高帧频高分辨率CMOS相机系统

发布时间：2017-06-10 01:10

  本文关键词：高帧频高分辨率CMOS相机系统，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高帧频高分辨率CMOS相机是一种记录高速运动瞬间,并将瞬间过程降低到人眼极限分辨率以下显示处理的相机,在对载荷和系统稳定性要求苛刻的军事、航天等领域得到越来越广泛的应用。目前,高帧频高分辨率相机的关键生产和研究技术主要掌握在发达国家公司手中,其产品价格昂贵,且存在进口限制。基于国外技术壁垒和国内技术落后的现状,研究低噪声、高动态范围、大视野、低成本的的高帧频高分辨率CMOS相机系统对推动我国军事和国防的发展具有巨大意义。本文以美国LUXIMA公司的CMOS数字图像传感器LUX1310为研究对象,研究了LUX1310的特征和各项参数,分析了其具体设计要求。以此为基础,设计出LUX1310+FPGA+DDR3+CameraLink+Flash+RS485上位机的高帧频高分辨率CMOS相机系统架构,并完成芯片选型。其次,依据系统方案和芯片特点,设计硬件电路,绘制PCB板,并调试各硬件模块,完成系统的硬件平台搭建。最后,对系统进行FPGA软件程序设计和上位机界面设计,验证系统方案的可行性,同时提出适合LUX1310的校正算法,改善图像质量。实验结果表明,本文设计的高帧频高分辨率CMOS相机系统稳定性好,实现了1000帧／秒条件下1280×1024分辨率缓存成像和400帧／秒条件下1280×1024分辨率实时显示成像,还可以根据不同的场景通过上位机选择开窗模式,操作方便灵活,能满足不同的拍摄要求。针对本传感器多通道输出非均匀性较大的特点,提出了基于ADC偏置的非均匀性校正方法,相机信噪比最高达到53dB,显著改善了图像质量。同时,提出了适合本系统的图像均值自动增益和自动快门方法,在不同光照环境下都能获得高质量图像,动态范围达到73dB。
【关键词】：高帧频 高分辨率 CMOS数字图像传感器 FPGA DDR3 CameraLink
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB852.1;TP212.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-11
• 1.1 课题研究背景及意义8
• 1.2 国内外研究现状8-9
• 1.3 本论文主要工作和内容安排9-11
• 2 CMOS图像传感器11-17
• 2.1 CMOS图像传感器的工作原理11-13
• 2.1.1 CMOS无源像素图像传感器11-12
• 2.1.2 CMOS有源像素图像传感器12
• 2.1.3 CMOS数字像素图像传感器12-13
• 2.1.4 CMOS图像传感器的工作原理13
• 2.2 CMOS数字图像传感器LUX1310主要性能特点13-16
• 2.2.1 CMOS数字图像传感器LUX1310主要特征参数13-14
• 2.2.2 CMOS数字图像传感器LUX1310芯片内部框图14-15
• 2.2.3 CMOS数字图像传感器LUX1310像素阵列结构15-16
• 2.3 本章小结16-17
• 3 高帧频高分辨率CMOS相机系统方案设计17-30
• 3.1 CMOS数字图像传感器LUX1310输出数据结构分析17
• 3.2 相机系统器件分析17-21
• 3.2.1 中心控制器17-19
• 3.2.2 高速大容量存储器19-20
• 3.2.3 相机接口20-21
• 3.3 相机系统总体结构框架21-22
• 3.4 相机系统芯片选型22-29
• 3.4.1 FPGA芯片选型22-24
• 3.4.2 DDR3存储器选型24-25
• 3.4.3 CameraLink接口芯片选型25-28
• 3.4.4 RS485芯片和Flash芯片选型28-29
• 3.5 本章小结29-30
• 4 高帧频高分辨率CMOS相机系统硬件电路设计及PCB设计30-54
• 4.1 驱动板电路设计30-36
• 4.1.1 驱动电源电路设计31-34
• 4.1.2 传感器接口电路设计34-36
• 4.2 信号处理板电路设计36-45
• 4.2.1 FPGA电路设计37-42
• 4.2.2 DDR3 SDRAM电路设计42-44
• 4.2.3 Flash电路设计44-45
• 4.3 电源板电路设计45-49
• 4.3.1 电源电路设计45-49
• 4.3.2 CameraLink控制信号电路设计49
• 4.4 接插件电路设计49-51
• 4.4.1 CameraLink接口电路设计50
• 4.4.2 上位机接口和电源接口电路设计50-51
• 4.5 PCB设计51-54
• 5 高帧频高分辨率CMOS相机系统软件设计54-76
• 5.1 相机系统总体软件设计方案54-56
• 5.1.1 相机系统工作状态流程图54-55
• 5.1.2 相机系统逻辑框架55-56
• 5.2 FPGA具体模块设计56-70
• 5.2.1 CMOS驱动时序控制模块56-59
• 5.2.2 LVDS数据采集模块59-60
• 5.2.3 数据格式调整模块60-62
• 5.2.4 DDR3读写仲裁模块62-64
• 5.2.5 CameraLink传输控制模块64
• 5.2.6 图像质量处理模块64-67
• 5.2.7 快门和增益控制模块67-69
• 5.2.8 串口指令解析模块69
• 5.2.9 配置参数存储模块69-70
• 5.3 上位机程序设计70-72
• 5.4 相机系统成像测试72-76
• 6 结束语76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-81
• 附录81

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