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高帧频CMOS相机数据采集关键技术研究

作　者: 张文芳
导　师: 侯宏录
学　校: 西安工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 高帧频 CMOS图像传感器 数据采集 现场可编程门阵列
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


高帧频相机具有直观、实时,信息量大等特点,通过对图像进行分析能够获得试验对象的运动特征信息(如位置、速度、加速度和姿态信息等),为目标跟踪、实时监控以及后续的实验分析、系统改进等提供依据,因此得到了世界各国军方以及科研等领域研究人员的广泛关注与重视。但相比较于国外发达国家,国内基本上还处于方案探索阶段,因此开展高速视频采集系统的研究将具有重要的国防价值和科研意义。本文以某型战机舱内飞行仪表和舱外炮弹发射状态的视频图像记录为应用背景,研究了高帧频图像采集的关键技术,设计了一套基于CMOS图像传感器的高帧频图像采集处理系统。提出以FPGA芯片为核心处理器的图像采集系统,并采用模块化和一体化设计思想,将颜色插值、行缓冲、流水线、数据拼接,SDRAM分区存储等多项技术应用于设计过程中,有效提高了系统的采集和传输速率。硬件电路设计采用Altera公司CycloneⅣ系列FPGA(EP4CE115)作为核心控制器件,结合Cypress公司CMOS数字图像传感器LUPA300实现了图像的采集、缓存和显示。通过对系统功能进行分析,将整个系统分为CMOS成像模块、FPGA控制模块、图像缓存模块和VGA显示模块四个部分。软件设计采用Verilog语言在QuartusⅡ编译环境下综合实现,各模块均集成在FPGA内部,模块之间独立设计,并经Modelsim仿真验证通过顶层模块实现功能互连,主要包括：时序驱动模块、图像捕获模块、图像格式转换模块、SDRAM控制器模块和VGA时序控制模块。论文详细介绍了各功能模块的工作原理与实现方法。最后对系统进行了实验测试,结果表明相机在时钟50MHz,像位深度10位,最大分辨率640×480的情况下,拍摄速度可以达到每秒215帧,基本满足高帧频实时图像采集系统的需求,为进一步研制集采集、压缩、传输与显示一体化的高帧频图像采集系统奠定了基础。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 课题背景  9
  1.2 课题目的及意义  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-12
  1.4 研究内容与章节安排  12-14
    1.4.1 主要研究内容  12
    1.4.2 章节安排  12-14
2 高帧频CMOS相机数据采集系统方案设计  14-30
  2.1 课题来源  14
  2.2 系统功能及技术指标  14
  2.3 高帧频数据采集系统组成  14-15
  2.4 高帧频数据采集系统总体方案设计  15-30
    2.4.1 图像采集方案的选择  15-19
    2.4.2 图像传感器的选择  19-24
    2.4.3 图像缓存模块的设计  24-27
    2.4.4 高帧频数据采集系统总体方案确定  27-30
3 硬件电路设计  30-49
  3.1 系统硬件结构  30
  3.2 传感器及外围电路设计  30-33
    3.2.1 CMOS芯片选择  30-32
    3.2.2 CMOS外围电路  32-33
  3.3 FPGA控制模块设计  33-41
    3.3.1 FPGA芯片介绍  33-35
    3.3.2 FPGA开发流程  35-38
    3.3.3 时钟电路  38
    3.3.4 电源电路  38-39
    3.3.5 配置电路  39-41
  3.4 图像缓存单元设计  41-44
    3.4.1 SDRAM芯片介绍  41-42
    3.4.2 SDRAM接口  42-44
  3.5 VGA接口设计  44-46
    3.5.1 VGA接口简介  44-45
    3.5.2 VGA外围电路  45-46
  3.6 PCB设计  46-49
4 系统软件设计  49-70
  4.1 时序驱动模块  49-52
    4.1.1 SPI接口简介  49-50
    4.1.2 SPI时序驱动模块和对LUPA300配置的FPGA实现  50-52
  4.2 图像捕获模块  52-56
  4.3 图像格式转换模块  56-59
  4.4 图像缓存模块  59-68
    4.4.1 FIFO模块  60-61
    4.4.2 SDRAM控制器模块  61-67
    4.4.3 图像缓存模块实现  67-68
  4.5 VGA时序控制模块  68-70
5 系统调试与实验分析  70-74
  5.1 硬件调试  70
  5.2 软件调试  70-72
  5.3 实验分析  72-74
6 结论与展望  74-77
  6.1 结论  74
  6.2 展望  74-77
参考文献  77-80
攻读硕士学位期间发表的论文  80-81
致谢  81-84
附录  84-87

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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