高帧频CMOS相机图像处理系统设计

摘要

高帧频相机能够对高速运动物体进行捕获、记录，通过分析视频信息可以研究物体的运动规律和和细节信息，它被广泛应用于航空、航天及兵器等领域。本文以某型战机舱室仪表和舱外导弹发射状态监控为背景，针对拍摄过程存在帧频高、图像噪声大、数据量大等问题，设计了一种高帧频相机图像处理系统。
　　 本文重点研究内容包括三部分：高帧频图像采集单元、图像预处理单元和视频图像编码压缩单元。
　　 高帧频图像采集单元采用Cypress公司高速CMOS图像传感器LUPA-300，控制单元采用XILINX公司的FPGA，利用Verilog硬件描述语言编写程序，采用了自顶向下的设计方法，设计了三个模块，分别为CMOS图像传感器配置模块、图像缓存模块和CameraLink传输接口模块。每个功能模块独立设计，通过项层模块连接，并在Modelsim软件中进行仿真。
　　 图像预处理单元主要分析CMOS图像传感器所成图像噪声特性，研究了消除CMOS图像传感器固定模式噪声的算法和分段两点非均匀校正算法，改进了传统的中值滤波算法，利用Verilog硬件描述语言编制了中值滤波程序，并在FPGA中实现中值滤波算法的硬件执行。
　　 图像编码压缩单元主要研究了基于MPEG-4标准的视频编码压缩算法。运用视频管理器VCM控制编码器，消除图像的空间冗余和时间冗余信息，利用VC++语言编写了视频编码压缩程序。
　　 最终建立了图像处理系统，实验表明该系统在时钟50MHz，最大分辨率640×480情况下，拍摄速度可以达到每秒155帧，通过预处理能够有效消除图像噪声，通过视频压缩管理器VCM实现了基于MPEG-4的视频编码压缩。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 图像采集技术的国内外研究现状

1.2.2 图像预处理技术的国内外研究现状

1.2.3 图像编码压缩技术国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容与章节安排

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 章节安排

2 高帧频CMOS图像处理系统总体设计

2.1 高帧频相机图像处理系统组成

2.2 系统性能与技术指标

2.3 系统的整体设计方案

2.4 系统主要器件选型

2.4.1 图像传感器

2.4.2 控制与处理芯片

2.4.3 高速图像传输接口

2.5 系统软件设计方案

2.6 本章小结

3 高帧频图像采集单元设计

3.1 CMOS图像采集系统主要硬件组成

3.2 CMOS图像传感器LUPA-300主要性能与时序

3.2.1 CMOS图像传感器LUPA-300的主要特点

3.2.2 CMOS图像传感器LUPA-300内部状态寄存器

3.2.3 CMOS图像传感器LUPA-300工作时序设计

3.3 FPGA及其开发环境ISE

3.4 Camera Link接口协议

3.4.1 Camera Link接口相关信号

3.4.2 Camera Link构架

3.5 图像采集单元软件设计

3.5.1 CMOS图像传感器配置模块的软件设计

3.5.2 图像缓存模块的软件设计

3.5.3 Camera Link传输接口模块的软件设计

3.6 图像采集单元实验与分析

3.6.1 主要模块仿真实验

3.6.2 测量帧有效信号

3.6.3 采集图像信息

3.7 本章小结

4 高帧频图像预处理

4.1 图像滤波

4.2 中值滤波算法的改进及其FPGA实现

4.2.1 改进的中值滤波算法

4.2.2 中值滤波算法的FPGA实现

4.3 CMOS图像传感器固定模式噪声的滤除

4.3.1 固定模式噪声及其产生的原因

4.3.2 固定模式噪声数学模型

4.3.3 消除固定模式噪声算法

4.3.4 计算复杂性讨论

4.4 图像的非均匀性校正

4.4.1 CMOS图像传感器成像非均匀性及其产生的原因

4.4.2 CMOS图像传感器成像非均匀性校正

4.5 图像预处理效果及分析

4.5.1 中值滤波处理效果及分析

4.5.2 固定模式噪声滤除效果及分析

4.5.3 非均匀校正效果及分析

4.6 本章小结

5 基于MPEG-4和VCM的视频编码压缩

5.1 图像编码压缩技术研究

5.1.1 视频图像编码压缩的必要性与可能性

5.1.2 视频编码原理

5.1.3 常用视频图像编码标准

5.1.4 MPEG-4视频编码标准研究

5.1.5 基于Windows操作系统的视频压缩

5.2 基于视频压缩管理器VCM视频压缩技术

5.2.1 VCM原理

5.2.2 常用的视频压缩插件

5.2.3 CODEC插件的注册

5.3 基于VCM的视频压缩

5.3.1 枚举视频编码器

5.3.2 打开选定的编码器

5.3.3 查询编码器

5.3.4 设置编码器属性

5.3.5 编码器的控制

5.3.6 关闭视频编码器

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录