發(fā)布時間：2015-08-13所屬分類：計算機(jī)職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 隨著科技的不斷發(fā)展，對于現(xiàn)在電子產(chǎn)品的也不斷更新使用。同時對圖片的要求也就大大提高。什么的技術(shù)是第圖片處理上占有更好的優(yōu)勢呢?同時本文針對圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計以及對圖片處理的 應(yīng)用與實驗等方面做了詳細(xì)的研究分析。本文文章選自《計算機(jī)應(yīng)用研究
隨著科技的不斷發(fā)展，對于現(xiàn)在電子產(chǎn)品的也不斷更新使用。同時對圖片的要求也就大大提高。什么的技術(shù)是第圖片處理上占有更好的優(yōu)勢呢?同時本文針對圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計以及對圖片處理的 應(yīng)用與實驗等方面做了詳細(xì)的研究分析。本文文章選自《計算機(jī)應(yīng)用研究》,《計算機(jī)應(yīng)用研究》反映并涵蓋了當(dāng)今國內(nèi)外計算機(jī)應(yīng)用研究的主流技術(shù)、熱點技術(shù)及最新發(fā)展趨勢，是一份極具收藏價值的技術(shù)刊物，《計算機(jī)應(yīng)用研究》編輯部審稿周期為2個月，逾期未收到任何用稿通知，請聯(lián)系編輯部查詢。復(fù)合影響因子為1.062，綜合影響因子為0.455。
摘要：21世紀(jì)是一個充滿信息的時代，圖像作為人類感知世界的視覺基礎(chǔ)，是人類獲取信息、表達(dá)信息和傳遞信息的重要手段。數(shù)字圖像處理[9]，即用計算機(jī)對圖像進(jìn)行處理，其發(fā)展歷史并不長。數(shù)字圖像處理技術(shù)源于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時通過海底電纜從英國倫敦到美國紐約傳輸了一幅照片，采用了數(shù)字壓縮技術(shù)。首先數(shù)字圖像處理技術(shù)可以幫助人們更客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識世界，人的視覺系統(tǒng)可以幫助人類從外界獲取3/4以上的信息，而圖像、圖形又是所有視覺信息的載體，盡管人眼的鑒別力很高，可以識別上千種顏色，但很多情況下，圖像對于人眼來說是模糊的甚至是不可見的，通過圖象增強(qiáng)技術(shù)，可以使模糊甚至不可見的圖像變得清晰明亮。
關(guān)鍵詞：圖像采集,系統(tǒng)軟件,軟件設(shè)計
Abstract: the 21st century is an era full of information, the image as a foundation for human perception of world vision, is human to obtain information, express information and an important means of passing information. Digital image processing [9], which USES the computer for image processing, its development history is not long. Digital image processing technology is the result of the 1920 s, when from London to New York by submarine cable transmission a photograph, adopted digital compression technology. First digital image processing technology can help people more objectively and accurately know the world, people can help the human visual system from the outside world for more than three quarters of the information, and images, graphics, is the carrier of all the visual information, in spite of the high flair of the human eye can identify thousands of colors, but in many cases, the image is blurred even invisible to the human eye, through the image enhancement technology, can make the fuzzy even invisible image is clear and bright.
