基于DSP的数码望远相机的研究与设计

只看该作者 · 2012-3-3 10:54

近年来，随着半导体制造技术的发展和计算机体系结构等方面的改进，数字信号处理技术得到了迅速的发展和运用，DSP芯片的功能越来越强大，数字信号处理已成为信号处理技术的主流。结合光学仪器向光、机、电、算一体化和智能化现代光学仪器发展的趋势，设计了一款基于高性能DSP芯片的同步可调式双筒望远数码相机。

1 设计的基本思路与基本原理
望远数码相机的数码照相系统与望远系统相对独立，分立采光，按照望远物镜与数码照相镜头的入瞳直径相匹配的原则，设计计算出数码镜头与望远镜对3 m～无穷远目标进行成像的离焦对应曲线，采用中调手轮转动带动望远镜和数码镜头实现同步调焦，使远方同一景物目标通过望远物镜和数码镜头的成像同时同步清晰，使望远镜真正成为数码相机的光学取景器，再通过数码镜头像面位置处的CMOS影像传感器实现观察目标图像信息的获取、存储、压缩以及数字图像的转换、显示和传输过程。
2 数码成像系统的设计与研究
根据要求，采用了基于高性能DSP芯片的数字图像信号处理技术，以实现对实时图像信息的获取、存储、转换和数字图像的传输与显示。选择美国德州仪器公司(TI)的高性能多媒体处理芯片TMS320DM642作为主处理器； SDRAM选用Micron公司T48LC4M32B-6；视频采集芯片则是Micron的300万像素的CMOS图像传感器MT9T001；采用高效、稳定、可靠的嵌入式计算平台，数码照像系统结构框图如图1所示。

由于CMOS APS图像传感器在价格、性能和功耗等各方面都优于CCD图像传感器，而且集成了很多图像处理功能，因此在本系统的视频采集模块设计中，选用了Micron公司生产的CMOS APS图像传感器芯片MT9T001。
MT9T001是一款OxGA格式(有效像素为2 048×1 536)的CMOS数字图像传感器。芯片上集成了模拟及数字自动增益调整、电平偏置调整，以及视窗大小切换、行列调整和闪光模式等功能，这些功能都可通过 I2C总线接口进行编程控制。该传感器可以工作在默认模式或者通过寄存器编程设置的用户模式。默认模式将以12帧／s的速度输出QxGA格式图像。芯片上的APC转换器为每个像素提供10 b的数据流，并伴随有行、场同步信号输出。
DM642和cMOS图像传感器的连接如图2所示。为了接收视频数据，DM642的视频端口必须配置成原始数据采集模式。在这种模式下，DM642对接收到的数据不做任何选择或插值处理。这种操作模式适合接收CMOS图像传感器等特殊格式的数据。由于是传输原始数据，DM642和MT9T001之间的连线也相对简单，不需要行、场同步信号。当CAPENA信号被使能后，VPID数据总线将开始接收数据；采集速率由CMOS传感器的PIXCLK时钟决定。 DM642通过I2C总线CSCL和SDA控制CMOS图像传感器的工作模式。

3 样机试验与检测
对试制样机进行性能检测、数码镜头鉴别率检测，对3 m远的相机分辨率标板(ISO Resolution Chart for Electronic Still Cameras)进行拍照后，读取分辨率数值。实验测得产品垂直分辨率达到8组，水平分辨率达到9组，分辨率达到设计要求。采用400万像素佳能相机与样机对同一地点、同一时问对同一景物(箭头所指为拍摄目标)的进行拍摄，结果如图3、图4所示。该设计实现了数码望远功能。

4 结语
该研究立足于传统双筒望远镜，应用先进的数码成像技术，创造性地解决了通过结构的准确同步传动，实现对同一物体的观察和拍摄问题，使望远镜真正成为数码相机的取景器，实现了真正的所拍即所望。设计的专用摄远镜头，消除了望远系统的成像畸变，增加了成像图片的景深效果。望远系统和摄远系统实现同步调焦，保证了望远镜像面和数码照相摄录系统感光芯片上成像清晰度改变的一致性，远处景物的成像在望远系统中的比例和在照片中的比例相同。目前，该研究已经在某些电子望远设备上实现应用.