閔志盛

（重慶大學 光電工程學院，重慶 400030）

隨著數(shù)碼相機技術的快速發(fā)展，數(shù)字成像系統(tǒng)已經廣泛應用于工業(yè)檢測、公共安全以及生活的各個方面[1-3]。數(shù)字成像系統(tǒng)利用圖像傳感器獲取圖像信息，經過處理之后形成數(shù)字圖像和視頻。數(shù)字成像系統(tǒng)通?？煞譃槎ń钩上裣到y(tǒng)和變焦成像系統(tǒng)，變焦成像系統(tǒng)使用變焦距鏡頭，從而通過對鏡頭的控制實現(xiàn)對不同物距下的景物成像[4]。

1 系統(tǒng)設計

變焦成像系統(tǒng)由鏡頭部分、圖像采集部分、微處理器以及存儲顯示部分組成，整個系統(tǒng)的結構原理框圖如圖1所示。景物通過鏡頭成像在CMOS圖像傳感器上，像素單元的電荷信號經處理并A/D轉換后成為數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用DaVinci系列DM6446微處理器，CMOS獲取的圖像信號通過視頻輸入接口進入視頻處理前端，在DM6446處理后由視頻處理后端將圖像顯示在TFT-LCD上。系統(tǒng)的鏡頭部分采用變焦距光學鏡頭，通過對鏡頭中電機的控制改變其組合焦距。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 圖像采集部分

圖1 系統(tǒng)結構原理框圖Fig.1 Structure principle diagram of the system

成像系統(tǒng)的圖像采集由圖像傳感器實現(xiàn)，而圖像傳感器分為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。本系統(tǒng)的圖像采集部分采用OmniVision公司的彩色CMOS傳感器OV7620，該芯片高度集成了全部攝像功能，感光陣列大小為664×492，其內部結構如圖2所示。

OV7620能夠在分辨率664×492下以60幀/s的速度捕捉圖像，它集成了幀（行）控制電路、視頻時序產生電路、模擬信號處理電路、A/D轉換電路、數(shù)字信號輸出電路及IIC編程接口。其中感光陣列得到原始的彩色圖像信號；模擬處理電路完成諸如顏色分離與均衡、增益控制、白電平調整等信號的處理工作；輸出電路根據(jù)需要輸出多種標準的視頻信號；視頻時序產生電路用于產生行/場同步、混合視頻同步等同步信號以及像素時鐘信號。

圖2 OV7620的結構框圖Fig.2 Structure diagram of OV7620

本系統(tǒng)利用OV7620主模式，該模式下芯片提供HSYNC、VSYNC輸出，同時設置數(shù)據(jù)輸出格式為RGB原始數(shù)據(jù)。當OV7620采集啟動之后，場同步信號VSYNC上升沿的到來表示一場的開始，當水平同步信號HREF處于有效狀態(tài)時，圖像數(shù)據(jù)在像素時鐘PCLK的上升沿不斷地送到輸出端口上。

2.2 變焦距鏡頭

變焦距鏡頭是指焦距在一定范圍內連續(xù)改變而像面保持不變的光學系統(tǒng)，它是變焦成像系統(tǒng)中不可或缺的一部分[5-6]。本系統(tǒng)采用的變焦距鏡頭能夠實現(xiàn)3倍光學變焦，其內部的鏡頭單元可分為變焦鏡頭和對焦鏡頭，如圖3所示。除此以外，鏡頭中還包含微型馬達電機、光電傳感器、凸輪機構、齒輪傳動機構等組成單元。微型馬達與齒輪、凸輪機構控制鏡頭單元在中心軸線上運動，其中控制變焦鏡頭的叫做變焦電機，控制對焦鏡頭的叫做對焦電機。變焦電機和對焦電機在鏡頭中的位置狀態(tài)通過光電傳感器獲得，從而使得處理器能對鏡頭單元進行位置控制。本系統(tǒng)利用MSP430單片實現(xiàn)對鏡頭的電機控制、傳感器信號讀取。

圖3 變焦鏡頭的鏡頭單元Fig.3 Lens unit of zoom lenses

2.3 DM6446微處理器

本系統(tǒng)采用DM6446微處理器，其內部集成TMS320C64+DSP核和ARM926EJ-S核，同時它還包含一個視頻處理子系統(tǒng)[7]。DM6446的視頻處理子系統(tǒng)分為視頻處理前端（VPFE）和視頻處理后端 （VPBE），VPFE完成視頻/圖像信號的采集，VPBE負責視頻/圖像信號的顯示，結構原理框圖如圖4所示。

VPFE由CCD控制器（CCDC）、預覽引擎、圖像大小調整器、硬件3A（H3A）統(tǒng)計發(fā)生器以及柱狀圖模塊組成。所有這些模塊組成了一個強大而靈活的前端接口。VPBE由屏幕顯示（OSD）模塊、視頻編碼器（VENC）和數(shù)字 LCD控制器（DLCD）組成。本系統(tǒng)中CMOS輸入圖像數(shù)據(jù)格式為Raw格式，顯示輸出數(shù)據(jù)為RGB格式。

