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[導(dǎo)讀]該研究立足于傳統(tǒng)雙筒望遠(yuǎn)鏡,應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)碼成像技術(shù),創(chuàng)造性地解決了通過結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確同步傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)對同一物體的觀察和拍攝問題,使望遠(yuǎn)鏡真正成為數(shù)碼相機(jī)的取景器,實(shí)現(xiàn)了真正的所拍即所望。設(shè)計(jì)的專用攝遠(yuǎn)鏡頭,消除了望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像畸變,增加了成像圖片的景深效果。望遠(yuǎn)系統(tǒng)和攝遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)焦,保證了望遠(yuǎn)鏡像面和數(shù)碼照相攝錄系統(tǒng)感光芯片上成像清晰度改變的一致性,遠(yuǎn)處景物的成像在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的比例和在照片中的比例相同。目前,該研究已經(jīng)在某些電子望遠(yuǎn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

近年來,隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn),數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和運(yùn)用,DSP芯片的功能越來越強(qiáng)大,數(shù)字信號(hào)處理已成為信號(hào)處理技術(shù)的主流。結(jié)合光學(xué)儀器向光、機(jī)、電、算一體化和智能化現(xiàn)代光學(xué)儀器發(fā)展的趨勢,設(shè)計(jì)了一款基于高性能DSP芯片的同步可調(diào)式雙筒望遠(yuǎn)數(shù)碼相機(jī)。

1 設(shè)計(jì)的基本思路與基本原理

分立采光,按照望遠(yuǎn)物鏡與數(shù)碼照相鏡頭的入瞳直徑相匹配的原則,設(shè)計(jì)計(jì)算出數(shù)碼鏡頭與望遠(yuǎn)鏡對3 m~無窮遠(yuǎn)目標(biāo)望遠(yuǎn)數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼照相系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng)相對獨(dú)立,進(jìn)行成像的離焦對應(yīng)曲線,采用中調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和數(shù)碼鏡頭實(shí)現(xiàn)同步調(diào)焦,使遠(yuǎn)方同一景物目標(biāo)通過望遠(yuǎn)物鏡和數(shù)碼鏡頭的成像同時(shí)同步清晰,使望遠(yuǎn)鏡真正成為數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)取景器,再通過數(shù)碼鏡頭像面位置處的CMOS影像傳感器實(shí)現(xiàn)觀察目標(biāo)圖像信息的獲取、存儲(chǔ)、壓縮以及數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換、顯示和傳輸過程。

2 數(shù)碼成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

根據(jù)要求,采用了基于高性能DSP芯片的數(shù)字圖像信號(hào)處理技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)圖像信息的獲取、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和數(shù)字圖像的傳輸與顯示。選擇美國德州儀器公司(TI)的高性能多媒體處理芯片TMS320DM642作為主處理器; SDRAM選用Micron公司T48LC4M32B-6;視頻采集芯片則是Micron的300萬像素的CMOS圖像傳感器MT9T001;采用高效、穩(wěn)定、可靠的嵌入式計(jì)算平臺(tái),數(shù)碼照像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

由于CMOS APS圖像傳感器在價(jià)格、性能和功耗等各方面都優(yōu)于CCD圖像傳感器,而且集成了很多圖像處理功能,因此在本系統(tǒng)的視頻采集模塊設(shè)計(jì)中,選用了Micron公司生產(chǎn)的CMOS APS圖像傳感器芯片MT9T001。

MT9T001是一款OxGA格式(有效像素為2 048×1 536)的CMOS數(shù)字圖像傳感器。芯片上集成了模擬及數(shù)字自動(dòng)增益調(diào)整、電平偏置調(diào)整,以及視窗大小切換、行列調(diào)整和閃光模式等功能,這些功能都可通過 I2C總線接口進(jìn)行編程控制。該傳感器可以工作在默認(rèn)模式或者通過寄存器編程設(shè)置的用戶模式。默認(rèn)模式將以12幀/s的速度輸出QxGA格式圖像。芯片上的APC轉(zhuǎn)換器為每個(gè)像素提供10 b的數(shù)據(jù)流,并伴隨有行、場同步信號(hào)輸出。

DM642和cMOS圖像傳感器的連接如圖2所示。為了接收視頻數(shù)據(jù),DM642的視頻端口必須配置成原始數(shù)據(jù)采集模式。在這種模式下,DM642對接收到的數(shù)據(jù)不做任何選擇或插值處理。這種操作模式適合接收CMOS圖像傳感器等特殊格式的數(shù)據(jù)。由于是傳輸原始數(shù)據(jù),DM642和MT9T001之間的連線也相對簡單,不需要行、場同步信號(hào)。當(dāng)CAPENA信號(hào)被使能后,VPID數(shù)據(jù)總線將開始接收數(shù)據(jù);采集速率由CMOS傳感器的PIXCLK時(shí)鐘決定。 DM642通過I2C總線CSCL和SDA控制CMOS圖像傳感器的工作模式。

3 樣機(jī)試驗(yàn)與檢測

對試制樣機(jī)進(jìn)行性能檢測、數(shù)碼鏡頭鑒別率檢測,對3 m遠(yuǎn)的相機(jī)分辨率標(biāo)板(ISO Resolution Chart for Electronic Still Cameras)進(jìn)行拍照后,讀取分辨率數(shù)值。實(shí)驗(yàn)測得產(chǎn)品垂直分辨率達(dá)到8組,水平分辨率達(dá)到9組,分辨率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用400萬像素佳能相機(jī)與樣機(jī)對同一地點(diǎn)、同一時(shí)問對同一景物(箭頭所指為拍攝目標(biāo))的進(jìn)行拍攝,結(jié)果如圖3、圖4所示。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼望遠(yuǎn)功能。

4 結(jié) 語

該研究立足于傳統(tǒng)雙筒望遠(yuǎn)鏡,應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)碼成像技術(shù),創(chuàng)造性地解決了通過結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確同步傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)對同一物體的觀察和拍攝問題,使望遠(yuǎn)鏡真正成為數(shù)碼相機(jī)的取景器,實(shí)現(xiàn)了真正的所拍即所望。設(shè)計(jì)的專用攝遠(yuǎn)鏡頭,消除了望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像畸變,增加了成像圖片的景深效果。望遠(yuǎn)系統(tǒng)和攝遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)焦,保證了望遠(yuǎn)鏡像面和數(shù)碼照相攝錄系統(tǒng)感光芯片上成像清晰度改變的一致性,遠(yuǎn)處景物的成像在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的比例和在照片中的比例相同。目前,該研究已經(jīng)在某些電子望遠(yuǎn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

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