Keywords: image acquisition, the system software, the software design
1引言
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對跟蹤運(yùn)動物體的實時性以及清晰度的要求越來越高。比方說人們需要知道運(yùn)動員在運(yùn)動過程中的圖像信息，便于分析運(yùn)動員的動作細(xì)節(jié)，就要得到運(yùn)動員在運(yùn)動過程中清晰圖像。這些都要求有獲取飛行物體的圖像信息的工具，于是各種各樣的圖像采集系統(tǒng)誕生了[1]。
提出了一種基于FPGA的圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計方案，可以清晰的拍攝物體在運(yùn)動中的圖像信息，而且該系統(tǒng)可以應(yīng)用在特殊的場合，區(qū)別于其它同類圖像采集系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)是針對某些具體的應(yīng)用場合，所以大大節(jié)約了成本，不必花高成本從國外購買可以實現(xiàn)相同功能的同類產(chǎn)品，同時也提高了該產(chǎn)品保密性。
國外在圖像應(yīng)用方面的研究工作開展較早，尤其在圖像傳感技術(shù)和相機(jī)的研究和圖像獲取方面，已應(yīng)用在社會生活的各個領(lǐng)域，比方說用NBA賽場，拍攝運(yùn)動員的動作畫面，還有資料表明， 美國在動能彈的研究中也使用攝像拍攝了彈體發(fā)射瞬間的圖像。目前，人們對跟蹤運(yùn)動物體的實時性以及清晰度要求越來越高，但是對于這種專門用于細(xì)節(jié)圖像觀測的、高分辨率圖像獲取技術(shù)國內(nèi)尚沒有深入研究。為解決此問題，在系統(tǒng)硬件平臺的基礎(chǔ)上，提出了一種基于FPGA的圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計方案。完成了系統(tǒng)軟件的整體方案，主要包括基于FPGA的數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)讀寫軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)輸出軟件設(shè)計、異步串行通信軟件設(shè)計四個部分，并對各個部分進(jìn)行了綜合后仿真。可實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的采集。
國內(nèi)在這方面起步較晚， 但是對于這種專門用于細(xì)節(jié)圖像觀測的、高分辨率圖像獲取技術(shù)國內(nèi)尚沒有深入研究。目前圖像方法還主要應(yīng)用在靜態(tài)試驗測量中[2]。
2 圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1圖像采集系統(tǒng)軟件方案設(shè)計
2.1.1 系統(tǒng)硬件平臺
在視頻圖像處理領(lǐng)域，作為一個平臺，可編程邏輯器件FPGA已經(jīng)非常適合于高性能低成本的視頻和圖像應(yīng)用。它可以幫助用戶靈活定制系統(tǒng)，縮短產(chǎn)品研發(fā)和更新?lián)Q代的周期，使用戶緊跟技術(shù)和市場發(fā)展潮流[3]。
本系統(tǒng)的核心是FPGA，用的是Altera公司的高端產(chǎn)品，內(nèi)部主要特性有內(nèi)嵌RAM塊、DSP塊、鎖相環(huán)(PLL)和外部的存儲器接口等，，采用了全新的邏輯結(jié)構(gòu)-自適應(yīng)邏輯塊(ALM)，增加了源同步通道的動態(tài)相位對準(zhǔn)(DPA)電路和對新的外部存儲器接口的支持。還可以采用128位AES密鑰對配置文件進(jìn)行加密，保證用戶設(shè)計的安全性[4]。
CMOS傳感器是用來獲取外界圖像數(shù)據(jù)，把模擬圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，由FPGA來控制其工作。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實際效果，可以在軟件上設(shè)置CMOS傳感器的一些參數(shù)，比方說曝光時間等。
DDR2 SDRAM用來存儲采集進(jìn)來圖像數(shù)據(jù)，相對于DDR2，DDR2具有更高的頻寬、更低的功耗、更好的效能，因此，DDR2 SDRAM目前正在取代DDR SDRAM，逐漸成為服務(wù)器、工作站、PC及其它專用系統(tǒng)的主流存儲器配置[5]。
鐵電存儲器FRAM用來存儲系統(tǒng)參數(shù)，主要用來存儲CMOS傳感器的參數(shù)。FRAM是一種非易失性的存儲器，無限次快速擦寫特性使得這種產(chǎn)品十分適合于擔(dān)當(dāng)重要系統(tǒng)里的暫存記憶體。鐵電存貯器的出現(xiàn)為業(yè)界提供了一個高可靠性，而且低成本的方案[6]。
顯示圖像數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)采用LVDS接口進(jìn)行輸出顯示，即低壓差分信號輸出，LVDS技術(shù)是一種低擺幅的通用輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)，滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅且环N滿足當(dāng)今高性能數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的新型技術(shù)[7]。
可以通過上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，配置系統(tǒng)參數(shù)等。
