雙CMOS圖像傳感器的抗暈光圖像采集系統設計

2 系統硬件設計
本抗暈光圖像采集系統是由圖像采集和圖像處理組成。其中，圖像采集部分由兩路OV7620圖像傳感器實(shí)現；圖像處理則由TMS320C6414實(shí)現。EPM3128通過(guò)編程設置輸出每個(gè)存儲器地址。其系統框圖如圖1所示。

2．1 圖像采集部分
在抗暈光圖像采集系統中，TMS320C6414通過(guò)通用GPIO端口模擬I2C總線(xiàn)，設置OV7620的內部寄存器參數．使其完成相應功能。OV7620可提供00H～7CH共125個(gè)寄存器，用于控制傳感器，可設置傳感器的快門(mén)方式、積分時(shí)間、A／D轉換器工作特性、伽馬校正和開(kāi)窗口位置、輸出數據格式、幀頻、像素時(shí)鐘等參數。其中，直接影響像元積分時(shí)間的寄存器為曝光量控制寄存器、時(shí)鐘預分頻器寄存器和幀頻調整寄存器。OV7620通常默認為I2C總線(xiàn)上的主器件，可將寄存器29的第6位置1，將其改為I2C總線(xiàn)的從器件，因此，I2C總線(xiàn)的主器件TMS320C6414可對0V7620寫(xiě)操作。當TMS320C6414的引腳SBB為低電平，才能完成I2C總線(xiàn)初始化，此時(shí)OV7620作為從器件，支持400 Kbit／s的7位地址數據傳輸協(xié)議。將OV7620內部寄存器28的第5位置1即為逐行掃描方式；寄存器13、14的第5位置0即16位的YUV422-640x480像素的數字圖像數據(高8位為亮度信號，低8位為色度信號)；輸出設置25幀／s。OV7620的視頻時(shí)序電路產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步、混合視頻同步等同步信號和像素時(shí)鐘等內部時(shí)鐘信號，EPM3128根據這些同步信號確定圖像的讀寫(xiě)操作以及相關(guān)處理。本系統采用單幀圖像數據輸出處理方式。EPM3128通過(guò)I／O端口將IS6lLV51216的引腳CE、WE、LB、UB置為低電平，OV7620則將16位圖像數據輸入至IS6lLV51216。OV7620的內部控制位SRAM信號為高電平表示處于外部RAM狀態(tài)，此時(shí)所有的數據總線(xiàn)變?yōu)槿龖B(tài)并準備發(fā)送數據。OV7620向外部SRAM輸出單幀圖像數據的時(shí)序圖如圖2所示。首先判斷傳感器的內部控制位SRAM，當SRAM為高時(shí)OV7620進(jìn)入外部RAM，接著(zhù)通過(guò)EPM3128發(fā)送初始化脈沖至AGCFN來(lái)獲得一幀數據。但由圖2看出移出的數據并不完全是有效圖像數據，有效圖像數據是由HREF(水平參考輸出)、VSYNC(場(chǎng)同步信號)共同確定。因此需判斷VSYNC是否為1且HREF上升沿是否到來(lái)。如果是上升沿則表明傳感器開(kāi)始輸出有效數據。當HRFF=l時(shí)，像素時(shí)鐘PCLK計數，并把計數值傳輸至外部SRAM的地址總線(xiàn)，同時(shí)將OV7620輸出的圖像數據DATA傳輸給SRAM的數據總線(xiàn)，對外部SRAM寫(xiě)操作；當HRFF=O時(shí)，計數暫停。OV7620發(fā)送完一幀數據后VSYNC=0，因此，可通過(guò)判斷VSYNC是否為O來(lái)停止計數器計數并結束圖像采集。

