发布时间：2015-08-13所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 随着科技的不断发展，对于现在电子产品的也不断更新使用。同时对图片的要求也就大大提高。什么的技术是第图片处理上占有更好的优势呢?同时本文针对图像采集系统软件设计以及对图片处理的 应用与实验等方面做了详细的研究分析。本文文章选自《计算机应用研究
随着科技的不断发展，对于现在电子产品的也不断更新使用。同时对图片的要求也就大大提高。什么的技术是第图片处理上占有更好的优势呢?同时本文针对图像采集系统软件设计以及对图片处理的 应用与实验等方面做了详细的研究分析。本文文章选自《计算机应用研究》,《计算机应用研究》反映并涵盖了当今国内外计算机应用研究的主流技术、热点技术及最新发展趋势，是一份极具收藏价值的技术刊物，《计算机应用研究》编辑部审稿周期为2个月，逾期未收到任何用稿通知，请联系编辑部查询。复合影响因子为1.062，综合影响因子为0.455。
摘要：21世纪是一个充满信息的时代，图像作为人类感知世界的视觉基础，是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。数字图像处理[9]，即用计算机对图像进行处理，其发展历史并不长。数字图像处理技术源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，采用了数字压缩技术。首先数字图像处理技术可以帮助人们更客观、准确地认识世界，人的视觉系统可以帮助人类从外界获取3/4以上的信息，而图像、图形又是所有视觉信息的载体，尽管人眼的鉴别力很高，可以识别上千种颜色，但很多情况下，图像对于人眼来说是模糊的甚至是不可见的，通过图象增强技术，可以使模糊甚至不可见的图像变得清晰明亮。
关键词：图像采集,系统软件,软件设计
Abstract: the 21st century is an era full of information, the image as a foundation for human perception of world vision, is human to obtain information, express information and an important means of passing information. Digital image processing [9], which USES the computer for image processing, its development history is not long. Digital image processing technology is the result of the 1920 s, when from London to New York by submarine cable transmission a photograph, adopted digital compression technology. First digital image processing technology can help people more objectively and accurately know the world, people can help the human visual system from the outside world for more than three quarters of the information, and images, graphics, is the carrier of all the visual information, in spite of the high flair of the human eye can identify thousands of colors, but in many cases, the image is blurred even invisible to the human eye, through the image enhancement technology, can make the fuzzy even invisible image is clear and bright.
Keywords: image acquisition, the system software, the software design
1引言
随着科学技术的飞速发展，人们对跟踪运动物体的实时性以及清晰度的要求越来越高。比方说人们需要知道运动员在运动过程中的图像信息，便于分析运动员的动作细节，就要得到运动员在运动过程中清晰图像。这些都要求有获取飞行物体的图像信息的工具，于是各种各样的图像采集系统诞生了[1]。
提出了一种基于FPGA的图像采集系统软件设计方案，可以清晰的拍摄物体在运动中的图像信息，而且该系统可以应用在特殊的场合，区别于其它同类图像采集系统。由于本系统是针对某些具体的应用场合，所以大大节约了成本，不必花高成本从国外购买可以实现相同功能的同类产品，同时也提高了该产品保密性。
国外在图像应用方面的研究工作开展较早，尤其在图像传感技术和相机的研究和图像获取方面，已应用在社会生活的各个领域，比方说用NBA赛场，拍摄运动员的动作画面，还有资料表明， 美国在动能弹的研究中也使用摄像拍摄了弹体发射瞬间的图像。目前，人们对跟踪运动物体的实时性以及清晰度要求越来越高，但是对于这种专门用于细节图像观测的、高分辨率图像获取技术国内尚没有深入研究。为解决此问题，在系统硬件平台的基础上，提出了一种基于FPGA的图像采集系统软件设计方案。完成了系统软件的整体方案，主要包括基于FPGA的数据输入软件设计、数据读写软件设计、数据输出软件设计、异步串行通信软件设计四个部分，并对各个部分进行了综合后仿真。可实现对图像数据的采集。
