閔志盛

（重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400030）

隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字成像系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、公共安全以及生活的各個(gè)方面[1-3]。數(shù)字成像系統(tǒng)利用圖像傳感器獲取圖像信息，經(jīng)過處理之后形成數(shù)字圖像和視頻。數(shù)字成像系統(tǒng)通?？煞譃槎ń钩上裣到y(tǒng)和變焦成像系統(tǒng)，變焦成像系統(tǒng)使用變焦距鏡頭，從而通過對鏡頭的控制實(shí)現(xiàn)對不同物距下的景物成像[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變焦成像系統(tǒng)由鏡頭部分、圖像采集部分、微處理器以及存儲顯示部分組成，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。景物通過鏡頭成像在CMOS圖像傳感器上，像素單元的電荷信號經(jīng)處理并A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用DaVinci系列DM6446微處理器，CMOS獲取的圖像信號通過視頻輸入接口進(jìn)入視頻處理前端，在DM6446處理后由視頻處理后端將圖像顯示在TFT-LCD上。系統(tǒng)的鏡頭部分采用變焦距光學(xué)鏡頭，通過對鏡頭中電機(jī)的控制改變其組合焦距。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集部分

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1 Structure principle diagram of the system

成像系統(tǒng)的圖像采集由圖像傳感器實(shí)現(xiàn)，而圖像傳感器分為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。本系統(tǒng)的圖像采集部分采用OmniVision公司的彩色CMOS傳感器OV7620，該芯片高度集成了全部攝像功能，感光陣列大小為664×492，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

OV7620能夠在分辨率664×492下以60幀/s的速度捕捉圖像，它集成了幀（行）控制電路、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路、模擬信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號輸出電路及IIC編程接口。其中感光陣列得到原始的彩色圖像信號；模擬處理電路完成諸如顏色分離與均衡、增益控制、白電平調(diào)整等信號的處理工作；輸出電路根據(jù)需要輸出多種標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號；視頻時(shí)序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生行/場同步、混合視頻同步等同步信號以及像素時(shí)鐘信號。

圖2 OV7620的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of OV7620

本系統(tǒng)利用OV7620主模式，該模式下芯片提供HSYNC、VSYNC輸出，同時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)輸出格式為RGB原始數(shù)據(jù)。當(dāng)OV7620采集啟動(dòng)之后，場同步信號VSYNC上升沿的到來表示一場的開始，當(dāng)水平同步信號HREF處于有效狀態(tài)時(shí)，圖像數(shù)據(jù)在像素時(shí)鐘PCLK的上升沿不斷地送到輸出端口上。

2.2 變焦距鏡頭

變焦距鏡頭是指焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變而像面保持不變的光學(xué)系統(tǒng)，它是變焦成像系統(tǒng)中不可或缺的一部分[5-6]。本系統(tǒng)采用的變焦距鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)3倍光學(xué)變焦，其內(nèi)部的鏡頭單元可分為變焦鏡頭和對焦鏡頭，如圖3所示。除此以外，鏡頭中還包含微型馬達(dá)電機(jī)、光電傳感器、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成單元。微型馬達(dá)與齒輪、凸輪機(jī)構(gòu)控制鏡頭單元在中心軸線上運(yùn)動(dòng)，其中控制變焦鏡頭的叫做變焦電機(jī)，控制對焦鏡頭的叫做對焦電機(jī)。變焦電機(jī)和對焦電機(jī)在鏡頭中的位置狀態(tài)通過光電傳感器獲得，從而使得處理器能對鏡頭單元進(jìn)行位置控制。本系統(tǒng)利用MSP430單片實(shí)現(xiàn)對鏡頭的電機(jī)控制、傳感器信號讀取。

圖3 變焦鏡頭的鏡頭單元Fig.3 Lens unit of zoom lenses

2.3 DM6446微處理器

本系統(tǒng)采用DM6446微處理器，其內(nèi)部集成TMS320C64+DSP核和ARM926EJ-S核，同時(shí)它還包含一個(gè)視頻處理子系統(tǒng)[7]。DM6446的視頻處理子系統(tǒng)分為視頻處理前端（VPFE）和視頻處理后端 （VPBE），VPFE完成視頻/圖像信號的采集，VPBE負(fù)責(zé)視頻/圖像信號的顯示，結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示。

VPFE由CCD控制器（CCDC）、預(yù)覽引擎、圖像大小調(diào)整器、硬件3A（H3A）統(tǒng)計(jì)發(fā)生器以及柱狀圖模塊組成。所有這些模塊組成了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的前端接口。VPBE由屏幕顯示（OSD）模塊、視頻編碼器（VENC）和數(shù)字 LCD控制器（DLCD）組成。本系統(tǒng)中CMOS輸入圖像數(shù)據(jù)格式為Raw格式，顯示輸出數(shù)據(jù)為RGB格式。

圖4 視頻處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.4 Structure diagram of the video processing subsystem

