可见光成像系统设计

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CPLD器件选择
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选用Altera公司的 EPM1270T144C5。 具有1270个逻辑单元，等效宏单元980个， TQFP封装共144个引脚，可用I/O口116个。 引脚间的逻辑传输延时为6.2ns， 具有内置 JTAG BST(边界扫描测试)电路，可以通 过JTAG口在线编程。
CCD驱动电路
驱动电路的作用就是改变信号幅值和增加信号功率 CPLD 产生的时序信号不能直接输给 CCD 芯片，主 要有两个原因： ß CCD 的不同驱动信号在不同时刻的电平不一样，如 垂直时序信号 V Φ 1 、 V Φ 2A 、 V Φ 2B 、 V Φ 3 、 V Φ 4 和复位信号 Φ RG 的高电平为 15V ，低电平为 -7V ， 中间电平为0V。而CPLD的输出信号为TTL电平，因 此就要对信号进行电压转换。 ß CCD 各移位寄存器等效于容性负载，而且阻抗不尽 相同，因此要求的驱动电流也不相同，所以在进行 电压转换的同时还要提供一定的电流驱动能力。
驱动电路芯片选择
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垂直信号驱动： 采用专用的驱动芯片CXD3400N 水平信号驱动： 专用CCD时钟驱动芯片ELC7155作为水平寄 存器读出信号HΦ1、 HΦ2和复位信号ΦRG的 驱动器件。ELC7155不仅可以提高功率，还 可以进行电平的转换。
A/D转换电路
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主要是对CCD输出的模拟信号进行A/D转换输 出数字信号。对于CCD像素模拟信号的处理， 采用的方法主要有模拟信号前端放大、暗电平 钳位、相关双采样和A/D转换。
3线串行数字接口
3V单电源供电 低功耗：140mW @ 3 V
USB2.0芯片
采用CY7C68013，内置USB2.0协议； 方便地实现USB传输。
实物图
技术指标：


最低照度：0.01Lux 有效像素：1360×1280 帧率： 12.5Hz A/D精度： 12bit 曝光时间可调 USB2.0
图像信号采集部分的输出方式有两种：
标准接口 并行数字 视频信号
640×480 30万像素
USB接口、网络接口等
帧同步、行同步、像素时钟、数据等
数字图像处理 根据不同的应用目的，数字信号处理的方法 会不同，分为软件和硬件两个部分。 硬件即数字信号处理平台； 软件即算法，与计算机技术、数学、专业 知识有关。 各种常用的算法模块。
数字图像处理硬件平台
数字图像处理软件运行的载体，主要分为以 下五种类型： 个人计算机PC或服务器 大规模可编程器件CPLD/FPGA 数字信号处理器DSP 高性能微处理器ARM 混合系统CPLD/FPGA、DSP、 ARM
基于PC机的数字图像处理硬件平台
通过标准的接口（如USB或Gige）与PC机交换数据，因此 图像处理的工作如显示等都是在PC机上通过Windows操作系 统下的应用软件来实现。其结构框图如下：
嵌入式数字图像处理硬件平台
实物图：
支持CCD和CMOS图 像传感器接口 提供显示接口，支持 24bit彩色显示，直接驱 动LCD屏
主要技术指标： ARM cpu的主频：720MHz DSP主频：520MHz 直接驱动LCD屏：800×600 640×480 24bit彩色显示， 最高采集速度： 8bit模式下130MHz ，16bit模式下75MHz 即：1024×1024分辨率下帧频可达100MHz 成功应用到多种CMOS/CCD和非致冷UFPA红外成像系统中。
彩色ＣＣＤ原理——三CCD系统
目前应用比较广泛的分色滤色片是采用R(红色)、 G(绿色)、B(蓝色)三原色的滤色片，然后将三个电 荷耦合器件所采集到的三色数值混合成全彩图像。
三CCD彩色成像原理
信号 处理
彩色ＣＣＤ原理——单CCD
但是考虑到使用三个电荷耦合器件的成本比较高并 且占用的体积较大，一般使用单一的成像器件。 在每一个像素上加入滤色片， 使得每一个像素点只能反映出 一个颜色或是光谱一部分波段 的信息，即每一个像素点只有 R、G、B其中一种颜色元素的 灰度值，最后通过适当的插值 算法还原出原始的图像 。
