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(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像有效采集傳輸?shù)墓δ?，將采集到的Bayer格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB格式，采用嵌入式系統(tǒng)有利集成化、小型化設(shè)計(jì)。 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(chǔ)器件，可以實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換以及視覺(jué)功能的擴(kuò)展，并且還可以給出直觀、真實(shí)、多層次、內(nèi)容豐富的可視圖像信息。CMOS圖像傳感器自上世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，但由于工藝上的原因，一直因?yàn)楣庹斩褥`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(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(xiàn)嵌入式圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的圖像，經(jīng)DSP進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)斤@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(tǒng)設(shè)計(jì) 本圖像采集系統(tǒng)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(xiàn)方案是當(dāng)CMOS圖像傳感器被配置好，收到開(kāi)始采集的信號(hào)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(zhuǎn)化、處理和顯示做好準(zhǔn)備。DSP將CMOS圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)存入片外存儲(chǔ)器SDRAM中，以便進(jìn)行處理，并根據(jù)具體的圖像識(shí)別算法要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并將結(jié)果傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)框圖[/align] CMOS圖像傳感器 本系統(tǒng)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(rèn)的模式下工作，也可以由用戶(hù)自己編程設(shè)計(jì)幀大小、曝光時(shí)間、增益或者其他參數(shù)。在默認(rèn)模式下，輸出一幅QXGA圖像（2048×1536）其速度可達(dá)12幀每秒，輸出一幅VGA圖像（640×480）其速度可達(dá)93幀每秒。片上集成10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，行同步LINE_VALID和幀同步信號(hào)FRAME_VALID有專(zhuān)用的輸出引腳，同像素時(shí)鐘PIXCLK一樣，與有效數(shù)據(jù)同步。芯片內(nèi)部還集成了放大器、時(shí)鐘控制電路（反相，相位調(diào)節(jié)）、圖像大小調(diào)節(jié)、圓點(diǎn)定位、白平衡調(diào)節(jié)、曝光調(diào)節(jié)、幀速率調(diào)節(jié)等眾多功能電路，并且所有這些控制都通過(guò)一個(gè)串行總線口進(jìn)行操作（SCLK和SDATA）。 在本系統(tǒng)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用，有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并且由于本系統(tǒng)應(yīng)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(xù)的圖像處理。 DSP主處理器 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的觀察方式進(jìn)行一定的改進(jìn)，采用高速數(shù)字信號(hào)處理器完成圖像的處理，傳輸?shù)裙δ?，有效的減小了儀器的體積，便于系統(tǒng)的集成化和小型化設(shè)計(jì)。在DSP的選擇上，本系統(tǒng)選用TI公司C6000系列的TMS320DM642型數(shù)字多媒體處理器。這是一款高性能DSP，基于C64x內(nèi)核，擴(kuò)展的高級(jí)甚長(zhǎng)指令字體系結(jié)構(gòu)，具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨(dú)立計(jì)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(yùn)行，因此可同時(shí)執(zhí)行多條指令。DM642采用兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，64個(gè)獨(dú)立通道的EDMA控制器。此外，DM642還具有豐富的外圍設(shè)備接口。 在本系統(tǒng)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(hào)，采用外部?jī)?nèi)存接口（EMIF）實(shí)現(xiàn)與Flash和SDRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，交換。同時(shí)，使用DSP作為處理器也可以為后續(xù)的識(shí)別算法做一定的準(zhǔn)備。 系統(tǒng)采集程序 在本系統(tǒng)中，單幀圖像采集的過(guò)程如下：系統(tǒng)上電后，程序從Flash自舉，從而完成程序的導(dǎo)入及初始化工作。