2.4TFT-LCD模塊

本系統(tǒng)采用SHARP公司的LQ057Q3DC02液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示圖像，它包含一個(gè)彩色TFT-LCD面板、驅(qū)動(dòng)電路、控制單元、電源以及一個(gè)背光板單元。LQ057Q3DC02顯示的圖像大小為320×240，數(shù)據(jù)信號的寬度為18 bit。VPBE為TFT-LCD模塊提供時(shí)鐘信號、行/場同步信號、RGB圖像信號及其他控制信號。

2.5 電平轉(zhuǎn)換模塊

由于DM6446處理器的接口電平為1.8 V，而A/D轉(zhuǎn)換后的圖像信號電平和TFT-LCD接口電平都為3.3 V，因此需要對信號輸入接口和輸出接口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換通常采用專門的電平轉(zhuǎn)換芯片，但本系統(tǒng)中1.8 V與3.3 V之間的電平轉(zhuǎn)換利用CPLD來實(shí)現(xiàn)。由于CPLD的可編程陣列邏輯為B1和B2兩部分，因此對這兩個(gè)部分分別供1.8 V和3.3 V，這樣就實(shí)現(xiàn)了B1和B2兩部分的I/O輸入/輸出電平為1.8 V和3.3 V。通過對CPLD的編程，就能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)中1.8 V與3.3 V之間的電平轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CMOS圖像傳感器配置

利用SCCB總線接口可以對CMOS圖像傳感器提供的內(nèi)部寄存器進(jìn)行參數(shù)配置，從而實(shí)現(xiàn)對OV7620工作方式的有效控制。本系統(tǒng)利用MSP430單片機(jī)完成OV7620的配置工作，采用單片機(jī)的普通I/O口模擬串行總線來實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)的配置。

在MSP430單片機(jī)P1口的兩個(gè)端口設(shè)置為輸出，其中一個(gè)用于模擬串行時(shí)鐘SIO-1，另一個(gè)用于模擬串行數(shù)據(jù)SIO-1。在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過延時(shí)操作改變SIO-1端口輸出電平模擬串行時(shí)鐘，同時(shí)在SIO-1為高電平時(shí)，將配置數(shù)據(jù)寫到SIO-1端口上。這樣通過先寫寄存器地址再寫寄存器數(shù)據(jù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對OV7620的參數(shù)配置。

3.2 圖像采集與顯示

VPFE接收像素時(shí)鐘信號，同時(shí)根據(jù)圖像傳感器的工作時(shí)序配置HD_VD_WID寄存器，從而接收行/場同步信號HD和VD。CCDC模塊完成圖像采集工作，它提供了一個(gè)連接圖像傳感器和數(shù)字視頻源的接口，數(shù)據(jù)通過CCDC送入后續(xù)處理模塊或者異步外部存儲器接口進(jìn)行存儲。為了使CCDC能夠進(jìn)行圖像采集，在SYN_MODE寄存器中將數(shù)據(jù)接口配置成隔行掃描的8 bit寬度的RAW格式數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中將CCDC采集到的圖像數(shù)據(jù)直接放入DDR中存儲，因此將SYN_MODE.WEN設(shè)置為1，同時(shí)在SDR_ADDR中設(shè)置圖像數(shù)據(jù)的存儲地址。

VPBE中OSD模塊將視頻數(shù)據(jù)和顯示/位圖數(shù)據(jù)整合后，以YCbCr形式提供給VENC，它提供兩個(gè)視頻窗口和兩個(gè)OSD窗口用以顯示圖像。本系統(tǒng)將OSD的視頻窗口0作為圖像實(shí)時(shí)顯示窗口，VIDWIN0ADR寄存器配置成圖像數(shù)據(jù)的存放地址，使得OSD從DDR中獲取圖像數(shù)據(jù)。DLCD控制器為TFT-LCD提供工作時(shí)序，通過VMOD寄存器將數(shù)字視頻輸出格式配置成逐行掃描的并行RGB模式，從而滿足TFTLCD的數(shù)據(jù)接口要求。

3.3 鏡頭控制

本系統(tǒng)在圖像傳感器上采用變焦距光學(xué)鏡頭，當(dāng)變焦鏡頭從廣角端向遠(yuǎn)角端移動(dòng)時(shí)，變焦鏡頭的組合焦距發(fā)生改變，為了在圖像傳感器上成清晰的像，需要移動(dòng)對焦鏡頭到對焦位置。本系統(tǒng)中鏡頭的控制包括變焦鏡頭的控制和對焦鏡頭的控制，其中變焦鏡頭通過按鍵的方式實(shí)現(xiàn)鏡頭的伸縮，對焦鏡頭則通過圖像的清晰與否來進(jìn)行精確控制。鏡頭控制流程圖如圖5所示。

圖5 鏡頭控制流程圖Fig.5 Flow chart of lens control

4 結(jié) 論

利用DM6446處理器進(jìn)行變焦成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由變焦距鏡頭、CMOS圖像傳感器電路、DM6446處理器以及TFT-LCD組成。同時(shí)，系統(tǒng)在圖像傳感器上采用變焦距光學(xué)鏡頭進(jìn)行成像，通過對鏡頭的控制能夠?qū)崿F(xiàn)對不同物距下景物的清晰成像。本系統(tǒng)可應(yīng)用于視頻監(jiān)控、數(shù)碼成像等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用性。

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