圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究

圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)跟蹤運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)性以及清晰度的要求越來越高。比方說人們需要知道運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中的圖像信息，便于分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作細(xì)節(jié)，就要得到運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中清晰圖像。這些都要求有獲取飛行物體的圖像信息的工具，于是各種各樣的圖像采集系統(tǒng)誕生了[1]。提出了一種基于FPGA的圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案，可以清晰的拍攝物體在運(yùn)動(dòng)中的圖像信息，而且該系統(tǒng)可以應(yīng)用在特殊的場(chǎng)合，區(qū)別于其它同類圖像采集系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)是針對(duì)某些具體的應(yīng)用場(chǎng)合，所以大大節(jié)約了成本，不必花高成本從國(guó)外購(gòu)買可以實(shí)現(xiàn)相同功能的同類產(chǎn)品，同時(shí)也提高了該產(chǎn)品保密性。國(guó)外在圖像應(yīng)用方面的研究工作開展較早，尤其在圖像傳感技術(shù)和相機(jī)的研究和圖像獲取方面，已應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，比方說用NBA賽場(chǎng)，拍攝運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作畫面，還有資料表明，美國(guó)在動(dòng)能彈的研究中也使用攝像拍攝了彈體發(fā)射瞬間的圖像。國(guó)內(nèi)在這方面起步較晚，但是對(duì)于這種專門用于細(xì)節(jié)圖像觀測(cè)的、高分辨率圖像獲取技術(shù)國(guó)內(nèi)尚沒有深入研究。目前圖像方法還主要應(yīng)用在靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)量中[2]。2圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1圖像采集系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)2.1.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)在視頻圖像處理領(lǐng)域，作為一個(gè)平臺(tái)，可編程邏輯器件FPGA已經(jīng)非常適合于高性能低成本的視頻和圖像應(yīng)用。它可以幫助用戶靈活定制系統(tǒng)，縮短產(chǎn)品研發(fā)和更新?lián)Q代的周期，使用戶緊跟技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展潮流[3]。本系統(tǒng)的核心是FPGA，用的是Altera公司的高端產(chǎn)品，內(nèi)部主要特性有內(nèi)嵌RAM塊、DSP塊、鎖相環(huán)（PLL）和外部的存儲(chǔ)器接口等，，采用了全新的邏輯結(jié)構(gòu)-自適應(yīng)邏輯塊（ALM），增加了源同步通道的動(dòng)態(tài)相位對(duì)準(zhǔn)（DPA）電路和對(duì)新的外部存儲(chǔ)器接口的支持。還可以采用128位AES密鑰對(duì)配置文件進(jìn)行加密，保證用戶設(shè)計(jì)的安全性[4]。CMOS傳感器是用來獲取外界圖像數(shù)據(jù)，把模擬圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，由FPGA來控制其工作。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果，可以在軟件上設(shè)置CMOS傳感器的一些參數(shù)，比方說曝光時(shí)間等。DDR2SDRAM用來存儲(chǔ)采集進(jìn)來圖像數(shù)據(jù)，相對(duì)于DDR2，DDR2具有更高的頻寬、更低的功耗、更好的效能，因此，DDR2SDRAM目前正在取代DDRSDRAM，逐漸成為服務(wù)器、工作站、PC及其它專用系統(tǒng)的主流存儲(chǔ)器配置[5]。鐵電存儲(chǔ)器FRAM用來存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)，主要用來存儲(chǔ)CMOS傳感器的參數(shù)。FRAM是一種非易失性的存儲(chǔ)器，無限次快速擦寫特性使得這種產(chǎn)品十分適合于擔(dān)當(dāng)重要系統(tǒng)里的暫存記憶體。鐵電存貯器的出現(xiàn)為業(yè)界提供了一個(gè)高可靠性，而且低成本的方案[6]。顯示圖像數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)采用LVDS接口進(jìn)行輸出顯示，即低壓差分信號(hào)輸出，LVDS技術(shù)是一種低擺幅的通用輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)，滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，是一種滿足當(dāng)今高性能數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的新型技術(shù)[7]?？梢酝ㄟ^上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，配置系統(tǒng)參數(shù)等。