DSP實現(xiàn)數(shù)碼望遠相機的設計

近年來，隨著半導體制造技術的發(fā)展和計算機體系結構等方面的改進，數(shù)字信號處理技術得到了迅速的發(fā)展和運用，DSP芯片的功能越來越強大，數(shù)字信號處理已成為信號處理技術的主流。結合光學儀器向光、機、電、算一體化和智能化現(xiàn)代光學儀器發(fā)展的趨勢，設計了一款基于高性能DSP芯片的同步可調(diào)式雙筒望遠數(shù)碼相機。設計的專用攝遠鏡頭，消除了望遠系統(tǒng)的成像畸變，增加了成像圖片的景深效果。望遠系統(tǒng)和攝遠系統(tǒng)實現(xiàn)同步調(diào)焦，保證了望遠鏡像面和數(shù)碼照相攝錄系統(tǒng)感光芯片上成像清晰度改變的一致性，遠處景物的成像在望遠系統(tǒng)中的比例和在照片中的比例相同。目前，該研究已經(jīng)在某些電子望遠設備上實現(xiàn)應用。

　　1 設計的基本思路與基本原理

　　望遠數(shù)碼相機的數(shù)碼照相系統(tǒng)與望遠系統(tǒng)相對獨立，分立采光，按照望遠物鏡與數(shù)碼照相鏡頭的入瞳直徑相匹配的原則，設計計算出數(shù)碼鏡頭與望遠鏡對3 m～無窮遠目標進行成像的離焦對應曲線，采用中調(diào)手輪轉動帶動望遠鏡和數(shù)碼鏡頭實現(xiàn)同步調(diào)焦，使遠方同一景物目標通過望遠物鏡和數(shù)碼鏡頭的成像同時同步清晰，使望遠鏡真正成為數(shù)碼相機的光學取景器，再通過數(shù)碼鏡頭像面位置處的CMOS影像傳感器實現(xiàn)觀察目標圖像信息的獲取、存儲、壓縮以及數(shù)字圖像的轉換、顯示和傳輸過程。

　　2 數(shù)碼成像系統(tǒng)的設計與研究

　　根據(jù)要求，采用了基于高性能DSP芯片的數(shù)字圖像信號處理技術，以實現(xiàn)對實時圖像信息的獲取、存儲、轉換和數(shù)字圖像的傳輸與顯示。選擇美國德州儀器公司(TI)的高性能多媒體處理芯片TMS320DM642作為主處理器; SDRAM選用Micron公司T48LC4M32B-6;視頻采集芯片則是Micron的300萬像素的CMOS圖像傳感器MT9T001;采用高效、穩(wěn)定、可靠的嵌入式計算平臺，數(shù)碼照像系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　由于CMOS APS圖像傳感器在價格、性能和功耗等各方面都優(yōu)于CCD圖像傳感器，而且集成了很多圖像處理功能，因此在本系統(tǒng)的視頻采集模塊設計中，選用了Micron公司生產(chǎn)的CMOS APS圖像傳感器芯片MT9T001。　　MT9T001是一款OxGA格式(有效像素為2 048×1 536)的CMOS數(shù)字圖像傳感器。芯片上集成了模擬及數(shù)字自動增益調(diào)整、電平偏置調(diào)整，以及視窗大小切換、行列調(diào)整和閃光模式等功能，這些功能都可通過 I2C總線接口進行編程控制。該傳感器可以工作在默認模式或者通過寄存器編程設置的用戶模式。默認模式將以12幀/s的速度輸出QxGA格式圖像。芯片上的APC轉換器為每個像素提供10 b的數(shù)據(jù)流，并伴隨有行、場同步信號輸出?！　M642和cMOS圖像傳感器的連接如圖2所示。為了接收視頻數(shù)據(jù)，DM642的視頻端口必須配置成原始數(shù)據(jù)采集模式。在這種模式下，DM642對接收到的數(shù)據(jù)不做任何選擇或插值處理。這種操作模式適合接收CMOS圖像傳感器等特殊格式的數(shù)據(jù)。由于是傳輸原始數(shù)據(jù)，DM642和MT9T001之間的連線也相對簡單，不需要行、場同步信號。當CAPENA信號被使能后，VPID數(shù)據(jù)總線將開始接收數(shù)據(jù);采集速率由CMOS傳感器的PIXCLK時鐘決定。 DM642通過I2C總線CSCL和SDA控制CMOS圖像傳感器的工作模式。

　　3 樣機試驗與檢測

　　對試制樣機進行性能檢測、數(shù)碼鏡頭鑒別率檢測，對3 m遠的相機分辨率標板(ISO Resolution Chart for Electronic Still Cameras)進行拍照后，讀取分辨率數(shù)值。實驗測得產(chǎn)品垂直分辨率達到8組，水平分辨率達到9組，分辨率達到設計要求。采用400萬像素佳能相機與樣機對同一地點、同一時問對同一景物(箭頭所指為拍攝目標)的進行拍攝，結果如圖3、圖4所示。該設計實現(xiàn)了數(shù)碼望遠功能。

　　4 結 語

　　該研究立足于傳統(tǒng)雙筒望遠鏡，應用先進的數(shù)碼成像技術，創(chuàng)造性地解決了通過結構的準確同步傳動，實現(xiàn)對同一物體的觀察和拍攝問題，使望遠鏡真正成為數(shù)碼相機的取景器，實現(xiàn)了真正的所拍即所望。