DSP通過(guò)I2C總線發(fā)出信號(hào)，對(duì)CMOS圖像傳感器進(jìn)行配置，當(dāng)CMOS圖像傳感器開(kāi)始工作后，將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送入處理器DM642,圖像數(shù)據(jù)首先存入DM642視頻口的FIFO，當(dāng)達(dá)到FIFO內(nèi)設(shè)定的閾值時(shí)，DSP發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)EDMA通道，對(duì)FIFO中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行搬運(yùn)，將其存入SDRAM中，再由DSP對(duì)SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將處理后的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM的另一地址區(qū)域，發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)令EDMA將處理后的圖像數(shù)據(jù)運(yùn)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(zhuǎn)化算法設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)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(fù)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(shù)掃描行分別采集和輸出R、G、R、G……，偶數(shù)行分別采集和輸出G、B、G、B……，其一般格式如圖2所示。 CMOS圖像傳感器光敏區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種色光，其中，R感應(yīng)紅光，G感應(yīng)綠光，B感應(yīng)藍(lán)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?yàn)镚分量是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。 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，是要將采集到的圖像傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示，因此需要將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)化為便于顯示的RGB格式。在格式轉(zhuǎn)化方式的選擇上，使用雙線性差值法將CMOS圖像傳感器輸出的Bayer格式的圖像信息轉(zhuǎn)化為RGB格式。其基本原理是將每個(gè)像素位置上缺少的另外兩種彩色分量通過(guò)以它本身為中心的鄰域內(nèi)具有相同分量的像素平均值獲得。 根據(jù)圖3所示的像素點(diǎn)編號(hào)，G1、R2兩個(gè)像素點(diǎn)的雙線性差值法的計(jì)算公式為： 式中，為格式轉(zhuǎn)化后G1點(diǎn)的RGB三種色彩的分量，為格式轉(zhuǎn)化后G2點(diǎn)的RGB三種色彩的分量，同理，B分量的格式轉(zhuǎn)化計(jì)算方法與R分量類(lèi)似。采用此種方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，占用硬件資源比較少；但也存在著一定的缺陷，即在色彩轉(zhuǎn)化的過(guò)程中忽略了邊界的問(wèn)題，在今后的算法設(shè)計(jì)中，可以加以改進(jìn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用CMOS圖像傳感器采集到了圖像，并對(duì)Bayer圖像格式轉(zhuǎn)化算法進(jìn)行了軟件仿真。為了能更直觀的檢測(cè)出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能，將系統(tǒng)采集到的圖像同數(shù)碼相機(jī)所拍攝到的圖像做了對(duì)比。數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖片如圖4所示。依照系統(tǒng)的硬件和采集程序的設(shè)計(jì)，CMOS圖像傳感器采集到的圖像分辨率為2048×1536，如圖5所示。經(jīng)雙線性差值法轉(zhuǎn)化為RGB格式的圖像如圖6所示。 [align=center] 圖4 數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像[/align] [align=center] 圖5 CMOS圖像傳感器采集到的圖像[/align] [align=center] 圖6 經(jīng)格式轉(zhuǎn)化后的RGB圖像[/align] 由上述三幅圖分析比較可知，MT9T001型CMOS圖像傳感器可以采集到比較清晰的Bayer格式圖像，經(jīng)雙線性差值進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化后，可以基本還原圖像的本來(lái)色彩。 結(jié) 語(yǔ) CMOS圖像傳感器是繼CCD圖像傳感器發(fā)展之后深受歡迎的多功能攝像器件，擁有集成度高、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，隨著工藝的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，CMOS圖像傳感器的性能也將不斷提高，具有廣闊的發(fā)展前景。應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行圖像的采集，有利于系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)，將灰度的Bayer格式圖像轉(zhuǎn)化為彩色的RGB格式，使圖像的可視性更好，應(yīng)用范圍更廣。 參考文獻(xiàn)： 1、 林凡、吳孫桃、郭東輝，CMOS圖像傳感技術(shù)及其研究進(jìn)展，半導(dǎo)體技術(shù)，26（12）：40～44 2、 趙吉力、劉鐵根、李晉申，基于M642的高速圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2007，21（1）：86～89 3、 羅碧強(qiáng)、李斌，一種改進(jìn)的圖像重組算法及其硬件實(shí)現(xiàn)，中國(guó)集成電路，2007