图像传感器——CCD芯片
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ICX285AL： SONY公司CCD 140万像素工业级黑白CCD。 20脚的DIP封装，方便安装， 靶面为2/3英寸。 光电转换效率高，低噪声。 支持高帧速率读出模式（60帧/秒） 水平读出频率：28.64兆赫 高灵敏度低暗电流和连续可变快门
主要技术参数指标
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图像显示
图像存贮
控
制
图像信号的采集
图像信号的采集与实际的应用过程紧密相连， 主要由光学镜头、图像传感器及外围电路、数字 化A/D转换、接口电路等部分构成。目标是为后 续的图像处理部分提供数字图像信号。 不同的应用系统，光学镜头和图像传感器可 能会不同。 需要了解光学镜头、图像传感器的参数指标。
图像信号采集部分的输出方式
应用：
工业成像检测 机器视觉
光学 镜头
CCD 数据采集
USB2.0 数据传输
计 算 机
设计框图 ：
镜 头
CCD信号 数字信号 数字信号
CCD
Βιβλιοθήκη Baidu
AD转换 时序 产生 控制 电路 USB2.0
同步信号
控制时序
CCD时序信号
计 算 机
驱动电路
电源电路
系统工作原理
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时序产生电路：输出CCD工作所需要的时序 驱动电路：驱动CCD工作。 图像传感器CCD：将光信号转换为电信号，然 后逐个像素输出。 A/D转换电路：对CCD信号数字化； 同步信号产生： 控制CCD信号采样的时序，从而对CCD输出信 号进行精确采样，减小噪声和误差。 CCD信号经A/D转换后的数字信号和由时序产 生电路提供的同步信号共同组成一组并行信号， 然后通过数据线输出到图像处理及显示部分， 由后续电路对信号进行处理和显示。
基于DSP的数字图像处理硬件平台
CMOS/CCD 图像输入
USB输出
DSP主控芯片采用TI的达芬奇DM6431，
主要参数： 时钟频率300MHz，数据处理速度2400MIPS， 直接驱动视频输入设备CMOS/CCD/UFPA。
基于DSP的数字图像处理硬件平台
图像探测系统的电子学部分
图像 传感器 可 见 CMOS 光
件和软件，所以开发成本相对更高。对于不能量产
的产品一般不会考虑这种方法。
嵌入式数字图像处理硬件平台
系统采用美国TI公司的OMAP3530/3730为核心处理器。
Omap3530是TI的一款基于Cortex™-A8内核， TMS320C64x+ DSP核和功能强大的POWERVR SGX图像 加速器的处理器。其ARM cpu的主频可以高达720MHz， 64x+的DSP最高主频可以达到520MHz，有非常强大的数据 处理能力，为实时图像处理提供有力的性能保障。
◆更好地适合工业现场
◆体积小、重量轻，适合手持式图像设备
◆更灵活的的设计 ◆价格优势。
缺点：
嵌入式数字图像处理硬件平台
◆技术的门槛更高：
嵌入式相机应用需要更多的硬件及软件知识，特
别是嵌入式软件方面的知识，而目前掌握这方面知
识的技术人员较少，限制了嵌入式相机的使用。
◆开发成本更高：
由于对技术人员的要求较高，需要开发特定的硬
线阵CCD 数字图像 处理平台 输出部分： 显示存储控制等
CCD
DSP为核心
LCD OLED PC电脑
红外 UFPA 紫外 DSP+ARM
拜尔（Ｂａｙｅｒ）滤色器阵列
拜尔阵列的奇数行为红色 和绿色的交替滤镜， 而偶数行采用绿色和蓝色 交替的滤镜。
红色分量和蓝色分量占总像素点的25%，绿色分量占 总像素点的50%。这是由于人眼在绿色波段的视敏度 达到最高。
彩色ＣＣＤ的结构
彩色 成像器件的结构分为三层： 微透镜阵列 彩色滤光片阵列 光电二极管阵列。
嵌入式数字图像处理硬件平台
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 近年来随着计算机技术的发展，嵌入式系统的性能得 到了很大的改善，使之能够很好地应用在成像领域。
嵌入式数字图像处理硬件平台
嵌入式数字图像采集与处理系统的结构框图：
嵌入式图像处理板： 将专门进行数字图像信号处理的嵌入式计算机及相应 的外围电路集成在一块板上，并定制相应的嵌入式操 作系统（ Linux），完成数字图像型号的采集、处理 与显示（或控制）工作。
