一种高精度图像采集系统的设计与特点_庞长富

第1期1997年1月
光学技术
OP T ICA L T ECHNO L OG Y
N o.1
Jan.1997
一种高精度图像采集系统的设计与特点
庞长富
(北京理工大学光电工程系,北京100081)
摘要:介绍了一种新型、高精度、实时伪彩色图像采集系统的原理、构成和特点。

该系统采用10bit A/D转换器,使得高性能图像分析与处理成为可能。

系统采样频率为14.75M Hz,对于标准PA L制电视信号,可以保证采样后像素的横纵比为1∶1。

由于采用最新EPL D编程技术,使得系统体积减小,可靠性显著提高。

可输出标准P AL制黑白全电视信号、RGB分量彩色信号、Y/C分量彩色信号及复合视频信号。

该系统通过标准ISA总线与计算机接口,帧存直接映射计算机内存地址空间,存取速度快。

本系统特别适合于高精度的图像测量应用。

关键词:图像采集　数字图像处理　测量系统
The Design and Features of a New Type of High Precision
Image Acquisition System
Pang Changfu
(D epar tment o f Opto-electr onic Eng ineering,Beijing Institut e of T echnolog y,Beijing100081)
Abstract:T he principle,construction and featur es o f a new type o f high pr ecisio n,r eal time,pseu-do-color image acquisitio n system is described.T his system employ s a10bit A/D conv er ter,which makes hig h perfo r mance imag e analysis and pr ocessing to be possible.T he sam ple fr equency is up t o 14.75M Hz,w hich can pro vide square pix els w hen the video sour ce is a standar d P AL.Because the new EPL D t echnolo gy is applied,the sy st em has small size a nd hig h r eliability.T he output can be config-ur ed as black and whit e v ideo,RG B v ideo,Y/C video(S-V ideo)or a co mpo site co lor v ideo signal.T he system has an inter face t o the computer via the st andar d I SA bus.T he frame m emor y in t he sy stem is directly mapped to the computer′s memor y addr ess spa ce.Hig h speed memo ry r ead and w r ite ca n be r e-alized.Such a system is mo st suitable fo r t he applicatio ns o f high precision imag e measurement.
Keywords:imag e acquisit ion,dig it al image pro cessing,mea sur ement sy stem.
目前,基于CCD摄像机与图像板的信息采集处理系统,应用非常广泛,例如数字图像处理与分析、光电测量等[1、2]。

对于此类测量系统,除了有些文献已经指出的问题外[3],有许多应用要求测量系统是高精度、高信噪比的,但一般市售的图像板几乎都采用8bit的A/D转换精度,加之电路设计方面的考虑不周,通常最终信噪比很难超过100∶1。

这样的系统显然不能满足高精度测量的需求。

本文介绍的ISM-2型高精度图像采集与处理系统,正是为了解决以上问题而设计的。

一、系统的总体结构
本系统从原理上与一般的图像板并无明显差异,其原理框图如图1。

由摄像机输出的视频信号,一方面经同步分离,与系统锁相后产生高频同步时钟,驱动控制逻辑产生正常时序;另一方面,经预处理(包括放大、箝位)后,送10bit A/D转换器进行数字化,继而将数据存入存储体。

存储体内的数据又可实时读出,经RAM DAC进行伪彩色变换,并经彩色编码,可输出多种形式的视频信号送监视器显示。

系统与计算机的通讯是通过标准ISA总线实现的。

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电　视
摄像机
→
预处理
电　路
→
10bit A/D
转换器
→存储体→
RAM DAC
与彩色编码
→监视器
↑
↑
↓
↑
同步分
离电路
→锁相环　
←→控制逻辑与接口电路
↑
↓
计算机
系　统
←→标准ISA总线
图1　系统原理框图
二、系统详述
1.预处理及A/D转换电路
预处理及A/D转换电路是图像板中最重要的环节,它的精度决定了系统的总体性能。

为了保证较高的测量精度,本系统采用Analog Devices公司出品的AD733,其采样频率可达18M Hz,分辨率为10bit,±5V电源供电,工作时只需提供采样时钟和2.5V基准电压源即可,使用方便,并且具有较高的信噪比。

为了配合A D773的输入电压范围,系统中使用了AD811高性能视频放大器,进行视频箝位、放大以及直流偏移,保证了输入信号带宽和信噪比,提高了图像的清晰度和分辨率。

本系统的采样频率为14.75MH z(此采样频率可保证采样后像素的横纵比为1∶1),由Nyquist采样定理可知,其有效带宽为7.375M Hz,为了限制带宽、降低噪声水平,系统中还加入了三阶but ter wo rth型(最平坦型)模拟低通滤波器[4]。

实验证明,这样的处理既能保证图像分辨率,又能有效地抑制噪声。

2.控制逻辑与接口电路
控制逻辑与接口电路是图像板中最复杂的部分,其主要功能应包括计算机总线接口、图像板工作状态控制、视频时序生成、存储器管理及A/D,D/A时序控制等。

以往图像板的控制逻辑与接口电路,大多采用中规模TT L器件和可编程GAL器件,必然带来许多缺点,诸如体积大,功耗高,可靠性差等。

功能也不够灵活。

本系统设计中采用了最新的大规模EPLD技术,选取了ALT ERA公司的EPM7128E。

它具有2500个可用门,128个宏单元和触发器,延时仅20ns。

经过精心设计芯片的内部逻辑,仅此一片即完成了所有的控制与管理。

不仅大大减小了体积,降低了成本,而且可靠性也显著提高。

同时,还带来了一个更大的优点,就是可以随时修改芯片的内部逻辑,完善其功能。

由于芯片的烧录采用EEPROM技术,重复编程快速简便。

具体地讲,其主要功能有:总线译码,I/O控制,等待状态产生,外触发与中断控制,存储器读写与刷新,图像板状态管理,行、场同步与消隐号产生,锁相控制与同步切换以及A/D,D/A采样时序控制等。

