一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法，包括CMOS传感器用于采集可见光图像并进行数模转换；FPGA控制单元接收图像数据并进行数据处理；使用CoaXPress接口及其相应驱动芯片，对处理过的图像数据进行传输；和电源供电单元。本发明专利技术解决了现有的高速相机视频数据无法实时传输的问题，实现了1000帧/秒工作速度，采用的CMOS芯片实现了1280*1024图像分辨率，数据位深为8Bits的高速图像传输，增加了数据传输带宽；采用DC‑DC电源和LDO电源供电，系统噪声小，功耗低，成像质量好；采用CoaXPress接口传输图像数据，可实现1000帧/秒的实时图像显示。此外，本系统还可以通过上位机配置CMOS探测器工作模式等参数，操作简单，使用方便。

A high speed and high definition CMOS imaging system and its imaging method

【技术实现步骤摘要】
一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法
本专利技术属于图像处理技术，具体涉及一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法。
技术介绍
科学的发展推动着人类向更精细、更微妙世界的探索。在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种高速运动过程进行观察、数据采集与分析变得越来越有意义。在军事研究方面，通过记录和分析高速变化过程中的各个瞬态，例如武器发射、炮弹轨迹、火药爆破、火箭飞行等，为实验研究、武器设计与改良提供了更加有效的途径；在工业生产方面，通过实时监测生产线上的零件缺陷，提高了生产效率，又避免了人工的漏检与错检；在汽车制造方面，通过研究汽车碰撞瞬间各部位的变化以及人体模型的受力状况，生产出安全系数更高的汽车。在中等亮度的光刺激下，人眼视觉极限分辨频率仅为12～16帧/秒，无法观察几十、几百甚至上千帧的高速运动现象。此外，由于普通摄像机技术的“冻结”能力有限，在观察具有一定速度变化的运动过程时，常会出现图像歪斜甚至拖尾等模糊不清的现象，速度越高，图像质量越差。因此，研制一种能够对快速现象进行拍摄，并将其放慢到人眼视觉可以分辨程度的摄像机，显得尤为重要。早期的高速摄影设备主要是光机式高速相机，此类相机运用光学原理配合高速动作的机械结构完成对快速变化过程的观测和记录。按照工作方式的不同，光机式高速相机可分为间歇式高速相机、光学补偿式高速相机和转镜式高速相机三种。尽管就拍摄速度而言，光机式高速相机可以达到观测和记录的需要，但由于使用胶片作为存储介质，不可避免的引入了显影、定影等繁琐的胶片处理工作，然后才得以进行数据的分析，这就造成光机式高速相机后端处理速度慢，无法实时观察所拍到的图像；并且判读误差大，在试验中容易受到干扰；高速拍摄时所要耗费的胶片数量也过大，使用成本进一步增加，以上这些难以克服的弊端制约了胶片式高速相机的发展。随着电子技术的发展，在上世纪90年代出现了高速数字式相机。当前，能够实现“快摄慢放”技术的探测器主要分为CCD和CMOS两种类型。近年来，CCD图像传感器以噪声小、灵敏度高等特点在摄像领域占据一定位置，但其分辨率与帧频不可兼得，在追求高速摄影时势必会损失画质、增加器件成本与器件功耗。然而，CMOS传感器并不存在帧频与分辨率的折衷问题，在百万像素分辨率下拍摄速度可达1000fps甚至更高，与CCD相比，能够为瞬态研究提供更加精确的瞬间信息，成为瞬态研究的得力工具。高速成像系统的海量数据存储与采集一直是设计的计数瓶颈。对于1000帧以上的高速成像系统，它要求在1ms以内处理一整帧的图像数据，在分辨率大于1000*1000、数据位数为10bit时，其数据量超过10Gbps，实时处理难度很大，需要采用其他方法。目前市场上的高速摄像机的图像数据采集一般是先采用高速海量数据存储单元对图像进行存储，而后再进行处理送至计算机显示的方法完成，这种方法原理简单，虽然不能实时处理高速图像，对于高速高清成像系统是唯一可行的方法。中国专利200910021207.6，公开了一种高帧频高分辨率CMOS成像系统，以CPLD为控制单元，以SDRAM作为高速存储单元，实现了500帧，1280*1024分辨率的高帧频高分辨率成像，但SDRAM存储速度较慢，数据带宽较小，不适合1000帧以上的高分辨率成像系统的数据缓存，且没有将探测器和其他单元的供电分开，噪声较大，图像效果一般，另外，采用一般数据接口传输图像数据，只能实现缓存显示。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法，克服了存储速度较慢、数据带宽较小、不适合1000帧以上的高分辨率成像系统的数据缓存、噪声较大、图像效果一般等问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种高速高清CMOS成像系统，所述的CMOS成像系统包括：CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元、上位机接口单元和电源供电单元，电源供电单元分别与CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元和上位机接口单元连接，向CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元和上位机接口单元供电；所述的CMOS传感器，用于采集可见光图像，在驱动信号作用下产生高速数字图像数据送入FPGA控制单元进行处理；所述的FPGA控制单元，用于产生高速CMOS传感器的驱动信号、接收高速CMOS芯片采集到的图像数据并进行处理、与上位机接口单元做相应操作、将图像数据通过CoaXPress接口传送至计算机来显示图像；所述的CoaXPress接口单元，用于传输高速图像数据至计算机；所述的上位机接口单元，用于计算机发送相应指令操作至高速高清CMOS系统，计算机为高速高清CMOS系统提供CoaXPress采集卡并显示采集图像。一种基于高速高清CMOS成像系统的成像方法，步骤如下：步骤1、CMOS传感器采集可见光图像，在驱动信号作用下产生高速数字图像数据送入FPGA控制单元；步骤2、FPGA控制单元接收图像数据并使用ip核LVDS_RX进行串并转换；步骤3、FPGA控制单元对串并转换后的数据进行数据训练；步骤4、FPGA控制单元对图像数据进行非均匀性校正以及中值滤波；步骤5、FPGA控制单元中增益控制模块调整图像输出数据的大小；步骤6、CoaXPress接口单元将高速图像数据传送至计算机；步骤7、计算机接收高速图像数据并通过采集卡成像。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术集成了12bit的ADC，可以在片内直接将光电转换后的模拟图像信号直接转换为数字图像信号，和片外ADC相比，可以减少在信号传输过程中产生的噪声。转换后的12bit数字信号需要进行串行化处理，处理后送至传感器中的LVDS驱动器，在LUX1310中采用的是16路LVDS驱动器，多路LVDS驱动器的使用是为了减少每一路的比特率。(2)本专利技术采用的是CoaXPress接口进行图像数据传输，可以实现不适用高速图像存储单元实时显示1000帧、1280*1024分辨率的图像，并且只需要很少的FPGA，增加了系统的输出模式，可以适用于不同场合。(3)本专利技术采用的数据传输格式具有更高的数据传输速度以及更低的误码率，能显著提高图像数据的传输速度。附图说明图1为本专利技术的高速高清CMOS成像系统的结构框图。图2为本专利技术的高速高清CMOS成像系统的成像方法流程图。图3为本专利技术的高速高清CMOS成像系统的流数据包形成图。图4为本专利技术的高速高清CMOS成像系统的流数据包传输顺序图。图5为本专利技术的高速高清CMOS成像系统的增益、曝光控制流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，本专利技术是一种高速高清CMOS成像系统，所述的CMOS成像系统包括：CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元、上位机接口单元和电源供电单元。使用本专利技术所述的高速高清CMOS成像系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速高清CMOS成像系统，其特征在于：所述的CMOS成像系统包括：/nCMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元、上位机接口单元和电源供电单元，电源供电单元分别与CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元和上位机接口单元连接，向CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元和上位机接口单元供电；/n所述的CMOS传感器，用于采集可见光图像，在驱动信号作用下产生高速数字图像数据送入FPGA控制单元进行处理；/n所述的FPGA控制单元，用于产生高速CMOS传感器的驱动信号、接收高速CMOS芯片采集到的图像数据并进行处理、与上位机接口单元做相应操作、将图像数据通过CoaXPress接口传送至计算机来显示图像；/n所述的CoaXPress接口单元，用于传输高速图像数据至计算机；/n所述的上位机接口单元，用于计算机发送相应指令操作至高速高清CMOS系统，计算机为高速高清CMOS系统提供CoaXPress采集卡并显示采集图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速高清CMOS成像系统，其特征在于：所述的CMOS成像系统包括：
CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元、上位机接口单元和电源供电单元，电源供电单元分别与CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元和上位机接口单元连接，向CMOS传感器、FPGA控制单元、CoaXPress接口单元和上位机接口单元供电；
所述的CMOS传感器，用于采集可见光图像，在驱动信号作用下产生高速数字图像数据送入FPGA控制单元进行处理；
所述的FPGA控制单元，用于产生高速CMOS传感器的驱动信号、接收高速CMOS芯片采集到的图像数据并进行处理、与上位机接口单元做相应操作、将图像数据通过CoaXPress接口传送至计算机来显示图像；
所述的CoaXPress接口单元，用于传输高速图像数据至计算机；
所述的上位机接口单元，用于计算机发送相应指令操作至高速高清CMOS系统，计算机为高速高清CMOS系统提供CoaXPress采集卡并显示采集图像。