2．2 圖像處理部分
TMS320C6414是TI公司推出的一款高性能數字處理器，具有強大的硬件結構和軟件系統，可適用于抗暈光圖像采集系統。TMS320C6414的L2容量為l024KB，通過(guò)cache配置寄存器(CCFG)的L2MODE字段把L2配置為第5種模式，即把片內SRAM設置為768 KB。TMS320C6414經(jīng)EMIFA端口，以EDMA方式將圖像數據同步讀入內部SRAM。增強型直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(EDMA)用于實(shí)時(shí)圖像數字信號處理，可在CPU后臺完成存儲空間中的數據轉移，把外部存儲器中的圖像數字信息快速、高效地傳輸到DSP內部SRAM中。設置EER控制寄存器的EVT4位為l，即采用EDMA的第4通道(EDMA4)采集圖像數據。該通道配置為32位傳輸方式，每次中斷搬移一幀圖像數據存入內部SRAM。為了同步采樣，第一路OV7620的SRAMl和VSYNCl可通過(guò)與非門(mén)控制兩路OV7620同步采樣并分別存儲到各自連接的IS6lLV51216中；VSYNCl下降沿標志OV7620一幀圖像數據輸出結束，VSYNCl經(jīng)反向器接至TMS320C6414的AF5引腳觸發(fā)EDMA4中斷，并同時(shí)讀取IS6lLV51216中存儲的圖像數據。CPU采用閾值化分割算法來(lái)處理圖像信息。在TMS320C6414控制下同步進(jìn)行圖像信息的傳輸和處理，完全滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)要求。TMS320C6414外接40 MHz的晶體振蕩器，CLOKMODE[l：0]設置為10，使其內部頻率高達480 MHz。DSP通過(guò)I／O端口檢測OV7620的同步信號VSYNC、CHSYNC以及像素時(shí)鐘PCLK，保證DSP能夠準確讀取OV7620輸出的數字圖像數據。在同步信號和像素時(shí)鐘的干預下保存采集的數字圖像數據，保證傳輸數字圖像的完整性。圖3所示為第一路圖像采集系統硬件電路圖。

3 系統軟件設計
在CCS(Code Composer Studio)編譯環(huán)境下，采用C語(yǔ)言和線(xiàn)性匯編進(jìn)行編程。計算機通過(guò)JTAG接口把編譯成功的系統程序寫(xiě)到外部Flash中，使軟件在硬件平臺上高速、穩定、可靠運行。系統軟件設計流程如圖4所示。

TMS320C6414采用閾值化分割算法，即把第一路OV7620的曝光時(shí)間設定為1／50 s，將采集到的圖像信息存儲到存儲器1中(通過(guò)EPM3128設置存儲器l的地址最高位為0，即為0XXXXXXXXXXXXXXXXX)；把第二路OV7620的曝光時(shí)間設定為l／l 000 s，把采集到的圖像信息存儲到存儲器2中(通過(guò)EPM3128設置存儲器2地址的最高位為1，即為lXXXXXXXXXXXXXXXXXX)。兩路OV7620在TMS320C6414控制下同步采樣同一景物，并設置亮度閾值為245。TMS320C6414從存儲器l中依次讀取每一個(gè)存儲單元的數值并判斷其亮度值。如果該像素點(diǎn)的亮度值小于245，無(wú)暈光，則把該像素值和地址值暫存到DSP內部的SRAM中；如果該像素點(diǎn)的亮度值大于或等于245，并有暈光產(chǎn)生，則丟棄該存儲單元數據，而從存儲器2對應地址(0XXXXXXXXXXXXXXXXX換成lXXXXXXXXXXXXXXXXX)單元中讀取像素值和地址值。存儲完一行像素后。判斷所有像素地址的起始位是否為l。若起始位為l，說(shuō)明有暈光產(chǎn)生。此時(shí)取該像素值以及前后各3個(gè)像素值，共7個(gè)像素值求平均值，把平均值代替該像素值，直到該行像素處理完后輸出；若起始位不為l，說(shuō)明無(wú)暈光產(chǎn)生，直接輸出像素值。若暈光在一幀圖像的開(kāi)頭或者結尾產(chǎn)生，則只取符合條件的像素值求平均值。該算法可以根據具體采樣的不同信息自由設置閾值大小，求平均值像素的總數，具有良好的靈活性。
采用索尼DCR―DVD808E數碼攝像機及Plink數據采集卡，通過(guò)PC機采集單幅靜止圖像。第一次實(shí)驗，相機曝光時(shí)間設定l／50 s的采集圖像，汽車(chē)車(chē)燈亮度較強，產(chǎn)生暈光，所以無(wú)法分辨車(chē)燈外部輪廓以及車(chē)牌號，而光線(xiàn)相對較暗的遠處人群可以看見(jiàn)；第二次試驗，相機曝光時(shí)間調整為1／1 000 s的采集圖像，亮度較強的車(chē)燈外部輪廓以及車(chē)牌號均可見(jiàn)，而遠處人根本看不見(jiàn)。利用MATLAB對兩幅圖像進(jìn)行閾值化分割算法仿真，閾值設為245，經(jīng)過(guò)處理后的整體圖像比較清晰達到預期效果。圖5所示為MATLAB仿真圖。

4 結語(yǔ)
抗暈光采集系統在交通安全方面徹底消除汽車(chē)行車(chē)時(shí)產(chǎn)生的暈光，大大減少交通事故的發(fā)生，從而保障人民生命財產(chǎn)安全。而在工業(yè)電弧焊機焊接方面，該系統不但可以保護操作人員的身體健康，而且還大大提高焊接質(zhì)量。因此，抗暈光采集系統的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。