图像采集系统软件设计研究

图像采集系统软件设计研究引言随着科学技术的飞速发展，人们对跟踪运动物体的实时性以及清晰度的要求越来越高。比方说人们需要知道运动员在运动过程中的图像信息，便于分析运动员的动作细节，就要得到运动员在运动过程中清晰图像。这些都要求有获取飞行物体的图像信息的工具，于是各种各样的图像采集系统诞生了[1]。提出了一种基于FPGA的图像采集系统软件设计方案，可以清晰的拍摄物体在运动中的图像信息，而且该系统可以应用在特殊的场合，区别于其它同类图像采集系统。由于本系统是针对某些具体的应用场合，所以大大节约了成本，不必花高成本从国外购买可以实现相同功能的同类产品，同时也提高了该产品保密性。国外在图像应用方面的研究工作开展较早，尤其在图像传感技术和相机的研究和图像获取方面，已应用在社会生活的各个领域，比方说用NBA赛场，拍摄运动员的动作画面，还有资料表明，美国在动能弹的研究中也使用摄像拍摄了弹体发射瞬间的图像。国内在这方面起步较晚，但是对于这种专门用于细节图像观测的、高分辨率图像获取技术国内尚没有深入研究。目前图像方法还主要应用在静态试验测量中[2]。2图像采集系统软件设计2.1图像采集系统软件方案设计2.1.1系统硬件平台在视频图像处理领域，作为一个平台，可编程逻辑器件FPGA已经非常适合于高性能低成本的视频和图像应用。它可以帮助用户灵活定制系统，缩短产品研发和更新换代的周期，使用户紧跟技术和市场发展潮流[3]。本系统的核心是FPGA，用的是Altera公司的高端产品，内部主要特性有内嵌RAM块、DSP块、锁相环（PLL）和外部的存储器接口等，，采用了全新的逻辑结构-自适应逻辑块（ALM），增加了源同步通道的动态相位对准（DPA）电路和对新的外部存储器接口的支持。还可以采用128位AES密钥对配置文件进行加密，保证用户设计的安全性[4]。CMOS传感器是用来获取外界图像数据，把模拟图像数据转换成数字图像数据，由FPGA来控制其工作。根据系统运行的实际效果，可以在软件上设置CMOS传感器的一些参数，比方说曝光时间等。DDR2SDRAM用来存储采集进来图像数据，相对于DDR2，DDR2具有更高的频宽、更低的功耗、更好的效能，因此，DDR2SDRAM目前正在取代DDRSDRAM，逐渐成为服务器、工作站、PC及其它专用系统的主流存储器配置[5]。铁电存储器FRAM用来存储系统参数，主要用来存储CMOS传感器的参数。FRAM是一种非易失性的存储器，无限次快速擦写特性使得这种产品十分适合于担当重要系统里的暂存记忆体。铁电存贮器的出现为业界提供了一个高可靠性，而且低成本的方案[6]。显示图像数据时，系统采用LVDS接口进行输出显示，即低压差分信号输出，LVDS技术是一种低摆幅的通用输入输出标准，满足了数据传输的要求，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术[7]。可以通过上位机对系统进行在线调试，配置系统参数等。2.1.2软件方案设计本系统的核心是FPGA，所有的工作都是围绕FPGA展开的，输入输出都是对于FPGA来说的。系统主要包括数据输入软件设计、数据读写软件设计、数据输出软件设计、异步串行通信软件设计四个部分。（1）数据输入软件设计数据输入的过程也就是FPGA读取数据的过程，FPGA从CMOS传感器读取数据，还完成FPGA对CMOS传感器的时序控制、参数控制。CMOS传感器本省已经把模拟的图像数据转换成了数字数据，FPGA从CMOS传感器读取的是数字数据。CMOS传感器的工作时序由FPGA产生，也就是说由FPGA控制CMOS传感器的工作时序。另外，CMOS传感器的工作参数也是由FPGA产生的，比如说曝光时间等，借助于PC机通过RS-232通讯协议根据实际的运行效果进行在线调试。（2）数据读写软件设计数据从CMOS传感器读进来之后，需要把这些数据存储起来，系统采用DDR2SDRAM，FPGA把读进来的数据存储到DDR2SDRAM，然后再读出来输出，也就是说，DDR2SDRAM起到缓存的作用。另外，系统还要完成读写铁电存储器FRAM，系统主要利用FRAM对CMOS传感器的参数进行配置，即FPGA事先把参数存储到FRAM中，然后根据系统需要，再把这项参数数据读出来，配置CMOS传感器。（3）数据输出软件设计数据的输出部分，也就是显示图像部分，显示器的工作时序由FPGA产生，也就是产生像素频率、行频率、场频率，根据这些时序输出数据。而且显示的图像是灰度图像。（4）异步串行通信软件设计异步串行通信软件设计部分，实际上是FPGA和PC机之间通过RS-232串口通信协议进行数据传输，也就是说通过PC机可以往FPGA里传输数据，还可以接受FPGA传输过来的数据，从而实现通过PC机在线调试本系统。本系统利用RS-232串口通信协议的主要目的是配置CMOS传感器。3应用与实验3.1数据输入软件设计思想的验证通过QuartusII内嵌的SignalTapII对CMOS传感器的工作情况进行的在线逻辑分析验证的结果，通过计算机可以看到FPGA和CMOS传感器之间的关联信号时序是否正确。其中，D_D就是FPGA从CMOS传感器读进来的一百位数据，表示十个像素，CMOS传感器把采集进来的模拟图像数据变成了数字图像数据。验证了数据输入软件设计思想的正确性。3.2异步串行通信软件设计思想验证把写好的异步串行通信软件的代码下载到FPGA后，在上位机上打开串口调试助手，向FPGA发送“11H01H30H”三个八位数据，FPGA也返回同样的三位数据，验证了异步串行通信软件设计思想的正确性。能对系统的曝光时间进行在线设置。4结论研究的系统为图像采集系统，负责研究该系统的软件编程部分，在硬件电路搭建好的基础上研究图像采集