度.实验结果表明该系统结构简单、成像清晰稳定、拍摄速度快,可应用于高速目标的拍摄.
6.学位论文陈敏思高性能大动态范围CMOS图像传感器时序控制电路的设计2005
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，遵循自顶向下的设计方法，在时序关系分析的基础上完成模块的划分，运用Verilog硬件描述语言分别进行各子模块的程序设计，功能仿真，综合以及综合后的门级仿真。
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CMOS图像传感器在许多领域取得了广泛的应用.选用IBIS5-A-1300作为大面阵高帧频CMOS图像传感器,通过FPGA实现对视频系统的控制并采用
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8.学位论文王飞基于IBIS5高帧频CMOS相机的应用技术研究2006
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本文研究了CMOS图像传感器的发展历史、性能特点、工作原理，并对CMOS图像传感器和CCD进行了比较。在实验系统设计中，以FillFactory公司的IBIS5-A-1300图像传感器为成像核心，通过研究其特有的双快门模式—卷帘式快门和同步式快门，以及分析其工作时序，用VHDL语言在CPLD上实现了传感器的时序设计。系统的硬件部分具体实现时，采用了前端图像传感器和后端控制的分离设计，PCB采用2层板的PCB板结构，利用稳压芯片实现对CMOS图像传感器的稳定供电，使系统具有高集成度、稳定性和灵活性的特点。
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9.期刊论文魏仲慧.曹旭耀.何昕.WEI Zhong-hui.CAO Xu-yao.HE Xin高速CMOS数字图像采集系统设计-微计算机
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/b64410568.html,/Periodical_gwdzcljs200810009.aspx
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下载时间：2010年7月21日