2.根据权利1要求所述的高速高清CMOS成像系统，其特征在于：所述高速CMOS图像传感器为LUX1310，且工作在满帧频满分辨率状态，传感器的主时钟为90M，像素驱动时序模块的输入时钟也采用90M，光电转换后的像素数据被片上ADC数字化，然后数字信号被串行化送至LVDS驱动器，最后以16路LVDS差分形式向片外输出，并伴随两路LVDS差分时钟信号。


3.根据权利1要求所述的高速高清CMOS成像系统，其特征在于：FPGA控制单元的FPGA为AlteraStratixIVGT系列的EP4S100G5H40I2，采集校正后的数据通过ALTGX高速串行收发器进行高速串行处理。


4.根据权利1要求所述的高速高清CMOS成像系统，其特征在于：所述CoaXPress接口单元使用的是Microchip公司的EQCO31T20，通过图像处理模块处理过的图像数据，发送至驱动芯片的数据输入端，每个芯片均输出一对高速差分串行数据，所述高速差分串行数据通过同轴电缆传输至图像采集卡。


5.根据权利1要求所述的高速高清CMOS成像系统，其特征在于：所述电源供电单元采用DC-DC和LDO相结合的方式供电，采用DC-DC芯片将输入的12V电压转换成5V、3.6V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1.5V、1.4V、1.1V、0.95V、0.9V，其中3.0V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.1V、0.95V、和0.9V用于向FPGA控制单元供电；采用LDO芯片将5V电压转换成3.3V、3.0V、2.5V、1.8V给高速CMOS传感器供电。...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋修宝，袁锦飞，陈钱，顾国华，戴康，朱琳，张文辉，钱惟贤，何伟基，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32