2.1.2軟件方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的核心是FPGA，所有的工作都是圍繞FPGA展開的，輸入輸出都是對(duì)于FPGA來說的。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)讀寫軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸出軟件設(shè)計(jì)、異步串行通信軟件設(shè)計(jì)四個(gè)部分。（1）數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入的過程也就是FPGA讀取數(shù)據(jù)的過程，F(xiàn)PGA從CMOS傳感器讀取數(shù)據(jù)，還完成FPGA對(duì)CMOS傳感器的時(shí)序控制、參數(shù)控制。CMOS傳感器本省已經(jīng)把模擬的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，F(xiàn)PGA從CMOS傳感器讀取的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。CMOS傳感器的工作時(shí)序由FPGA產(chǎn)生，也就是說由FPGA控制CMOS傳感器的工作時(shí)序。另外，CMOS傳感器的工作參數(shù)也是由FPGA產(chǎn)生的，比如說曝光時(shí)間等，借助于PC機(jī)通過RS-232通訊協(xié)議根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行效果進(jìn)行在線調(diào)試。（2）數(shù)據(jù)讀寫軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從CMOS傳感器讀進(jìn)來之后，需要把這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，系統(tǒng)采用DDR2SDRAM，F(xiàn)PGA把讀進(jìn)來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DDR2SDRAM，然后再讀出來輸出，也就是說，DDR2SDRAM起到緩存的作用。另外，系統(tǒng)還要完成讀寫鐵電存儲(chǔ)器FRAM，系統(tǒng)主要利用FRAM對(duì)CMOS傳感器的參數(shù)進(jìn)行配置，即FPGA事先把參數(shù)存儲(chǔ)到FRAM中，然后根據(jù)系統(tǒng)需要，再把這項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)讀出來，配置CMOS傳感器。（3）數(shù)據(jù)輸出軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的輸出部分，也就是顯示圖像部分，顯示器的工作時(shí)序由FPGA產(chǎn)生，也就是產(chǎn)生像素頻率、行頻率、場(chǎng)頻率，根據(jù)這些時(shí)序輸出數(shù)據(jù)。而且顯示的圖像是灰度圖像。（4）異步串行通信軟件設(shè)計(jì)異步串行通信軟件設(shè)計(jì)部分，實(shí)際上是FPGA和PC機(jī)之間通過RS-232串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也就是說通過PC機(jī)可以往FPGA里傳輸數(shù)據(jù)，還可以接受FPGA傳輸過來的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)通過PC機(jī)在線調(diào)試本系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用RS-232串口通信協(xié)議的主要目的是配置CMOS傳感器。3應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)3.1數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計(jì)思想的驗(yàn)證通過QuartusII內(nèi)嵌的SignalTapII對(duì)CMOS傳感器的工作情況進(jìn)行的在線邏輯分析驗(yàn)證的結(jié)果，通過計(jì)算機(jī)可以看到FPGA和CMOS傳感器之間的關(guān)聯(lián)信號(hào)時(shí)序是否正確。其中，D_D就是FPGA從CMOS傳感器讀進(jìn)來的一百位數(shù)據(jù)，表示十個(gè)像素，CMOS傳感器把采集進(jìn)來的模擬圖像數(shù)據(jù)變成了數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。驗(yàn)證了數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計(jì)思想的正確性。3.2異步串行通信軟件設(shè)計(jì)思想驗(yàn)證把寫好的異步串行通信軟件的代碼下載到FPGA后，在上位機(jī)上打開串口調(diào)試助手，向FPGA發(fā)送“11H01H30H”三個(gè)八位數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA也返回同樣的三位數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了異步串行通信軟件設(shè)計(jì)思想的正確性。能對(duì)系統(tǒng)的曝光時(shí)間進(jìn)行在線設(shè)置。4結(jié)論研究的系統(tǒng)為圖像采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)研究該系統(tǒng)的軟件編程部分，在硬件電路搭建好的基礎(chǔ)上研究圖像采集