編碼曝光相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

余愛生

【摘??要】目標(biāo)的運動會導(dǎo)致其成像模糊。為了從模糊的圖像中恢復(fù)清晰的目標(biāo)圖像，本文采用了編碼曝光成像技術(shù)。與傳統(tǒng)相機(jī)成像中快門一直處于開啟的狀態(tài)不同，編碼曝光相機(jī)成像是在快門開啟和閉合轉(zhuǎn)換過程中成像。由于在時域快速轉(zhuǎn)換的編碼等效為頻域較寬的濾波器，因此編碼曝光成像有效地保留了目標(biāo)的高頻信息。

【關(guān)鍵詞】編碼;曝光;相機(jī)系統(tǒng);設(shè)計

1?編碼曝光相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

1.1?編碼曝光系統(tǒng)的硬件設(shè)計

如?圖?1?所?示，核?心?控?制?器?選?用?Xilinx?公?司Spartan??6?系?列?的?XC6SLX45T-3FG484C。該芯片共?484?個引腳，其中?DDR3?存儲器、程序存儲器以及?88E1111?千兆網(wǎng)物理層芯片分別接于廠家典型系統(tǒng)默認(rèn)引腳，以便利用現(xiàn)有資源;設(shè)計的模塊外接引腳盡量布置在同一個?BANK?內(nèi)，全局時鐘使用48?MHz?外部晶振;W25Q64?為?64?Mbit?的配置程序存儲器;DDR3?數(shù)據(jù)存儲器?MT41J64M16LA?有?1?024?M數(shù)據(jù)存儲空間，存儲圖像數(shù)據(jù)和運算中間結(jié)果;高靈敏度?CCD?圖像傳感器?ICX204AL?有效像素為1?024?×?768，幀率為?60?frame/s;CXD3400N?作為場時序驅(qū)動器提供列向的三態(tài)電壓時序驅(qū)動（XV2A、XSG1、XV2B、XSG2）及襯底信號驅(qū)動（XSUB）;12?位?CCD?信號處理器?AD9949?作為行驅(qū)動信號發(fā)生器（H1、H2），并提供生成信號（CCDIN）的模數(shù)轉(zhuǎn)換;88E1111?是千兆網(wǎng)物理層芯片，通過?RJ45?構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信接口。

圖?1?編碼曝光相機(jī)系統(tǒng)電路框圖

CXD3400N?接收?FPGA?發(fā)出的垂直時鐘轉(zhuǎn)移控制信號（XV1、XV2A/XV2B、XV3）和襯底控制信號?XSUB，向?ICX204AL?發(fā)送電荷累積和電荷垂直移位的時序信號，其中?XSUB?是編碼曝光信號，V2A/V2B?是三電平結(jié)構(gòu);FPGA?向?AD9949?提供主時鐘（CLK）、垂直同步脈沖（VD）和水平同步脈沖（HD），F(xiàn)PGA?通過?SPI?總線接口控制?AD9949?生成水平時鐘轉(zhuǎn)移信號（H1、H2）和復(fù)位時鐘信號（RG），AD9949?也是?CCD?信號的模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器，將模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過?D[7…0]?輸出到?FPGA，F(xiàn)PGA?的?DDR3?控制核將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲器MT41J64M16LA。當(dāng)圖像采集完成后，F(xiàn)PGA?中圖像重建模塊恢復(fù)出清晰圖像，通過網(wǎng)絡(luò)通信接口輸出，可由上位機(jī)接受顯示。

圖2?CCD?編碼曝光相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

編碼曝光相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖?2?所示，主要由核心控制模塊和外部芯片功能模塊組成。核心控制模塊的功能設(shè)計如下：外部晶振通過全局時鐘引腳到核心控制模塊中的基準(zhǔn)時鐘模塊，作為系統(tǒng)的時鐘基準(zhǔn)。時序模塊產(chǎn)生?CCD?傳感器的驅(qū)動時序。曝光編碼模塊作為傳感器配置模塊的輸入變量，向圖像采集模塊的時序驅(qū)動模塊提供曝光序列。傳感器配置模塊同時對處理模塊產(chǎn)生的垂直同步脈沖和水平同步脈沖信號進(jìn)行編輯。圖像讀取模塊利用?DDR?控制模塊將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲器中，這時得到了編碼曝光圖像數(shù)據(jù)。隨后核心控制器中的解碼重建模塊讀取數(shù)據(jù)存儲器中編碼曝光圖像，進(jìn)行片內(nèi)解碼得到清晰復(fù)原圖像。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)千兆網(wǎng)模塊可輸出顯示，也可以直接輸出編碼曝光圖像。命令模塊接受網(wǎng)絡(luò)的輸入信號，可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。千兆網(wǎng)模塊和?DDR?控制均為廠家提供的資源。

編碼曝光圖像采集及輸出時序圖如圖3?所示。由于?ICX204AL?總像素為?1?034?×?792，輸出一幅圖像需要?VD?控制信號?1?034?個，且每個?VD?信號含792?個?HD?信號。相機(jī)快門開關(guān)由?SUB?信號控制，HD?信號為低電平時，垂直時鐘信號按?V1、V2A/V2B、V3?順序開始工作，并將存于垂直移位寄存器中的光生電荷向水平移位寄存器移動。V2A/V2B的高電平信號決定了新一行圖像的起始位置。

圖?3編碼曝光圖像采集及輸出時序圖

1.2?編碼曝光系統(tǒng)的軟件設(shè)計

L?=?B/K編碼曝光解碼圖像程序流程圖如圖3?所示。曝光編碼在控制像元曝光襯底信號?SUB?的同時，也被用作圖像復(fù)原時構(gòu)造模糊核?K，以便解碼復(fù)原。若已經(jīng)得到編碼曝光模糊圖像?B，利用解碼獲得清晰圖像輸出。上述過程由?FPGA的硬件邏輯實現(xiàn)。

圖?4?嵌入式編碼曝光系統(tǒng)程序流程圖

同一目標(biāo)以不同相對速度通過采集相機(jī)時，在采集圖像的像平面中位置不同，導(dǎo)致采集的模糊圖像不同，即可以認(rèn)為由不同模糊核造成。由于模糊核是由預(yù)設(shè)編碼的?Toeplitz矩陣形式和與其等寬且不等長的模糊尺度構(gòu)成，因此采用結(jié)構(gòu)相似性與圖像熵的聯(lián)合估計方法確定圖像模糊核的模糊尺度，并與二進(jìn)制編碼一起構(gòu)造模糊核。具體編碼曝光解碼復(fù)原過程如下：

1）在核心控制器內(nèi)預(yù)設(shè)碼長為?m?的二進(jìn)制編碼序列?k;

2）通過設(shè)定模糊尺度與?k?共同構(gòu)造模糊核?K;

3）通過L?=?B/K解碼獲得清晰圖像，并輸出顯示。

2結(jié)論

本文設(shè)計了一種運動圖像去模糊的嵌入式編碼曝光相機(jī)系統(tǒng)。利用?CCD?襯底控制技術(shù)，實現(xiàn)持續(xù)編碼曝光控制和一次電荷轉(zhuǎn)移讀出光生電荷，從而獲得編碼曝光圖像。同時，將圖像的解碼過程在同一控制器中實現(xiàn)，獲得清晰運動復(fù)原圖像。

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（作者單位：中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司）