编码曝光相机系统设计

余爱生

【摘  要】目标的运动会导致其成像模糊。为了从模糊的图像中恢复清晰的目标图像，本文采用了编码曝光成像技术。与传统相机成像中快门一直处于开启的状态不同，编码曝光相机成像是在快门开启和闭合转换过程中成像。由于在时域快速转换的编码等效为频域较宽的滤波器，因此编码曝光成像有效地保留了目标的高频信息。

【关键词】编码;曝光;相机系统;设计

1 编码曝光相机系统设计

1.1 编码曝光系统的硬件设计

如 图 1 所 示，核 心 控 制 器 选 用 Xilinx 公 司Spartan  6 系 列 的 XC6SLX45T-3FG484C。该芯片共 484 个引脚，其中 DDR3 存储器、程序存储器以及 88E1111 千兆网物理层芯片分别接于厂家典型系统默认引脚，以便利用现有资源;设计的模块外接引脚尽量布置在同一个 BANK 内，全局时钟使用48 MHz 外部晶振;W25Q64 为 64 Mbit 的配置程序存储器;DDR3 数据存储器 MT41J64M16LA 有 1 024 M数据存储空间，存储图像数据和运算中间结果;高灵敏度 CCD 图像传感器 ICX204AL 有效像素为1 024 × 768，帧率为 60 frame/s;CXD3400N 作为场时序驱动器提供列向的三态电压时序驱动（XV2A、XSG1、XV2B、XSG2）及衬底信号驱动（XSUB）;12 位 CCD 信號处理器 AD9949 作为行驱动信号发生器（H1、H2），并提供生成信号（CCDIN）的模数转换;88E1111 是千兆网物理层芯片，通过 RJ45 构成网络通信接口。

图 1 编码曝光相机系统电路框图

CXD3400N 接收 FPGA 发出的垂直时钟转移控制信号（XV1、XV2A/XV2B、XV3）和衬底控制信号 XSUB，向 ICX204AL 发送电荷累积和电荷垂直移位的时序信号，其中 XSUB 是编码曝光信号，V2A/V2B 是三电平结构;FPGA 向 AD9949 提供主时钟（CLK）、垂直同步脉冲（VD）和水平同步脉冲（HD），FPGA 通过 SPI 总线接口控制 AD9949 生成水平时钟转移信号（H1、H2）和复位时钟信号（RG），AD9949 也是 CCD 信号的模数信号转换器，将模拟图像信号转换成数字信号，通过 D[7…0] 输出到 FPGA，FPGA 的 DDR3 控制核将图像数据发送到存储器MT41J64M16LA。当图像采集完成后，FPGA 中图像重建模块恢复出清晰图像，通过网络通信接口输出，可由上位机接受显示。

图2 CCD 编码曝光相机系统结构

编码曝光相机系统结构如图 2 所示，主要由核心控制模块和外部芯片功能模块组成。核心控制模块的功能设计如下：外部晶振通过全局时钟引脚到核心控制模块中的基准时钟模块，作为系统的时钟基准。时序模块产生 CCD 传感器的驱动时序。曝光编码模块作为传感器配置模块的输入变量，向图像采集模块的时序驱动模块提供曝光序列。传感器配置模块同时对处理模块产生的垂直同步脉冲和水平同步脉冲信号进行编辑。图像读取模块利用 DDR 控制模块将数据保存在数据存储器中，这时得到了编码曝光图像数据。随后核心控制器中的解码重建模块读取数据存储器中编码曝光图像，进行片内解码得到清晰复原图像。图像数据经千兆网模块可输出显示，也可以直接输出编码曝光图像。命令模块接受网络的输入信号，可以进行系统设置。千兆网模块和 DDR 控制均为厂家提供的资源。

编码曝光图像采集及输出时序图如图3 所示。由于 ICX204AL 总像素为 1 034 × 792，输出一幅图像需要 VD 控制信号 1 034 个，且每个 VD 信号含792 个 HD 信号。相机快门开关由 SUB 信号控制，HD 信号为低电平时，垂直时钟信号按 V1、V2A/V2B、V3 顺序开始工作，并将存于垂直移位寄存器中的光生电荷向水平移位寄存器移动。V2A/V2B的高电平信号决定了新一行图像的起始位置。

图 3编码曝光图像采集及输出时序图

1.2 编码曝光系统的软件设计

L = B/K编码曝光解码图像程序流程图如图3 所示。曝光编码在控制像元曝光衬底信号 SUB 的同时，也被用作图像复原时构造模糊核 K，以便解码复原。若已经得到编码曝光模糊图像 B，利用解码获得清晰图像输出。上述过程由 FPGA的硬件逻辑实现。

图 4 嵌入式编码曝光系统程序流程图

同一目标以不同相对速度通过采集相机时，在采集图像的像平面中位置不同，导致采集的模糊图像不同，即可以认为由不同模糊核造成。由于模糊核是由预设编码的 Toeplitz矩阵形式和与其等宽且不等长的模糊尺度构成，因此采用结构相似性与图像熵的联合估计方法确定图像模糊核的模糊尺度，并与二进制编码一起构造模糊核。具体编码曝光解码复原过程如下：

1）在核心控制器内预设码长为 m 的二进制编码序列 k;

2）通过设定模糊尺度与 k 共同构造模糊核 K;

3）通过L = B/K解码获得清晰图像，并输出显示。

2结论

本文设计了一种运动图像去模糊的嵌入式编码曝光相机系统。利用 CCD 衬底控制技术，实现持续编码曝光控制和一次电荷转移读出光生电荷，从而获得编码曝光图像。同时，将图像的解码过程在同一控制器中实现，获得清晰运动复原图像。

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（作者单位：中海油天津化工研究设计院有限公司）