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论文

毕业设计（论文）报告

智能数码相机的设计

摘要：

数码相机也称为数字相机，它融光学技术、传感技术、微电子技术以及计算机技术和机械技术于一体，集成了影响信息的转换，存储和传输等部件，将光信息转换成电信息，再加以特定处理并进行存储，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。

随着计算机技术的发展，数码相机已经风靡了整个世界成为最热门的数字化产品之一。

介绍了一种基于DSP的智能数码相机的设计方案。

提出了一种整机采用DSP+FPGA+AVR结构，基于低级算法和高级算法相结合的智能相机，设计制作了实验用样机。

并用其对钢珠缺陷进行了检测，对该相机的性能进行了较为系统的测试和研究，提出了如何改进结构和算法以提高性能。

实验证明该相机的正确识别率，相机的设计方案有广泛的适应性，对软件的结构和算法稍作修改即可应用于不同的工作场合。

关键字：

智能相机现场可编程门阵列（FPGA）嵌入式系统（AVR）数字信号处理器（DSP）

Intelligentdesignofdigitalcameras

Abstract:

Digitalcameras,alsoknownasdigitalcameras,whichfinancialopticaltechnology,sensortechnology,microelectronicsandcomputertechnologyandmechanicaltechnology,andintegratestheimpactofinformationconversion,storageandtransmissioncomponents,theopticalinformationintoelectricalinformation,coupledwithspecificprocessingandforstorage,withdigitalaccessmode,andcomputerinteractiveprocessingandreal-timeshootingandsoon.Withthedevelopmentofcomputertechnology,digitalcamerashavesweptthewholeworldtobecomethemostpopulardigitalproducts.

IntroducedaDSP-basedintelligentdigitalcameradesign.AmachinewithDSP+FPGA+AVRstructure,low-levelalgorithmsandadvancedalgorithmsbasedonthecombinationofsmartcameras,designedtheexperimentalprototype.Ballwithitsdefectsweredetected,thecamera'sperformancewasmoresystematictestingandresearch,thequestionofhowtoimprovethestructureandalgorithmstoimproveperformance.Experimentsshowthatthecorrectidentificationrateofthecamera,thecamera'sdesignhasawiderangeofadaptabilityofthesoftwarestructuresandalgorithmsmakesomemodificationscanbeappliedtodifferentworksituations.

Keywords:

SmartCameraFieldProgrammableGateArrayAVRDigitalSignalProcessor

目录

前言1

第1章数码相机发展概况2

第2章数码相机的基本工作原理及组成7

2.1基本工作原理7

2.2数码相机的组成7

2.2.1镜头8

2.2.2图像传感器8

2.2.3存储器9

2.2.4微处理器9

2.2.5数码相机的其他组成成分10

第3章数码相机的光电成像原理12

3.1CCD器件的基本组成单元12

3.2由CCD器件实现信号的传输13

3.3CCD的基本功能13

3.4数码相机的数据处理17

第4章基于智能数码相机的设计20

4.1系统功能20

4.2智能数码相机的总体设计过程21

4.2.1硬件设计21

4.2.2软件设计23

4.3智能数码相机的工作过程24

4.4钢珠缺陷检测实验25

谢辞27

参考文献28

前言

智能相机作为工业控制系统和监控系统的关键执行部件，因其具有广泛的应用前景，对其进行的研究正方为艾。

基于采用成像器件的不同，可分为CCD（ChargeCoupledDevice）相机和CMOS（ComplementaryMetal-oxideSemi-conductor）相机。

采用CCD成像器件的相机成像质量较好，但外围电路相对较复杂，调试不太方便，成本较高；采用CMOS成像器件的相机，电路设计简单，调试方便，成像质量可以满足工作需要，成本低廉，因此广泛用于交通监控，工业控制等领域。

基本设计所采用的器件不同，主要以下几种结构：

DSP阵列；DSP+CPLD/FPGA；单独由CPLD/FPGA器件构成。

其中基于DSP阵列的图像处理系统软件可以灵活的修改，以适应不同的任务要求，但通常体积和能耗较大：

基于CPLD/FPGA的系统硬件实现上比较灵活，但采用较复杂的算法是设计复杂性较高，要求设计人员对结构规划，采用CPLD/FPGA器件结构有较为透彻的研究：

而采用DSP+CPLD/FPGA的系统则能够在复杂性和灵活性上有一个较好的折中，其结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，能够提高运输处理的效率，开发周期短，易于维护和扩展，对不同的算法也有较好的适应能力，因此通常的智能相机系统都采用这种结构。