圖4 視頻處理子系統(tǒng)結構原理框圖Fig.4 Structure diagram of the video processing subsystem

2.4TFT-LCD模塊

本系統(tǒng)采用SHARP公司的LQ057Q3DC02液晶顯示模塊實時顯示圖像，它包含一個彩色TFT-LCD面板、驅動電路、控制單元、電源以及一個背光板單元。LQ057Q3DC02顯示的圖像大小為320×240，數(shù)據(jù)信號的寬度為18 bit。VPBE為TFT-LCD模塊提供時鐘信號、行/場同步信號、RGB圖像信號及其他控制信號。

2.5 電平轉換模塊

由于DM6446處理器的接口電平為1.8 V，而A/D轉換后的圖像信號電平和TFT-LCD接口電平都為3.3 V，因此需要對信號輸入接口和輸出接口進行電平轉換。電平轉換通常采用專門的電平轉換芯片，但本系統(tǒng)中1.8 V與3.3 V之間的電平轉換利用CPLD來實現(xiàn)。由于CPLD的可編程陣列邏輯為B1和B2兩部分，因此對這兩個部分分別供1.8 V和3.3 V，這樣就實現(xiàn)了B1和B2兩部分的I/O輸入/輸出電平為1.8 V和3.3 V。通過對CPLD的編程，就能夠實現(xiàn)本系統(tǒng)中1.8 V與3.3 V之間的電平轉換。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 CMOS圖像傳感器配置

利用SCCB總線接口可以對CMOS圖像傳感器提供的內部寄存器進行參數(shù)配置，從而實現(xiàn)對OV7620工作方式的有效控制。本系統(tǒng)利用MSP430單片機完成OV7620的配置工作，采用單片機的普通I/O口模擬串行總線來實現(xiàn)工作參數(shù)的配置。

在MSP430單片機P1口的兩個端口設置為輸出，其中一個用于模擬串行時鐘SIO-1，另一個用于模擬串行數(shù)據(jù)SIO-1。在編程實現(xiàn)時，通過延時操作改變SIO-1端口輸出電平模擬串行時鐘，同時在SIO-1為高電平時，將配置數(shù)據(jù)寫到SIO-1端口上。這樣通過先寫寄存器地址再寫寄存器數(shù)據(jù)，就能夠實現(xiàn)對OV7620的參數(shù)配置。

3.2 圖像采集與顯示

VPFE接收像素時鐘信號，同時根據(jù)圖像傳感器的工作時序配置HD_VD_WID寄存器，從而接收行/場同步信號HD和VD。CCDC模塊完成圖像采集工作，它提供了一個連接圖像傳感器和數(shù)字視頻源的接口，數(shù)據(jù)通過CCDC送入后續(xù)處理模塊或者異步外部存儲器接口進行存儲。為了使CCDC能夠進行圖像采集，在SYN_MODE寄存器中將數(shù)據(jù)接口配置成隔行掃描的8 bit寬度的RAW格式數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中將CCDC采集到的圖像數(shù)據(jù)直接放入DDR中存儲，因此將SYN_MODE.WEN設置為1，同時在SDR_ADDR中設置圖像數(shù)據(jù)的存儲地址。

VPBE中OSD模塊將視頻數(shù)據(jù)和顯示/位圖數(shù)據(jù)整合后，以YCbCr形式提供給VENC，它提供兩個視頻窗口和兩個OSD窗口用以顯示圖像。本系統(tǒng)將OSD的視頻窗口0作為圖像實時顯示窗口，VIDWIN0ADR寄存器配置成圖像數(shù)據(jù)的存放地址，使得OSD從DDR中獲取圖像數(shù)據(jù)。DLCD控制器為TFT-LCD提供工作時序，通過VMOD寄存器將數(shù)字視頻輸出格式配置成逐行掃描的并行RGB模式，從而滿足TFTLCD的數(shù)據(jù)接口要求。

3.3 鏡頭控制

本系統(tǒng)在圖像傳感器上采用變焦距光學鏡頭，當變焦鏡頭從廣角端向遠角端移動時，變焦鏡頭的組合焦距發(fā)生改變，為了在圖像傳感器上成清晰的像，需要移動對焦鏡頭到對焦位置。本系統(tǒng)中鏡頭的控制包括變焦鏡頭的控制和對焦鏡頭的控制，其中變焦鏡頭通過按鍵的方式實現(xiàn)鏡頭的伸縮，對焦鏡頭則通過圖像的清晰與否來進行精確控制。鏡頭控制流程圖如圖5所示。

圖5 鏡頭控制流程圖Fig.5 Flow chart of lens control

4 結 論

利用DM6446處理器進行變焦成像系統(tǒng)設計，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件設計。該系統(tǒng)由變焦距鏡頭、CMOS圖像傳感器電路、DM6446處理器以及TFT-LCD組成。同時，系統(tǒng)在圖像傳感器上采用變焦距光學鏡頭進行成像，通過對鏡頭的控制能夠實現(xiàn)對不同物距下景物的清晰成像。本系統(tǒng)可應用于視頻監(jiān)控、數(shù)碼成像等領域，具有廣泛的應用性。

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