CCD相机的控制与高速图像数据传输技术.docx

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CCD相机的控制与高速图像数据传输技术

分类号UDC

密级

编号8Q!

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中国科学院研究生院硕士学位论文

￡￡旦担扭睦控剑墨直运国堡数握佳箍挂苤垒蝗

指导教师丞扈煎硒冠员

圭国型堂院堂鱼撞盔婴宜压

申请学位级别亟±堂焦学科专业名称信呈复信息处堡论文提交日期2006.5论文答辩日期2006.6

培养单位主冒型堂堕趟电撞丕盟窒所

学位授予单位:

空圄型堂瞳班究生瞳——答辩委员会主席

摘篓

随着科举技术的发鼹,CCD数字耀鞔被广泛圭也斑用在备静镁域,发挥蕙熏要静终鲻,圆必秘究CCD姻钒的控制翘数撮铸输具窍重要的意义。

论文根据安辩匿像处理系统的要求,霹基子FPGA敬CameraLink懿器撩数攒搂较‘裁莲行了设计与实现。

论文深入地分析了几种常用的相机数据传输方式,在此基础上税锻CameraLink接口鬻瀛高、数搽传输率毫、稿飘控锅簿摹筹特点,磺秘罗以CameraLink按霜协议为基础的CCD数字裙祝图像数据接收卡。

设计采用了FPGA技术,结合算步窜≤亍遴焙协议（UART、LVDS（LowVoltageDifferentialSignaling等技术,实现了对CCD秘辊鹣耱繇葙实隧蘸像数据接收。

犊收卡麓最大传输速率霹这1.848GB/s,实际最高接收速率为960MB/s,具有数据传输率大、稳定性好、搽律方便等优点。

论文豹掰究工律为后续豹图像处理握供了有力豹支持,在高速实时图像处建黻及萁弛领域中有着广泛酶应用薷豢。

关键谣:

CameraLinklLVDS;FPGAICCD攘爨;串墨逶绩

本文作者煞名:

TechnologiesofCCDCameraControlandHigh—speedImageDataTransmissionJinZheng

Directedby:

Prof.ZhangQiheng

ABSTRACT

戮瞧thedevelopmentoftechnologies,CCDCameraiswidelyappliedinpracticeapplications.ItisimportanttostudytheCCDdigitalcamera’Scontrolanddatatransmission.Fortherequestsofrealtimeimageprocessingsystem,wedesignandimplementtheimagedatacaptureboardbasedOilCameraLinkinterfaceandFpGAstructure.

Inthispaper,westudyseveralgeneralcameradatatransmissionpatternsandcameracontrolmodes.Onthebasisofthestudy,wechooseCameraLinkinterfacebecauseofitshighdatatransmissionandeasilyimplementandhugethroughput.Thedesignofareal-timeimagecapturingandcameracontrolboardbasedonCamera

Linkispresented,TheCameraLinkinterface奄rdigitalcameraandframe

grabberisadoptedfortheboard.IncombinationwithFPGA,LVDS（LowVoltageDifferentialSignalingandUART（UniversalAsynchronousReceiverTransmittertechnologies,theboardcanimplementreal*timeimagedataacquisitionandcontrolofCCDdigitalcamerainreal-timeimageprocessingsystem.Itstronglysupportstheimageprocessing.Thehigh—speeddigitalcamera'scontrolanddatatransmissionwillbewidelyappliedinmoreimageprocessingandotherfields.

Keywords:

Camera

Link;LVDS;FPGA;CCDdigitalcamera;UARTIl

本入审明

本人郑重肆}暖:

所呈交特学位论文,是本人在导师娓指导下,独立避行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何冀他个人成集体已经发表或撰写过的科研成聚。

对本文豹研究傲出重要贡献瓣令A鞠集体,均已在文中驭骥礁方式檬臻。

本A完全意识鬟本声舞躲法簿责任感本人承担。

论文作者嚣名:

蔓塾菇嚣端:

趁曩衄

关于攀位论文使瑚授权酌声硐

本人完全了解中阑科学院光电技术研究所有芙保留、使用学位论文的裁定,溺意中戮科学院光电技术研究所裸蕾或向澄家有关部门或枫构送交论文终笺露斧帮迄予版,允许论文被奎阕移诺瓣;本人授粳中国科学陵毙电技术硪究所可以将零学位论文的全部或部分内容编入有关数据岸进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文劫汇编本学位论文。

（镰密论文在解窝磊应遵守越瘸定

论文作者签名:

姆导师然名:

趁,丕丝孥隧期:

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第一章,jI言

1.1概述

第一章引言

实时图像处理系统的基础是实时采集来自模拟或数字相机的视频流,因此相机的控制和图像数据的传输在实时图像处理系统中有着重要的意义。

图像处理系统一般由五大功能单元组成:

