基于CMOS圖像傳感器的嵌入式圖像采集與格式轉(zhuǎn)化

摘要： 開發(fā)了一種基于CMOS圖像傳感器的嵌入式圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像有效采集傳輸?shù)墓δ埽瑢⒉杉降?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/Bayer格式">Bayer格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB格式，采用嵌入式系統(tǒng)有利集成化、小型化設(shè)計。

關(guān)鍵詞： CMOS圖像傳感器；DSP；Bayer格式；圖像采集

引言

　　圖像傳感器作為一種基礎(chǔ)器件，可以實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換以及視覺功能的擴(kuò)展，并且還可以給出直觀、真實(shí)、多層次、內(nèi)容豐富的可視圖像信息。CMOS圖像傳感器自上世紀(jì)70年代開始研制，但由于工藝上的原因，一直因?yàn)楣庹斩褥`敏度低、噪聲高、圖像分辨率低等缺點(diǎn)而沒有得到發(fā)展，與CCD圖像傳感器比較可知，CCD圖像傳感器需要在外部配接放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，因此會有體積大、讀出速度受限等缺點(diǎn)，而CMOS圖像傳感器則將整個圖像系統(tǒng)集成到同一塊芯片上，有集成度高、占用空間小、功耗小和造價低等優(yōu)點(diǎn)。因此，隨著技術(shù)的進(jìn)步，CMOS圖像傳感器得到越來越多的重視，成為研究的熱點(diǎn)。

　　在本系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)用MICRON公司的MT9T001型CMOS圖像傳感器配合TI公司的DM642型處理器實(shí)現(xiàn)嵌入式圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的圖像，經(jīng)DSP進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示，具有體積小，成本低，可靠性高，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)計

　　本圖像采集系統(tǒng)主要由CMOS圖像傳感器，DSP及處理電路組成。其采用的具體實(shí)現(xiàn)方案是當(dāng)CMOS圖像傳感器被配置好，收到開始采集的信號后，開始圖像的采集，并將采集到的圖像信息送入DSP，為后面的圖像格式轉(zhuǎn)化、處理和顯示做好準(zhǔn)備。DSP將CMOS圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)存入片外存儲器SDRAM中，以便進(jìn)行處理，并根據(jù)具體的圖像識別算法要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并將結(jié)果傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)框圖

　　CMOS圖像傳感器

　　本系統(tǒng)選用的CMOS圖像傳感器是MICRON公司的MT9T001。這是一款1/2英寸、有效像素為300萬像素(2048×1536)的CMOS彩色圖像傳感器。

　　芯片可以在其默認(rèn)的模式下工作，也可以由用戶自己編程設(shè)計幀大小、曝光時間、增益或者其他參數(shù)。在默認(rèn)模式下，輸出一幅QXGA圖像(2048×1536)其速度可達(dá)12幀每秒，輸出一幅VGA圖像(640×480)其速度可達(dá)93幀每秒。片上集成10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，行同步LINE_VALID和幀同步信號FRAME_VALID有專用的輸出引腳，同像素時鐘PIXCLK一樣，與有效數(shù)據(jù)同步。芯片內(nèi)部還集成了放大器、時鐘控制電路(反相，相位調(diào)節(jié))、圖像大小調(diào)節(jié)、圓點(diǎn)定位、白平衡調(diào)節(jié)、曝光調(diào)節(jié)、幀速率調(diào)節(jié)等眾多功能電路，并且所有這些控制都通過一個串行總線口進(jìn)行操作(SCLK和SDATA)。
在本系統(tǒng)中選擇高像素的CMOS圖像傳感器，可直接將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用，有效地簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并且由于本系統(tǒng)應(yīng)用于顯微圖像的采集，因此，高像素的CMOS圖像傳感器可以使拍攝的圖像更加清晰，有利于簡化后續(xù)的圖像處理。
　　
　　DSP主處理器

　　在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用嵌入式系統(tǒng)對傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的觀察方式進(jìn)行一定的改進(jìn)，采用高速數(shù)字信號處理器完成圖像的處理，傳輸?shù)裙δ?，有效的減小了儀器的體積，便于系統(tǒng)的集成化和小型化設(shè)計。在DSP的選擇上，本系統(tǒng)選用TI公司C6000系列的TMS320DM642型數(shù)字多媒體處理器。這是一款高性能DSP，基于C64x內(nèi)核，擴(kuò)展的高級甚長指令字體系結(jié)構(gòu)，具有64個32位通用寄存器，8個獨(dú)立計算功能單元，其中包括兩個乘法器和六個算術(shù)邏輯單元，可以并行運(yùn)行，因此可同時執(zhí)行多條指令。DM642采用兩級緩存結(jié)構(gòu)，64個獨(dú)立通道的EDMA控制器。此外，DM642還具有豐富的外圍設(shè)備接口。

　　在本系統(tǒng)工作時，DSP通過視頻口接收由CMOS圖像傳感器傳來的圖像信號，采用外部內(nèi)存接口(EMIF)實(shí)現(xiàn)與Flash和SDRAM的數(shù)據(jù)存儲，交換。同時，使用DSP作為處理器也可以為后續(xù)的識別算法做一定的準(zhǔn)備。

系統(tǒng)采集程序

　　在本系統(tǒng)中，單幀圖像采集的過程如下：系統(tǒng)上電后，程序從Flash自舉，從而完成程序的導(dǎo)入及初始化工作。DSP通過I2C總線發(fā)出信號，對CMOS圖像傳感器進(jìn)行配置，當(dāng)CMOS圖像傳感器開始工作后，將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，送入處理器DM642,圖像數(shù)據(jù)首先存入DM642視頻口的FIFO，當(dāng)達(dá)到FIFO內(nèi)設(shè)定的閾值時，DSP發(fā)出信號啟動EDMA通道，對FIFO中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行搬運(yùn)，將其存入SDRAM中，再由DSP對SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將處理后的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM的另一地址區(qū)域，發(fā)出啟動信號令EDMA將處理后的圖像數(shù)據(jù)運(yùn)送到輸出視頻口的FIFO中，再經(jīng)過圖像編碼芯片編碼后傳送到顯示器上進(jìn)行顯示。

圖像格式轉(zhuǎn)化算法設(shè)計

　　本系統(tǒng)所選用的是MICRON公司的MT9T001型300萬像素CMOS圖像傳感器，是通過彩色濾波陣列(CFA)獲得圖像的彩色信息，而這樣采集的圖像信息在每個像素的位置上只有一種顏色分量可以獲得，要復(fù)原另外兩種缺少的顏色分量，就必須通過相鄰的像素進(jìn)行估算，這個過程就叫CFA插值。它所輸出的圖像格式為Bayer格式，即奇數(shù)掃描行分別采集和輸出R、G、R、G……，偶數(shù)行分別采集和輸出G、B、G、B……，其一般格式如圖2所示。

圖2  Bayer格式示意圖

　　CMOS圖像傳感器光敏區(qū)域內(nèi)的每個像素點(diǎn)對應(yīng)一種色光，其中，R感應(yīng)紅光，G感應(yīng)綠光，B感應(yīng)藍(lán)光。在這種Bayer格式的圖像中，圖像一半的像素分配給G分量，而R和B分量則占圖像的另一半像素。因?yàn)镚分量是R、B分量的兩倍，所以如果G分量采用好的插值方法，不僅可以提高G分量的質(zhì)量，還可以提高R和B分量的質(zhì)量。