傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理通常采用圖像采集卡,將模擬電視信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后由pc機(jī)進(jìn)行軟處理。這樣不僅不夠靈活,處理能力也受到pc機(jī)和軟件的限制。隨著cmos成像芯片工藝的改進(jìn)和數(shù)字信號處理器功能的提升,使得數(shù)據(jù)量與計(jì)算量較大的圖像硬處理成為可能。本文詳細(xì)介紹了通過兩路cmos攝像頭采集圖像,以浮點(diǎn)dsp為核心處理器,采用60萬門fpga實(shí)現(xiàn)邏輯控制的數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)所采用的芯片與器件,在保證性能的同時,兼顧低功耗,整個系統(tǒng)可以由1394線纜供電。 1 原理概述 整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后,fpga配置子板把配置文件加載到fpga中。dsp由外部 flash引導(dǎo),通過fpga先設(shè)置1394接口芯片的內(nèi)部寄存器,再通過i2c總線設(shè)置攝像頭1、2的控制寄存器。fpga提供攝像頭的工作時序和圖像序列的讀寫時序。云臺在dsp的控制下可以上下左右調(diào)整,捕捉感興趣的目標(biāo)。8片1mb的sram作為兩路攝像頭的數(shù)據(jù)存儲器,16mb的sdram則充當(dāng)dsp的外部數(shù)據(jù)緩沖。處理后的圖像既可以直接輸出至lcd進(jìn)行顯示,也可以通過1394總線傳送至pc機(jī)。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
整個系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:圖像采集模塊、圖像處理模塊和圖像傳輸模塊。 2.1 圖像采集模塊 該模塊主要由兩組cmos攝像頭和云臺組成。該模塊的接口信號見圖2。 攝像頭采用韓國現(xiàn)代的hv7131r和五層玻璃透鏡。hv7131r采用0.3μm的cmos工藝,有效像素30萬,功耗低于90mw,具有曝光控制、增益控制和白平衡處理等功能,最大幀率30fps@vga。通過標(biāo)準(zhǔn)的i2c接口設(shè)置hv7131r的內(nèi)部寄存器,可以調(diào)節(jié)圖像的曝光時間、分辨率、幀率、rgb增益、鏡像等。hv7131r輸出10位的rgb原始數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用了其中的高8位。多層玻璃透鏡可以濾除波長大于630nm的紅外線,并采用超焦距對焦方式,最小成像距離為3cm。
　　
攝像頭借助云臺跟蹤運(yùn)動目標(biāo),水平旋轉(zhuǎn)范圍為-180°～180°;垂直旋轉(zhuǎn)范圍為-45°～45°。
　　
考慮到運(yùn)動圖像處理至少需要3幀的序列圖像,每組攝像頭配備了4片ram。3片做數(shù)據(jù)采集緩沖,1片存儲dsp處理后的結(jié)果。 2.2 圖像處理模塊
　　
該模塊由dsp、fpga和數(shù)據(jù)緩存器組成。 2.2.1 主要器件的選型
　　
dsp主要完成的功能有:
　　
(1)加電自舉,初始化1394接口芯片;
　　
(2)通過i2c接口設(shè)置攝像頭的寄存器; (3)對圖像進(jìn)行預(yù)處理,提高成像質(zhì)量; (4)控制云臺的轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤。 fpga在本系統(tǒng)中的作用有: (1)提供圖像采集、存儲與傳輸?shù)墓ぷ鲿r序; (2)協(xié)同dsp實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的組合邏輯控制電路; (3)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的vga接口,外接lcd顯示器。 基于以上要求,本系統(tǒng)采用ti公司的32位浮點(diǎn)dsp tms320c6711b。6711b采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu),主頻為150mhz,內(nèi)部集成硬件乘法器和累加器,采用流水線velocititm甚長指令字(vliw)指令,具有豐富的片上外設(shè),并有專門針對數(shù)字信號處理的指令系統(tǒng),運(yùn)算能力可達(dá)1200mflops,適用于計(jì)算量大、實(shí)時性高的數(shù)字圖像處理領(lǐng)域。fpga 則采用altera公司apex系列的ep20k600ebc652。ep20k600ebc652具有高速度(622mhz的數(shù)據(jù)速率)、高密度(有效邏輯60萬門)、低噪聲和低功耗的特點(diǎn)。有4個pll、480個低電壓差分信號(lvds)的i/o口,工作電壓為2.5v和1.8v。 2.2.2 圖像的預(yù)處理
　　
運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤、目標(biāo)的識別與提取等基于圖像內(nèi)容的處理,對圖像質(zhì)量要求較高。影響成像質(zhì)量的兩個重要因素為曝光和白平衡:人眼對外部環(huán)境的明暗變化非常敏感,在強(qiáng)光環(huán)境下,瞳孔縮小,使得景物不那么刺眼;而光線較弱時,瞳孔擴(kuò)大,使景物盡可能地變清楚。這在成像中,稱為曝光。當(dāng)外界光線較弱時,cmos成像芯片工作電流較小,所成圖像偏暗,這時要適當(dāng)增加曝光時間進(jìn)行背光補(bǔ)償;光線充足或較強(qiáng)時,要適當(dāng)減少曝光時間,防止曝光過度,圖像發(fā)白。改善成像質(zhì)量,僅靠調(diào)節(jié)曝光時間是不夠的。因?yàn)槲矬w顏色會隨照射光線的顏色發(fā)生改變,在不同的光線場合圖像有不同的色溫。這就是白平衡問題。傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)或攝像機(jī)通過給鏡頭加濾鏡消除圖像的偏色現(xiàn)象。對于cmos成像芯片,可以通過調(diào)整rgb三基色的電子增益解決白平衡問題。 本系統(tǒng)的自動曝光控制和白平衡處理實(shí)現(xiàn)方法如下: 采集一幀rgb原始圖像,在6711b中先計(jì)算出整幅圖像亮度的均值m(y);然后對圖像做直方