然而无论采用何种硬件结构，算法的设计始终是智能相机设计中的重要组成部分。

良好的算法设计可以使用相机有较高的正确识别率，设置方便，控制简单。

本文提出的智能相机就是采用基于DSP+CPLD/FPGA这种结构来实现的。

设计制作出了实验样机，并对相机的性能进行了测试和分析，提出了优化改进方案。

第1章数码相机发展概况

照相机自1839年由法国人发明以来，已经走过了将近200年的发展道路。

在这200年里，照相机走过了从黑白到彩色，从纯光学、机械架构演变为光学、机械、电子三位一体。

笑看浮云遮望眼，瞬间沧海变桑田，数码相机的出现正式标志着相机产业向数字化新纪元的跨越式发展，人们的影像生活也由此得到了彻底改变。

人们在享受科技所带来的便利的同时，仍会不由得念起数码相机诞生之初所走过的坎坷道路，通常把这个道路分为三个阶段：

第一阶段（公元前400-1839）

宋代，在沈括所著的《梦溪笔谈》一书中，还详细叙述了“小孔成像匣”的原理。

在欧洲16世纪文艺复兴时期，欧洲出现了绘画用的“成像暗箱”。

第二阶段（1839年——2007年）

现在通过一些照片来反映照相机发展的第二阶段：

1839年8月19日，法国公布了“达盖尔银版摄影术”。

于是世纪上诞生了第一台可携式木箱相机，如图1-1所示。

图1-1可携式木箱相机

1861年，世界第一幅加色法彩色照片是英国人麦克斯韦尔摄制的《格子图案的缎带》，如图1-2所示。

图1-2格子图案的缎带

1877年，美国人穆布里奇•埃德沃德成功地拍摄了动体连续摄影作品《奔马》，如图1-3所示。

图1-3奔马

1899年，法国人迪奥隆和勒旭额尔制造出世界第一台彩色照相机，如图1-4所示。

图1-4第一台彩色照相机

1939年，美国艾加顿发明了电子快速闪光灯，如图1-5所示。

图1-5电子快速闪光灯

1969年，美国宇航员”阿波罗11号“飞船登上月球，并用哈苏500L相机进行了摄影，如图1-6所示。

图1-6哈苏500L相机

1969年，美国贝尔实验室的博伊勒和史密斯开发了后来用于数码相机的CCD，如图1-7所示。

这种感光元件在经过进一步完善之后，终于在今天得到了广泛应用。

图1-7数码相机的CCD

1975年，柯达公司用CCD制造了可以操作的电子相机，如图1-8所示。

世界上第一款数码相机早在1975年就已经出现，这款由柯达公司制造的准数码相机虽然体积有些大，但是已经具备了现存的数码相机的一些特点。

当然，想要观看这部相机拍摄的照片，你首先得把这部相机和电视连接起来。

原因很简单，显示器并没有普及。

图1-8可操作的电子相机

1981年，索尼推出了全球第一台不用感胶片的电子相机——索尼马维卡，如图1-9所示。

图1-9索尼马维卡

1973年11月，索尼公司正式开始了"电子眼"CCD的研究工作，在不断技术积累的基础上它于1981年推出了全球第一台不用感光胶片的电子相机--静态视频"马维卡（MABIKA）"。

该相机使用了10mm×12mm的CCD薄片，分辨率仅为570×490（27.9万）像素，首次将光信号改为电子信号传输。

1995年，卡西欧QV-10成为第一个装有LCD监视器能够实时取景的数码相机。

2003年佳能推出了采用塑料机身的EOS300D，它整合了前辈EOS-10D惯用的CMOS感光器件，售价首次低于1000美元，从而彻底改变了数码相机市场原有的竞争格局。