国内在这方面起步较晚， 但是对于这种专门用于细节图像观测的、高分辨率图像获取技术国内尚没有深入研究。目前图像方法还主要应用在静态试验测量中[2]。
2 图像采集系统软件设计
2.1图像采集系统软件方案设计
2.1.1 系统硬件平台
在视频图像处理领域，作为一个平台，可编程逻辑器件FPGA已经非常适合于高性能低成本的视频和图像应用。它可以帮助用户灵活定制系统，缩短产品研发和更新换代的周期，使用户紧跟技术和市场发展潮流[3]。
本系统的核心是FPGA，用的是Altera公司的高端产品，内部主要特性有内嵌RAM块、DSP块、锁相环(PLL)和外部的存储器接口等，，采用了全新的逻辑结构-自适应逻辑块(ALM)，增加了源同步通道的动态相位对准(DPA)电路和对新的外部存储器接口的支持。还可以采用128位AES密钥对配置文件进行加密，保证用户设计的安全性[4]。
CMOS传感器是用来获取外界图像数据，把模拟图像数据转换成数字图像数据，由FPGA来控制其工作。根据系统运行的实际效果，可以在软件上设置CMOS传感器的一些参数，比方说曝光时间等。
DDR2 SDRAM用来存储采集进来图像数据，相对于DDR2，DDR2具有更高的频宽、更低的功耗、更好的效能，因此，DDR2 SDRAM目前正在取代DDR SDRAM，逐渐成为服务器、工作站、PC及其它专用系统的主流存储器配置[5]。
铁电存储器FRAM用来存储系统参数，主要用来存储CMOS传感器的参数。FRAM是一种非易失性的存储器，无限次快速擦写特性使得这种产品十分适合于担当重要系统里的暂存记忆体。铁电存贮器的出现为业界提供了一个高可靠性，而且低成本的方案[6]。
显示图像数据时，系统采用LVDS接口进行输出显示，即低压差分信号输出，LVDS技术是一种低摆幅的通用输入输出标准，满足了数据传输的要求，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术[7]。
可以通过上位机对系统进行在线调试，配置系统参数等。
2.1.2 软件方案设计
软件设计流程图如下图所示。
本系统的核心是FPGA，所有的工作都是围绕FPGA展开的，输入输出都是对于FPGA来说的。系统主要包括数据输入软件设计、数据读写软件设计、数据输出软件设计、异步串行通信软件设计四个部分。
(1) 数据输入软件设计
数据输入的过程也就是FPGA读取数据的过程，FPGA从CMOS传感器读取数据，还完成FPGA对CMOS传感器的时序控制、参数控制。
CMOS传感器本省已经把模拟的图像数据转换成了数字数据，FPGA从CMOS传感器读取的是数字数据。CMOS传感器的工作时序由FPGA产生，也就是说由FPGA控制CMOS传感器的工作时序。另外，CMOS传感器的工作参数也是由FPGA产生的，比如说曝光时间等，借助于PC机通过RS-232通讯协议根据实际的运行效果进行在线调试。
(2) 数据读写软件设计
数据从CMOS传感器读进来之后，需要把这些数据存储起来，系统采用DDR2 SDRAM，FPGA把读进来的数据存储到DDR2 SDRAM，然后再读出来输出，也就是说，DDR2 SDRAM起到缓存的作用。另外，系统还要完成读写铁电存储器FRAM，系统主要利用FRAM对CMOS传感器的参数进行配置，即FPGA事先把参数存储到FRAM中，然后根据系统需要，再把这项参数数据读出来，配置CMOS传感器。
(3) 数据输出软件设计
数据的输出部分，也就是显示图像部分，显示器的工作时序由FPGA产生，也就是产生像素频率、行频率、场频率，根据这些时序输出数据。而且显示的图像是灰度图像。
(4) 异步串行通信软件设计
异步串行通信软件设计部分，实际上是FPGA和PC机之间通过RS-232串口通信协议进行数据传输，也就是说通过PC机可以往FPGA里传输数据，还可以接受FPGA传输过来的数据，从而实现通过PC机在线调试本系统。本系统利用RS-232串口通信协议的主要目的是配置CMOS传感器。
3 应用与实验
3.1数据输入软件设计思想的验证
上图是通过Quartus II内嵌的SignalTap II对CMOS传感器的工作情况进行的在线逻辑分析验证的结果，通过计算机可以看到FPGA和CMOS传感器之间的关联信号时序是否正确。其中，D_D就是FPGA从CMOS传感器读进来的一百位数据，表示十个像素，CMOS传感器把采集进来的模拟图像数据变成了数字图像数据。验证了数据输入软件设计思想的正确性。
3.2异步串行通信软件设计思想验证
把写好的异步串行通信软件的代码下载到FPGA后，在上位机上打开串口调试助手，向FPGA发送“11H 01H 30H”三个八位数据，FPGA也返回同样的三位数据，验证了异步串行通信软件设计思想的正确性。能对系统的曝光时间进行在线设置。
4 结论
研究的系统为图像采集系统，负责研究该系统的软件编程部分，在硬件电路搭建好的基础上研究图像采集系统的软件设计部分，在硬件上系统主要由FPGA、CMOS传感器、DDR2 SDRAM、铁电存储器FRAM、显示器几个部分构成，系统的核心是FPGA，在功能上实现数据采集、存储、显示以及能够通过上位机进行在线配置系统参数。所提出的软件设计能够实现图像数据采集。
SCISSCIAHCI