嵌入式数字图像处理硬件平台
优点：
◆具有完全自主知识产权
◆更好的实时性
◆易于集成到机器视觉系统和其他图像探测系统中
还有CameraLink、1394和HDMI
特点：直接与计算机或相连，在软件的配合下 工作，灵活方便，降低了成本。 计算机：个人电脑PC或嵌入式处理器
6.4.1
面阵ＣＣＤ
面阵CCD成像一般分为黑白和彩色两种， 而彩色CCD可以带来更加丰富的图像信息， 在成像领域应用十分广泛。 但是由于成像器件只能感受到光线的强 弱，并不能感受到颜色的变化，因此若实现 色彩的采集和成像，必须在感光元件的前面 加上分色滤色片。
总像素： 1434(H)×1050(V) 有效像素： 1360(H)×1024(V) 像素尺寸： 6.45 µm (H) × 6.45 µm (V) 芯片尺寸： 10.2 mm (H) × 8.3 mm (V) 像素区尺寸：对角线11 mm(2/3) 宽高比： 4:3
时序产生和控制电路
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CCD时序产生和控制电路是整个相机系统的 重点和核心，也是CCD相机的能否正常工作 最至关重要的一部分。此部分要保证输出信 号的时序的准确，才能保证后续电路的正常 工作。 提供这三方面的信号： CCD驱动时序、AD控制信号 、同步时序。
两大部分构成： 数字图像传感模块和嵌入式图像处理板。 两者之间的连接方式有两种， 一是利用标准的接口相连，与PC机相同， 另外一种是直接相连。
数字图像传感模块：
嵌入式数字图像处理硬件平台
将图像传感器输出的信号数字化。
目前这些信号基本上已经标准化，包含场同步、行同
步、点时钟、并行图像输出及电源。
如CMOS图像传感器。
光电信号处理
可见光成像系统设计
6.4 可见光成像系统
分为模拟相机和数字相机
模拟相机：输出是一维视频信号。 一般采用BNC接头与显示器相连。
摄像头 监视器
模拟 摄像头
图像 采集卡
计算机
数字相机
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直接输出数字图像信号
根据输出信号的类型，主要包括：

USB相机：采用USB2.0或3.0接口
网络GigE相机：采用千兆以太网接口
色彩还原算法
0 1 2 3 4 5 6 7 8
R00 R02 R20 R22 R11 4 G01 G10 G21 G12 G11 4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
边界问题
6.4.2 USB接口相机设计
要求：输出采用USB接口
USB2.0 最大速率：480Mbps 原始数据 USB3.0 最大速率：5Gbps 科学仪器 成像检测设备

D285模块实物照片
PC机软件
USB接收数据； 数据处理 图像显示 各个功能的实现： 曝光控制 增益控制 白平衡 伽马校正 彩色还原
6.4.3 图像信号的采集与处理 图像信息的采集是将光学图像进行光 电变换，并进行数字化的过程，即将光学 图像转换成电学的数字图像。 图像处理即数字图像处理，是通过数字 信号处理技术对图像进行去除噪、增强、复 原、分割、提取特征的方法。 图像 采集 图像 处理
基于PC机的数字图像处理硬件平台
优点：
使用方便，能够与办公电脑一起使用， 软件丰富、应用方便。 这种数字相机主要用于实验室场合，
缺点：
◆实时性差：由于目前Windows操作系统的许多软件资源是 不公开的，因此无法对软件运行的时间进行精 确计算，另外，硬件上由于采用了标准的PC 机外设接口，也延缓了图像输入的时间， 因此，这种相机不适合应用在实时性要求较高的场合。 ◆便携式：由于该系统采用了PC机， 其体积、功耗、价格等很难进一步改善。 ◆软件知识产权的限制：额外的费用。
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采用了AD公司的CCD视频信号处理芯片 AD9945来完成这些模拟信号处理任务。 AD9945时序信号和设置信号是由CPLD提供。
AD9945技术指标
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40MSPS 的相关双采样 (CDS)
6~40dB的10位的可变增益放大器(VGA)
低噪声的光学黑体钳位电路
12位40MSPS的A/D转换