第三阶段（从2009年至今）

我国数码相机市场可谓是百花争艳、百舸争流，形成了一个全面发展的时期。

现代相机是微电子技术、光学技术、计算机技术以及人工智能技术的结合物，在结构、功能、性能等方面都发生了翻天覆地的变化。

但是现代数码相机的发展具有以下几个特点。

1、200万像素DC淡出市场，千万像素数码相机渐成起步产品

近年来各个品牌的DC像素不断攀升。

2008年，索尼和尼康、三星等厂商纷纷推出了千万像素消费级DC，使消费数码相机的拍摄质量再次大幅提升。

而索尼刚刚发布的W300更是达到了惊人的1360万高像素，甚至超过了入门级数码单反的像素水平。

2、长焦机型越来越受重视

消费数码相机拥有了高ISO的拍摄能力。

在今年上市的新品中，索尼、尼康等品牌的产品都拥有高达ISO3200的感光度，而且索尼的部分产品更是达到了单反相机的水平，拥有高达6400的ISO感光度。

3、触摸屏的应用。

触摸屏技术在消费级数码相机中得到进一步的发展，带有触摸屏的机型可以让越来越多的普通用户体验到更加人性化的互动式菜单体系，更加直观便捷的进行设定。

索尼T300独有的触摸屏还能同时实现涂鸦、音乐串烧等一系列相机的拓展功能，带给用户全新的视觉、听觉盛宴。

第2章数码相机的基本工作原理及组成

2.1基本工作原理

数码相机是由镜头、图像传感器、A/D（模/数转换器）、MPU（微处理器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、PC卡（可移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成，图2-1所示为数码相机的工作原理。

镜头将被摄景物的光学影像成像在图像传感器（CCD或CMOS）的表面上，图像传感器的主要功能是把光信号转变为电信号，它代替了普通相机中胶卷的位置，这样就得到了对应于拍摄景物的电信息图像。

图像信号经过A/D转换器转换成数字图像信号，通过MPU（微处理器）可对数字信号进行压缩并转化和相应的处理，再转换成特定的图像格式。

最后，图像以文件的形式存储在内置存储器中或可移动存储卡中。

从LCD（液晶显示器）显示屏上可以观察到拍摄的图像。

经过数码相机的输出接口，如USB接口，可将数字图像文件传送到计算机中，由显示器显示，也可以经过图像处理软件处理，最后用打印机打印成图片。

图像传感器内置存储器液晶显示器

接口

镜头模/数转换器微处理器

图2-1数码相机结构示意图

2.2数码相机的组成

数码相机的系统框图如图2-2所示。

图2-2数码相机系统框图

2.2.1镜头

数码相机有变焦镜头和定焦镜头之分，在数码相机应用的镜头中，其电子控制电路已经完全和数码相机的核心处理单元（微处理器）紧密地联系起来。

镜头的作用是将光线及聚集到感光器件上来。

数码相机的感光器件很小，而且外部的光线有时无法产生足够的强度来使感光器件获得足够的光源信息。

镜头就将外部的目标物体反射回来的光线通过其特定的形状，令光线折射到感光器件上。

类似的工作状态有点像我们小时候在太阳光下用放大镜来烧蚂蚁。

镜头是由许多块镜片组成的，这些镜片的形状大都不相同，所以每一块镜片在镜头中的作用也不一定一样。

一般来说，在不使镜头的透过率降低的情况下，采用多组的镜片可以使镜头的成像更接近现实世界。

2.2.2图像传感器

数码相机的核心部件是图像传感器，其质量决定了数码相机的成像质量。

图像传感器的体积通常很小，但却包含了几十万乃至上千万个具有感光特性的光电二极管，每个光电二极管即为一个像素。

当有光线照射时，这些光电二极管就会产生电荷积累，光线越多，电荷积累的就越多，然后这些积累的电荷就会被转换成相应的图像数据。

目前用于数码相机的图像传感器有两种：

一种为电荷耦合器件CCD；另一种为互补金属氧化物半导体CMOS。

CCD/CMOS传感器是数码相机最重要的器件之一，也是数码相机根本区别于传统胶片相机的特征。

CCD传感器有一个重要的工作特征：

CCD传感器输出的是连续的电流信号。

CCD设计时没有像CMOS那样在周围设置信号放大器，而是设置一个缓冲器，将一行的信号按一定的时钟周期连接成连续变化的电流信号输出。

在输出端由图像处理器依照时钟信号的周期来确定信号的物理位置。

2.2.3存储器

数码相机的存储器是用于保存数字图像数据。

存储器可以分为内置存储器和可移动存储器（或成为外置存储器），内置存储器为半导体存储器（芯片），用于临时存储图像。

早期数码相机多采用内置存储器，而新近开发的数码相机更多地使用了可移动存储器。

存储器在数码相机一般是外设，其内部一般只会安装很小容量的FLASH芯片，这对拍摄高分辨率的照片来说是远远不够的。

一般的存储器有CF（CompactFlash）、SM（SmartMedia）、MMC（MultiMediaCard）、SDC（SecureDigitalCard）、MSD（MemoryStickDuo）、IBM的微型硬盘等。