图像接收单元、图像预处理单元、.图像处理单元、图像显示单元、数据输出单元。

如图1.1所示。

图ll实时图像处理系统的组成

其中图像接收单元也叫视频流输入单元主要就是完成对相机的控制和实时图像的接收。

图像预处理单元完成当前帧图像的数据存储,进行全视场的数字滤波、图像增强、目标分割等算法。

图像处理单元是处理系统的核心,完成主要的图像处理算法。

图像输出单元包括CPLD接口、头部控制接口和字符输出接口。

图像显示单元主要完成由监视器显示相机的原始图像与处理后的图像相叠加的复合信号。

由此可见正确接收来自相机的图像数据是图像处理系统的基础。

近年来,随着光学制造及加工技术,数字电子技术,大规模和超大规模集成电路技术及制造工业,光电成像传感器,自动控制技术等的迅速发展,目前的实时图像处理系统在各方面的性能指标较以往有了大幅度的提高,随之对各个模块技术指标要求也在迅速提高。

由于实时图像处理系统是一种基于图像信息处理的设备,所获得的图像质量直接影响到最后的处理结果和精度。

在数字图像处理技

CCD相机的控制‘i・箭速幽像数据传输技术

术要求越来越高的今天,为实时图像处理系统提供高质量的数字化图像信号已经越来越迫切。

此外,在其他民用场合,如各种自动监视安全系统,交通控制,天文观测等等,都需要分辨率越来越高,对比度越来越好,帧频越来越高的实时图像传输。

1.2课题研究的目的和意义

原有的图像处理系统都是采用标准制式的模拟相机作为信号源。

模拟相机的帧频为25帧/秒,图像分辨率低,输出的是模拟视频信号。

视频信号需要经过钳位、放大、滤波、去同步头、带宽放大等处理电路后,通过高速A/D转换将模拟视频信号转变成8位或12位的数字信号。

同时还需要对视频信号进行行、场信号分离,提供后续处理所需要的HS（行同步和VS（场同步信号。

模拟信号在传输中会衰减,如果没有距离合适和及时的中继放大,信号最终会湮没在噪声中。

因此模拟相机的图像接收电路复杂、需要A/D转换而且图像传输距离受限制,不易于实现。

所以,随着CCD技术和数据传输技术的不断发展,采用新型数据传输接口的CCD数字相机能够避免上述问题。

CCD数字相机在信号处理、影像传感和数字存储等三大领域中应用广泛。

它具有以下优点:

（1体积小,集成度高,结实耐用及功耗低。

（2在一个较宽的波长范围内有着近乎完美的灵敏度。

（3工作条件是从低照度到非常高照度都能使用。

（4有很好的稳定度和线性度。

（5由于硅阵列结构的固定及紧凑,生成的图像不会变形。

CCD输出的电信号通常是符合电视标准的视频信号,可在电视屏幕上复原成物体的可见光像,也可以将信号存储在磁带机内,或输入计算机,进行图像增强、识别、存储等处理。

随着高分辨率、高帧频、数字化的新型CCD相机出现,使得图像数据量越来越大、传输速率越来越高。

众多新的接口技术的发展,如USB、IEEE一1394和CameraLink等,新型的CCD相机纷纷对其提供支持。

为满足工程实际的需要,必须建立带宽高、数据传输率高、模块化和低功耗

第一章引言

、的图像接收与控制系统,以解决实时图像处理系统接收模块数据传输量大、传输速率高等问题。

在了解现有数字CCD相机和多种输出接口基础上,根据图像处理平台的需求,针对数据量大、传输速率高等问题,本论文开发了基于CameraLink接口的CCD数字相机控制与数据传输系统,解决了高速CCD图像实时图像接收以及对相机的控制,满足了实时图像处理平台的需求。

1.3主要研究工作

在大量查阅文献的基础上,分析现有CCD数字相机和多种相机输出接口,研究基于CameraLink接口的高速CCD数字相机的数据传输与控制在实时图像处理系统中的应用,探讨新的接口是否可以满足系统要求,通过验证为实时图像处理系统的升级提供技术支持。

本文的主要工作如下:

1分析比较CCD数字相机常用的几种高速数据传输接口如USB、IEEE.1394、CaITleraLillk等的性能。

2根据实时图像处理平台的要求,确定数字相机控制与数据传输的设计方案。

3设计并制作应用于实时图像处理系统的CCD相机控制与图像数据接收板卡。

4在实时图像处理系统中应用该相机控制和图像数据接收板卡,测试其性能。

CCD相机的控制与高速|2}|像数据传输技术

2.1概述

第二章CameraLink接口技术

CameraLink是数字视频的通信接口。

它以ChannelLink技术为基础,为视频应用提供了一个通用的信号传输规范。

多年以来数字视频市场缺乏一个标准的通信接口。

采集卡和相机生产商提供了多种互不兼容的接口标准,使得传输线的统一制造非常困难,也常常使得用户感到无所适从。

因此迫切需要一个数字相机和图像采集卡之间的连接标准,能够兼顾相机的多样性和数据传输高速性。

为此NI、数字CCD相机供应商和图像采集卡公司于2000年联合推出了CameraLink接口协议。

这个接口的优点是:

数字CCD相机的数据接口输出采用较少的线数、连接电缆更容易制造更具有通用性;数据传输速率高;接口简单容易实现。

2.2LVDS技术

LVDS（LowVoltageDifferentialSignaling是一种低摆幅的差分信号技术,它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输,其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。

LVDS的标准ANSI/EIA/EIA一644（1995年11月通过,主要定义了LVDS的电特性,即信号摆幅在350mV。

信号的低电压摆动减少了上升和下降的时间能达到655Mbps的实用最高速率和1.923Gbps的无失真媒质上的理论极限速率。

标准