2.1.2 軟件方案設(shè)計
軟件設(shè)計流程圖如下圖所示。
本系統(tǒng)的核心是FPGA，所有的工作都是圍繞FPGA展開的，輸入輸出都是對于FPGA來說的。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)讀寫軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)輸出軟件設(shè)計、異步串行通信軟件設(shè)計四個部分。
(1) 數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)輸入的過程也就是FPGA讀取數(shù)據(jù)的過程，F(xiàn)PGA從CMOS傳感器讀取數(shù)據(jù)，還完成FPGA對CMOS傳感器的時序控制、參數(shù)控制。
CMOS傳感器本省已經(jīng)把模擬的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，F(xiàn)PGA從CMOS傳感器讀取的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。CMOS傳感器的工作時序由FPGA產(chǎn)生，也就是說由FPGA控制CMOS傳感器的工作時序。另外，CMOS傳感器的工作參數(shù)也是由FPGA產(chǎn)生的，比如說曝光時間等，借助于PC機(jī)通過RS-232通訊協(xié)議根據(jù)實際的運(yùn)行效果進(jìn)行在線調(diào)試。
(2) 數(shù)據(jù)讀寫軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)從CMOS傳感器讀進(jìn)來之后，需要把這些數(shù)據(jù)存儲起來，系統(tǒng)采用DDR2 SDRAM，F(xiàn)PGA把讀進(jìn)來的數(shù)據(jù)存儲到DDR2 SDRAM，然后再讀出來輸出，也就是說，DDR2 SDRAM起到緩存的作用。另外，系統(tǒng)還要完成讀寫鐵電存儲器FRAM，系統(tǒng)主要利用FRAM對CMOS傳感器的參數(shù)進(jìn)行配置，即FPGA事先把參數(shù)存儲到FRAM中，然后根據(jù)系統(tǒng)需要，再把這項參數(shù)數(shù)據(jù)讀出來，配置CMOS傳感器。
(3) 數(shù)據(jù)輸出軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)的輸出部分，也就是顯示圖像部分，顯示器的工作時序由FPGA產(chǎn)生，也就是產(chǎn)生像素頻率、行頻率、場頻率，根據(jù)這些時序輸出數(shù)據(jù)。而且顯示的圖像是灰度圖像。
(4) 異步串行通信軟件設(shè)計
異步串行通信軟件設(shè)計部分，實際上是FPGA和PC機(jī)之間通過RS-232串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也就是說通過PC機(jī)可以往FPGA里傳輸數(shù)據(jù)，還可以接受FPGA傳輸過來的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)通過PC機(jī)在線調(diào)試本系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用RS-232串口通信協(xié)議的主要目的是配置CMOS傳感器。
3 應(yīng)用與實驗
3.1數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計思想的驗證
上圖是通過Quartus II內(nèi)嵌的SignalTap II對CMOS傳感器的工作情況進(jìn)行的在線邏輯分析驗證的結(jié)果，通過計算機(jī)可以看到FPGA和CMOS傳感器之間的關(guān)聯(lián)信號時序是否正確。其中，D_D就是FPGA從CMOS傳感器讀進(jìn)來的一百位數(shù)據(jù)，表示十個像素，CMOS傳感器把采集進(jìn)來的模擬圖像數(shù)據(jù)變成了數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。驗證了數(shù)據(jù)輸入軟件設(shè)計思想的正確性。
3.2異步串行通信軟件設(shè)計思想驗證
把寫好的異步串行通信軟件的代碼下載到FPGA后，在上位機(jī)上打開串口調(diào)試助手，向FPGA發(fā)送“11H 01H 30H”三個八位數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA也返回同樣的三位數(shù)據(jù)，驗證了異步串行通信軟件設(shè)計思想的正確性。能對系統(tǒng)的曝光時間進(jìn)行在線設(shè)置。
4 結(jié)論
研究的系統(tǒng)為圖像采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)研究該系統(tǒng)的軟件編程部分，在硬件電路搭建好的基礎(chǔ)上研究圖像采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，在硬件上系統(tǒng)主要由FPGA、CMOS傳感器、DDR2 SDRAM、鐵電存儲器FRAM、顯示器幾個部分構(gòu)成，系統(tǒng)的核心是FPGA，在功能上實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示以及能夠通過上位機(jī)進(jìn)行在線配置系統(tǒng)參數(shù)。所提出的軟件設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。