但就一般而言，这些存储器除了IBM的产品以外，其他的都是采用闪存FLASH来作为存储部件的。

我们就从FLASH的内部微观结构来看它是怎么保存数据的。

2.2.4微处理器

数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑控制以及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体系，数码相机通过MPU实现对各个操作的统一协调和控制。

MPU一般数码相机采用的微处理器模块的系统结构如图2-3所示。

它包括图像传感器数据处理DSP（DigitalSignalProcessing数字信号处理）、

SRAM控制器、显示控制器、JPEG编码器、USB等接口控制器、运算处理单音频接口（非通用模块）和图像传感器时钟生成器等功能模块。

数码相机的MPU在外围或其内部，有一个小容量的FLASH，负责存放一些程序语句。

中央控制器按照这些程序语句对相机的各种操作做出反应，例如对环境的光线强度做出判断、调节感光二极管放大器的放大率、用不用闪光灯、采用何种快门速度和光圈等。

程序存储器Flashmemory

图2-3微处理器模块的系统结构

2.2.5数码相机的其他组成成分

1、A/D转换器

A/D转换器有两个重要指标，转换速度和量化精度。

由于数码相机系统高分辨率图像的像素数庞大，因此对转换速度要求很高。

同时，量化精度对应于A/D转换器将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级，这个等级就是数码相机的色彩深度。

对于具有数字化传输接口的图像传感器（如CMOS），则不需要A/D转换器。

2、LCD（液晶显示器）

LCD有三个作用：

电子取景器、图片显示和功能菜单显示。

LCD分为两类：

即DSTNLCD（双扫扭曲向列液晶显示器）和TFTLCD（薄膜晶体管液晶显示器）。

数码相机中多数采用TFTLCD。

3、输入输出接口

数码相机的输入输出接口主要有图像数据存储扩展设备接口、计算机通讯接口和连接电视机的视频接口。

图像数据存储扩展设备接口主要用于如前所述的存储设备的数据交互。

常用的计算机通讯接口有串行接口、并行接口、USB接口和SCSI接口。

第3章数码相机的光电成像原理

光电转换器件是数码相机的核心部件，目前数码相机的图像传感器主要有CCD和CMOS两类。

CCD芯片又分为线型和面型两大类，线型CCD芯片的最大特点是分辨率很高，可拍摄1000万以上像素水平影像的数码相机都采用线型CCD芯片。

3.1CCD器件的基本组成单元

CCD器件的基本组成单元式金属—氧化物—半导体（MOS）电容。

如图3-1所示。

在P型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层，在二氧化硅上装配—金属电极，就构成了金属—氧化物—半导体（MOS）电容。

图3-1光子入射下的MOS电容

在MOS单元中，当加在半导体上的电压U0=0时，P型半导体中的多数载流子（空穴）是均匀分布的；当0Uth时，在半导体与氧化物界面的电势差的作用下，半导体内少数载流子（电子）聚集形成电荷密度很高、厚度大约2~10um的“反型层”（此部分载流子已成为电子），说明MOS单元能够积累电荷；当在MOS单元的金属栅与硅底之间加电压Ug时能够形成“势阱”（在MOS单元中可以积累电荷的部分），如果光照射到硅片时，光子的入射形成电子—空穴对，多数载流子（空穴）被栅极排斥，而少数载流子（电子）则积累于“势阱”中，积累的电荷量正比于光的照射强度，光入射引起的电荷积累总量正比于入射光子流速率、受光面积入射时间。

即对选定的受光面积，由光入射引起的电荷积累和入射光强与照射时间的乘积成正比。

3.2由CCD器件实现信号的传输

由基本MOS单元构成CCD器件。

根据构成方式的不同，CCD器件可分为线阵和面阵两类。

线阵CCD是由一维排列的MOS单元构成，常见的有256，512，1024，2048等，而面阵CCD是由矩阵排列的MOS单元构成，如512*512，1024*1024等。

图3-2所示为三相驱动的电荷传输过程。

当U1所连接的电极下积累有电荷，此时U2、U3均为“负”极性。

首先U2由负跳变为正，原先积累于U1下的电荷部分向U2下势阱转移，为两个MOS单元所共有。

随之U1的极性变为负，电荷全部转移到U2下的势阱中。

接着U3由负变为正，此时电荷变为U2、U3下的MOS单元所共有。

如此不断地进行直到阵列的边缘，馈送至输出电路形成输出信号。

面阵CCD器件的电荷读出将按一列列的顺序进行，将输出信号再经过放大、A/D转换等处理，最后得到数字信号，即可进行存储或直接传输至计算机。

图3-2电荷在相邻的单MOS元中的迁移示意

3.3CCD的基本功能

CCD是一种能将光转变为电的半导体器件，它在数码相机中具有光电转换、电荷储存以及电荷转移三个基本功能。

1、电荷储存功能

CCD的一个基本单元如图3-3所示，在P型半导体衬底制作一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上再制作一层金属（铝）电极。

