基于TMS320DM6446高清图像采集系统的研究

论文摘要

本文研究了500万像素的电荷耦合器件（Charge Couple Device,CCD）驱动电路,设计了一种和传统模拟图像采集方式不同的高清数字图像采集系统,该系统可用于目标距离变化、对分辨率要求较高的图像处理场合来实现活动目标的清晰捕获以及提取、识别等功能。由于高清采集系统的关键部件有镜头、CCD和处理器平台,本文首先从CCD内部结构的层次讲述了CCD动作原理,像素结构以及CCD的噪声模型,然后介绍了本系统采用的500万像素彩色CCD-RJ23S3CA0ET的功能,并对其驱动控制芯片LR38667的内部驱动原理及外电路的设计做了比较详细的介绍,接着对变焦镜头光学设计的原理也做了简单介绍。由于变焦镜头是光电机一体化的仪器,驱动控制比较复杂,本文在研究了变焦镜头透镜组的光路后,对控制镜头焦距的微型直流电机和控制对焦的微型步进电机的驱动也做了一些探讨。本高清采集系统的主处理器平台采用德州仪器（Texas Instrument,TI）公司达芬奇（Davinci）,使得整个高清采集系统的功能变得很强大。文中主要研究了Davinci硬件平台的搭建,其中涉及到高达135Mhz的DDRII储存系统的设计。由于Davinci外设非常丰富,本文仅从原理和驱动的设计上重点研究了驱动320×240分辨率真彩屏的显示模块视频处理端口后端（Video Processing Back End,VPBE）,采集高像素图像的CCD控制器模块,带白平衡、伽马校正,色彩空间转换、黑电平补偿,低通滤波等一系列硬件加速功能的预览引擎模块,H3A（自动对焦、自动曝光和自动白平衡）中的自动对焦模块,以及数据存储方面的SD卡存储控制器模块。系统软件的功能也很复杂,本文在总体的软件架构设计上仅简单介绍了Linux架构下Davinci的流媒体架构以及高清采集系统的内存模型,对设备驱动中底层的配置做了一些的研究,为后续开发做了一些基础性的铺垫。在这平台上,本文还开展了清晰度评价函数的研究,提出了一种基于原始（Raw）格式图像数据,结合能量梯度算子的清晰度评价函数,用于建立自动对焦的目标函数。总的来说,比传统模拟视频的采集方案相比,本采集系统有像素高,成本低的优势,具有很好的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究内容
• 1.4 本文安排
• 2 CCD 图像传感器及驱动电路的设计
• 2.1 CCD 动作原理
• 2.1.1 光电转换
• 2.1.2 电荷的存储
• 2.1.3 电荷的转移
• 2.1.4 电荷的检测
• 2.2 无法避免的噪声
• 2.2.1 随机噪声
• 2.2.2 固定图形噪声
• 2.3 图像传感器选型及驱动电路的设计
• 2.3.1 图像传感器选型
• 2.3.2 LR38667 驱动控制芯片
• 2.4 CCD 图像传感器电源设计
• 2.5 本章小结
• 3 变焦镜头及驱动电路的设计
• 3.1 变焦镜头的光学问题
• 3.2 本镜头的光学结构
• 3.3 镜头的机械结构与功能
• 3.4 变焦（Zoom）控制原理
• 3.5 对焦（Focus）的控制原理
• 3.6 机械快门（M-Shutter）的控制
• 3.7 光圈（IRIS）的控制
• 3.8 本章小结
• 4 高清采集系统的总体集成
• 4.1 总体集成的方案
• 4.2 主处理器 Davinci 平台
• 4.2 1 视频处理前端（VPFE）模块
• 4.2.2 VPBE 模块
• 4.2.3 内存控制模块
• 4.2.4 安全数字卡（SDCard）模块
• 4.2.5 复位电路
• 4.3 MCU（单片机）控制系统
• 4.3.1 MSP430 低功耗工作原理及应用特征
• 4.3.2 MSP430 单片机对驱动芯片的配置
• 4.3.3 MSP430 单片机对镜头的控制
• 4.4 MSP430 与 Davinci 的通讯
• 4.5 本章小结
• 5 软件系统及算法设计
• 5.1 概述
• 5.2 内存结构分配
• 5.3 变焦跟踪算法的研究
• 5.3.1 常用的变焦跟踪算法
• 5.3.2 图像评价函数
• 5.4 本章小结
• 6 实验结果及分析
• 7 工作总结及展望
• 7.1 工作总结
• 7.1.1 硬件方面的工作
• 7.1.2 软件及算法方面的工作
• 7.2 存在问题和系统展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 攻读硕士学位期间作者发表的学术论文情况
• B. 500 万 CCD 电路板及 Davinci 板