基于CMOS圖像傳感器的嵌入式圖像采集與格式轉化

摘要： 開(kāi)發(fā)了一種基于CMOS圖像傳感器的嵌入式圖像采集系統。該系統實(shí)現了圖像有效采集傳輸的功能，將采集到的Bayer格式數據轉化為RGB格式，采用嵌入式系統有利集成化、小型化設計。

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器件，可以實(shí)現信息的獲取、轉換以及視覺(jué)功能的擴展，并且還可以給出直觀(guān)、真實(shí)、多層次、內容豐富的可視圖像信息。CMOS圖像傳感器自上世紀70年代開(kāi)始研制，但由于工藝上的原因，一直因為光照度靈敏度低、噪聲高、圖像分辨率低等缺點(diǎn)而沒(méi)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、模數轉換器等，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(zhù)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)。

　　在本系統的設計中，應用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)現嵌入式圖像采集系統。該系統將采集到的圖像，經(jīng)DSP進(jìn)行格式轉化后傳輸到顯示器上進(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)。

系統設計

　　本圖像采集系統主要由CMOS圖像傳感器，DSP及處理電路組成。其采用的具體實(shí)現方案是當CMOS圖像傳感器被配置好，收到開(kāi)始采集的信號后，開(kāi)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化、處理和顯示做好準備。DSP將CMOS圖像傳感器采集到的圖像數據存入片外存儲器SDRAM中，以便進(jìn)行處理，并根據具體的圖像識別算法要求，進(jìn)行數據的處理，并將結果傳輸到顯示器上進(jìn)行顯示。其系統框圖如圖1所示。

圖1  系統框圖

　　CMOS圖像傳感器

　　本系統選用的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。

　　芯片可以在其默認的模式下工作，也可以由用戶(hù)自己編程設計幀大小、曝光時(shí)間、增益或者其他參數。在默認模式下，輸出一幅QXGA圖像(2048×1536)其速度可達12幀每秒，輸出一幅VGA圖像(640×480)其速度可達93幀每秒。片上集成10bit模數轉換器，行同步LINE_VALID和幀同步信號FRAME_VALID有專(zhuān)用的輸出引腳，同像素時(shí)鐘PIXCLK一樣，與有效數據同步。芯片內部還集成了放大器、時(shí)鐘控制電路(反相，相位調節)、圖像大小調節、圓點(diǎn)定位、白平衡調節、曝光調節、幀速率調節等眾多功能電路，并且所有這些控制都通過(guò)一個(gè)串行總線(xiàn)口進(jìn)行操作(SCLK和SDATA)。
在本系統中選擇高像素的CMOS圖像傳感器，可直接將采集到的圖像信息轉換成數字信號輸出，省去了模數轉換器的使用，有效地簡(jiǎn)化了系統的硬件設計，并且由于本系統應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)化后續的圖像處理。
　　
　　DSP主處理器

　　在本系統設計中，采用嵌入式系統對傳統的光學(xué)顯微鏡的觀(guān)察方式進(jìn)行一定的改進(jìn)，采用高速數字信號處理器完成圖像的處理，傳輸等功能，有效的減小了儀器的體積，便于系統的集成化和小型化設計。在DSP的選擇上，本系統選用TI公司C6000系列的TMS320DM642型數字多媒體處理器。這是一款高性能DSP，基于C64x內核，擴展的高級甚長(cháng)指令字體系結構，具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨立計算功能單元，其中包括兩個(gè)乘法器和六個(gè)算術(shù)邏輯單元，可以并行運行，因此可同時(shí)執行多條指令。DM642采用兩級緩存結構，64個(gè)獨立通道的EDMA控制器。此外，DM642還具有豐富的外圍設備接口。

　　在本系統工作時(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，采用外部?jì)却娼涌?EMIF)實(shí)現與Flash和SDRAM的數據存儲，交換。同時(shí)，使用DSP作為處理器也可以為后續的識別算法做一定的準備。

系統采集程序

　　在本系統中，單幀圖像采集的過(guò)程如下：系統上電后，程序從Flash自舉，從而完成程序的導入及初始化工作。DSP通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)出信號，對CMOS圖像傳感器進(jìn)行配置，當CMOS圖像傳感器開(kāi)始工作后，將采集到的圖像信息轉化為數字信號，送入處理器DM642,圖像數據首先存入DM642視頻口的FIFO，當達到FIFO內設定的閾值時(shí)，DSP發(fā)出信號啟動(dòng)EDMA通道，對FIFO中的圖像數據進(jìn)行搬運，將其存入SDRAM中，再由DSP對SDRAM中的圖像數據進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將處理后的圖像數據送入SDRAM的另一地址區域，發(fā)出啟動(dòng)信號令EDMA將處理后的圖像數據運送到輸出視頻口的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。

圖像格式轉化算法設計

　　本系統所選用的是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，即奇數掃描行分別采集和輸出R、G、R、G……，偶數行分別采集和輸出G、B、G、B……，其一般格式如圖2所示。

圖2  Bayer格式示意圖

　　CMOS圖像傳感器光敏區域內的每個(gè)像素點(diǎn)對應一種色光，其中，R感應紅光，G感應綠光，B感應藍光。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。因為G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。