传统的数字图像处理通常采用图像采集卡,将模拟电视信号转换成数字信号,然后由PC机进行软处理。这样不仅不够灵活,处理能力也受到PC机和软件的限制。随着CMOS成像芯片工艺的改进和数字信号处理器功能的提升,使得数据量与计算量较大的图像硬处理成为可能。本文详细介绍了通过两路CMOS摄像头采集图像,以浮点DSP为核心处理器,采用60万门FPGA实现逻辑控制的数字图像采集处理系统的设计原理和实现方法。本系统所采用的芯片与器件,在保证性能的同时,兼顾低功耗,整个系统可以由1394线缆供电。
1 原理概述
整个系统的原理框图如图1所示。系统上电后,FPGA配置子板把配置文件加载到FPGA中。DSP由外部 FLASH引导,通过FPGA先设置1394接口芯片的内部寄存器,再通过I2C总线设置摄像头1、2的控制寄存器。FPGA提供摄像头的工作时序和图像序列的读写时序。云台在DSP的控制下可以上下左右调整,捕捉感兴趣的目标。8片1MB的SRAM作为两路摄像头的数据存储器,16MB的SDRAM则充当DSP的外部数据缓冲。处理后的图像既可以直接输出至LCD进行显示,也可以通过1394总线传送至PC机。
图1 数字图像采集处理系统原理框图
2系统设计
整个系统由三部分构成:图像采集模块、图像处理模块和图像传输模块。
2.1 图像采集模块
该模块主要由两组CMOS摄像头和云台组成。该模块的接口信号见图2。
图2 图像采集模块连接图
摄像头采用韩国现代的HV7131R和五层玻璃透镜。HV7131R采用0.3μm的CMOS工艺,有效像素30万,功耗低于90mW,具有曝光控制、增益控制和白平衡处理等功能,最大帧率30fps@VGA。通过标准的I2C接口设置HV7131R的内部寄存器,可以调节图像的曝光时间、分辨率、帧率、RGB增益、镜像等。
HV7131R输出10位的RGB原始数据,本系统采用了其中的高8位。多层玻璃透镜可以滤除波长大于630nm的红外线,并采用超焦距对焦方式,最小成像距离为3cm。
摄像头借助云台跟踪运动目标,水平旋转范围为-180°～180°;垂直旋转范围为-45°～45°。
考虑到运动图像处理至少需要3帧的序列图像,每组摄像头配备了4片RAM。3片做数据采集缓冲,1片存储DSP处理后的结果。
2.2 图像处理模块
该模块由DSP、FPGA和数据缓存器组成。
2.2.1 主要器件的选型
DSP主要完成的功能有:
(1)加电自举,初始化1394接口芯片;
(2)通过I2C接口设置摄像头的寄存器;
(3)对图像进行预处理,提高成像质量;
(4)控制云台的转动,实现运动目标的跟踪。
FPGA在本系统中的作用有:
(1)提供图像采集、存储与传输的工作时序;
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