光电信号处理- 可见光成像系统设计

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。
嵌入式数字图像处理硬件平台
数字图像传感模块： 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。 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。
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边界问题
6.4.2 USB工业相机设计
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
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

时序产生和控制电路

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。

CPLD器件选择

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。

AD9945技术指标

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


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。

图像传感器——CCD芯片

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
总像素： 1434(H)×1050(V) 有效像素： 1360(H)×1024(V) 像素尺寸： 6.45 µ m (H) × 6.45 µ m (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
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 CCD 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。
色彩还原算法
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R00 R02 R20 R22 R11 4 G01 G10 G21 G12 G11 4
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：
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
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。
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。

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
驱动电路芯片选择
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。
◆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 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。
CCD
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
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
彩色ＣＣＤ原理——三CCD
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，一般使用单一的电荷耦合器件。

A/D转换电路

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。 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
光电信号处理
可见光成像系统设计
6.4 可见光成像系统设计
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


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
基于PC机的数字图像处理硬件平台
Biblioteka Baidu
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。
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
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
其他
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：
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 。
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。
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：

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VΦ1、VΦ2A、VΦ2B、VΦ3、 VΦ4 和复位信号 ΦRG 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。
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 ◆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。
嵌入式数字图像处理硬件平台
缺点： ◆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。
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。
但是由于电荷耦合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。
图像信号采集部分的输出方式
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。
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

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 伽马校正设定
考试安排
时间：11周周六（11月16日） 上午8:30——10:30 地点：西十二楼S411、N501、S412. 光电实验室和外校学生在S411、 S412 。 光电学院和本校外院系的在N501，