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://www.ex-cimer.com/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(jì)。

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(huì)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(gè)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(jià)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(lái)越多的重視，成為研究的熱點(diǎn)。

　　在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)

　　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(hào)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(chǔ)器SDRAM中，以便進(jìn)行處理，并根據(jù)具體的圖像識(shí)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(wàn)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(jì)幀大小、曝光時(shí)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(hào)FRAME_VALID有專用的輸出引腳，同像素時(shí)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(shí)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(guò)一個(gè)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(hào)輸出，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用，有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，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(jiǎn)化后續(xù)的圖像處理。
　　
　　DSP主處理器

　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)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(hào)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(jì)。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(jí)甚長(zhǎng)指令字體系結(jié)構(gòu)，具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨(dú)立計(jì)算功能單元，其中包括兩個(gè)乘法器和六個(gè)算術(shù)邏輯單元，可以并行運(yùn)行，因此可同時(shí)執(zhí)行多條指令。DM642采用兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，64個(gè)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(shí)，DSP通過(guò)視頻口接收由CMOS圖像傳感器傳來(lái)的圖像信號(hào)，采用外部?jī)?nèi)存接口(EMIF)實(shí)現(xiàn)與Flash和SDRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，交換。同時(shí)，使用DSP作為處理器也可以為后續(xù)的識(shí)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(guò)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(guò)I2C總線發(fā)出信號(hào)，對(duì)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(hào)，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(shí)，DSP發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)EDMA通道，對(duì)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(duì)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(dòng)信號(hào)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(guò)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(jì)

　　本系統(tǒng)所選用的是MICRON公司的MT9T001型300萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器，是通過(guò)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(gè)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(guò)相鄰的像素進(jìn)行估算，這個(gè)過(guò)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(gè)像素點(diǎn)對(duì)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。