3.存储体
存储体是图像板存储图像的一组存储器芯片,一般较常采用的有静态存储器(SRAM)和动态存储器(DRAM)两种。

由于此类存储器只有一个I/O端口,所以只能在行、场消隐期间进行数据与计算机内存的交换,必然大大降低速度。

本系统采用双端口视频动态存储器(VRAM)TC524256,其规模为每片256K×4位,有相互独立的串行口和并行口。

设计中使用串行口完成图像的实时采集与显示,并行口与计算机总线相连,进行数据通讯。

两端口之间的协调由等待状态产生电路自动完成,用户可在任何时间(即使在图像未冻结的情况下)访问帧存。

帧存组织采用线性地址,并直接映射计算机内存地址空间(起始地址为C00000H),寻址像素方便快捷。

系统的帧存总量为1024×512×12bit,其中768×512×10bit为有效像素,其余为图形叠加位。

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4.视频输出
视频输出部分采用了Bro oktr ee公司的Bt453视频RAMDAC,它可以完成对黑白图像数据的伪彩色变换,具有图形叠加功能,并可处理同步与消隐信号。

内部的256×24bit彩色查找表和3×24bit图形叠加查找表,可通过总线接口随时修改,选择用户满意的伪彩色配置,并可以在不破坏图像数据的前提下,叠加菜单、图形和文字标注等。

输出RGB分量信号可直接驱动75 负载。

为了提高系统的灵活性,还利用AD720设计了彩色编码电路,将RGB分量信号转换成PAL制的Y/C分量与复合信号,给予用户极宽的监视器选择余地。

三、系统特点与达到的性能指标
ISM-2型高精度图像采集系统的主要特点有:
高精度,高信噪比,采用10bit A/D转换器,更适合于高精度的图像分析、处理与测量。

1∶1的像素横纵比,更适合于尺寸检测,并可简化图形算法。

独立的1024×512×2bit图形叠加位,叠加时不破坏图像数据。

灵活的输出方式,包括T TL电平的复合同步输出、黑白全电视信号输出、RGB分量输出、Y/C分量输出和复合视频输出。

具有外触发采样功能,可以抓拍瞬间变化过程。

具有场消隐中断功能,可做无闪烁图形、图像处理。

帧存直接映射计算机内存地址空间,可随时快速访问。

达到的主要性能指标如下:
帧存总量:1024×512×12bit;
图像分辨率:768×512像素;
采集速度:14.75M Hz采样频率,实时25帧/s;
同步方式:内同步和锁相同步两种方式,自动探测摄像机完成同步切换;
信噪比:优于57dB(仅图像板);
伪彩色功能:256×24bit视频查找表,可由16M种彩色中任意选取256种同屏显示,并可叠加三种彩色的图形、文字或菜单;
计算机接口:16bit标准ISA接口,支持高至22.5MHz的总线时钟。

16.7M Hz以下可无等待访问帧存,满屏读写时间小于0.15s。

参考文献
1　王庆有孙学珠.CCD应用技术.天津:天津大学出版社.
1993
2　刘贤德.CCD及其应用原理.武汉:华中理工大学出版社.
1990.285～296
3　庞长富刘榴娣.CCD摄像机用于测量中存在的问题及解决方法.光学技术.1996,(2):5～8
4　童诗白.模拟电子技术基础.北京:清华大学出版社.
1988.479～483
(上接第19页)
由图4可见,随着灵敏度的提高(即P r min 的减小),通讯距离Z呈增大趋势。

当P r min减小到一定值后,通讯距离Z随着P r min的减小急剧增加。

因此,提高接收灵敏度是加大通讯距离的一个良好途径。

四、结　论
通过上面的分析得出如下结论:
(1)天线横向半径与通讯距离基本成线性关系,但天线横向半径地增加受天线体积和重量及制造工艺等的限制,不可过大。

(2)通讯距离随发射天线辐射功率增加而呈非线性增长,当发射天线辐射功率增到一定值后,通讯距离的增长渐趋缓慢,即增加发射天线辐射功率对通讯距离的影响下降。

因此,对于一确定的卫星间光通讯系统,天线的辐射功率不必过大。

(3)当接收灵敏度高到一定值后,通讯距离随着灵敏度的提高而急剧增加。

因此,提高灵敏度是加大通讯距离的一个良好途径。

所以在卫星间光通讯系统中,提高接收系统的灵敏度非常重要。

参考文献
1　马晶　谭立英等.卫星间直接光通讯的信号发射及接收系统.哈尔滨工业大学学报.Vol.28,No.3,1996
2　R M格里亚狄等.光通讯.人民邮电出版社.北京,1982 3　邹英华等编著.激光物理学.北京大学出版社,北京, 1991,32
4　G Oppenhauser et al.T he Eu ropean S ILEX project and other advanced concepts for optical space comm unica-tion s.S PIE Proc.Vol.1522.Optical Space Comm unica-tion II,1991,2-13
5　M otokazu SHIKAT ANI et al.Optical inters atellite link experimen t betw een the earth station and ET-VI.SPIE Proc.Vol.1218.Fr ee-Space Las er C om munication T ech-nologies II,1990,2-12
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