当我们在电极上加上正偏压时，金属极板带正电荷，P型半导体中带正电的多数载流子空穴受到极板上正电荷的排斥而远离金属极板，从而在金属极板的下方形成了一个无空穴区，这个区中只有少数载流子电子而带负电，这个区域称为耗尽层。

金属极板、绝缘层和半导体层，它们看起来很像一个平行板电容器，它具有电容器，它具有电容器储存电荷的基本功能，而且极板上所加偏压越高，它储存的电荷越多，所以CCD具有储存电荷的功能。

图3-3CCD的基本单元

2、光电转换功能

普通电容器的两个电极都是金属导体，而CCD的电容有一个极板是半导体。

与金属导体内部存在大量自由电子不同，半导体在常温和黑暗环境中基本上是绝缘的，即它的内部可以导电的载流子非常少。

但若用光照射半导体衬底时，半导体就会产生大量的电子空穴对，可大大增强其导电性。

所以当光折射时，加有偏压的CCD电容就能储存许多电荷。

实验表明，CCD的电容在一定偏压下所存储的电荷量与入射光强度成正比，光线越强，存储的电荷就越多。

这就实现了CCD的光电转换功能。

通常CCD的单元电容也被称为光电二极管。

3、电荷转移功能

CCD实现电荷的转移功能是把CCD上的一个个电容按一定的方式连接起来。

图3-4表示的是一种连接方式。

为获得电荷转移功能，在每组电容器的电极上分别加上V1、V2、V3时钟驱动脉冲，其波形如图3-5所示。

图3-4CCD的一种连接方式

图3-5时钟驱动脉冲波形

假定将CCD曝光，产生的电荷图像如图9.9所示：

1号电容有4单位电荷，4号电容有2单位电荷，其余的电容没有电荷，此时处于t=t1时刻。

这时V1为高电平，V2、V3为低电平，1号和4号电容接高电平，电极下形成耗尽区，也可以形象的称为势阱，电荷就落入势阱中。

如果我们把电荷比作水，那么势阱就相当于一个水盆。

在t2时刻，V1、V2都是高电平，此时1号、2号及4号、5号电极下都形成势阱，且1、2号电容和4、5号电容的势阱分别连通到一起，电荷数量未变，电荷在势阱中均匀分布。

这与水在水盆中的情况相似，如图3-6中（b）图所示。

在t3时刻，V1、V3为低电平，V2为高电平。

1号、4号电容因处于低电平。

所以它们的势阱消失，只有2号、5号电容处于高电平，其势阱仍然保留，所以电荷就保留到2号、5号电容的势阱中了，电荷数量仍然不变，如图3-6中（c）图所示。

为了存储电荷和转移电荷，CCD必须有金属电极和连线。

但是因为它们的阻光作用又会降低光电转移效率。

解决这个矛盾的方法有两种：

一是将电极和连线作成透明的；另一个方法是将衬底作薄一点，从背面进行光照。

图3-6电荷在CCD中的转移

3.4数码相机的数据处理

数码相机各部分的有机连接，还需要一个针对数据的处理机制。

这一数据处理的过程以微处理器MPU为中心，通过针对数码相机数据的处理，使得数码相机的各个部分有效的结合在一起。

如图3-7所示，数码相机的数据流向从图像传感器开始，止于图像数据的存储和传输。

根据数码相机系统中采用图像传感器类型的不同（CCD或CMOS），数据流的处理有一些差异。

在采用CCD的数码相机系统中，CCD数据是模拟数据输出，需要经过模数转换和光学黑电平钳位等处理过程。

在采用CMOS的数码相机系统中，由于CMOS器件采用了数字数据接口，处理CCD模拟接口的电路被省略，直接进行数据读出。

图像传感器的图像数据被读出后，系统将对其进行针对镜头的边缘畸变图像的运算修正，然后经过坏像素处理后，被系统送去进行白平衡处理。

由于图像传感器在制造和使用；老化过程中会出现一些个别的像素点性能偏离或不能正常感光的现象，这些像素点被称为坏像素。

为了不对图像产影响，数码相机的核心处理器通常通过相应的数字算法（例如插值）进行修正，但这修正过程是有限的。

图3-7数码相机的处理流程

伽马校正