雙CMOS圖像傳感器的抗暈光圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
    機動車在夜間行車會車時，對面汽車車燈的強光會對駕駛員產(chǎn)生視覺盲區(qū)，從而引發(fā)嚴重的交通事故。為了徹底消除這種由于汽車暈光產(chǎn)生的交通隱患，本文提出一種基于DSP和圖像處理技術(shù)的抗暈光圖像采集系統(tǒng)解決方案來解除夜間行車眩光。目前獲取圖像主要采用CCD和CMOS圖像傳感器，其中。CMOS圖像傳感器具有功耗小、成本低、單一電源驅(qū)動、使用壽命長、易于片上系統(tǒng)集成等特點，適用于抗暈光圖像采集系統(tǒng)。本文提出抗暈光圖像采集系統(tǒng)采用OmniVision公司推出的CMOS彩色圖像傳感器OV7620代替?zhèn)鹘y(tǒng)CCD圖像傳感器，該傳感器可由軟件編程控制，能直接輸出數(shù)字圖像信息，而且大大降低系統(tǒng)設(shè)計難度，減小系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本抗暈光圖像采集系統(tǒng)是由圖像采集和圖像處理組成。其中，圖像采集部分由兩路OV7620圖像傳感器實現(xiàn)；圖像處理則由TMS320C6414實現(xiàn)。EPM3128通過編程設(shè)置輸出每個存儲器地址。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2．1 圖像采集部分
    在抗暈光圖像采集系統(tǒng)中，TMS320C6414通過通用GPIO端口模擬I2C總線，設(shè)置OV7620的內(nèi)部寄存器參數(shù)．使其完成相應(yīng)功能。OV7620可提供00H～7CH共125個寄存器，用于控制傳感器，可設(shè)置傳感器的快門方式、積分時間、A／D轉(zhuǎn)換器工作特性、伽馬校正和開窗口位置、輸出數(shù)據(jù)格式、幀頻、像素時鐘等參數(shù)。其中，直接影響像元積分時間的寄存器為曝光量控制寄存器、時鐘預(yù)分頻器寄存器和幀頻調(diào)整寄存器。OV7620通常默認為I2C總線上的主器件，可將寄存器29的第6位置1，將其改為I2C總線的從器件，因此，I2C總線的主器件TMS320C6414可對0V7620寫操作。當TMS320C6414的引腳SBB為低電平，才能完成I2C總線初始化，此時OV7620作為從器件，支持400 Kbit／s的7位地址數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。將OV7620內(nèi)部寄存器28的第5位置1即為逐行掃描方式；寄存器13、14的第5位置0即16位的YUV422-640x480像素的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)(高8位為亮度信號，低8位為色度信號)；輸出設(shè)置25幀／s。OV7620的視頻時序電路產(chǎn)生行同步、場同步、混合視頻同步等同步信號和像素時鐘等內(nèi)部時鐘信號，EPM3128根據(jù)這些同步信號確定圖像的讀寫操作以及相關(guān)處理。本系統(tǒng)采用單幀圖像數(shù)據(jù)輸出處理方式。EPM3128通過I／O端口將IS6lLV51216的引腳CE、WE、LB、UB置為低電平，OV7620則將16位圖像數(shù)據(jù)輸入至IS6lLV51216。OV7620的內(nèi)部控制位SRAM信號為高電平表示處于外部RAM狀態(tài)，此時所有的數(shù)據(jù)總線變?yōu)槿龖B(tài)并準備發(fā)送數(shù)據(jù)。OV7620向外部SRAM輸出單幀圖像數(shù)據(jù)的時序圖如圖2所示。首先判斷傳感器的內(nèi)部控制位SRAM，當SRAM為高時OV7620進入外部RAM，接著通過EPM3128發(fā)送初始化脈沖至AGCFN來獲得一幀數(shù)據(jù)。但由圖2看出移出的數(shù)據(jù)并不完全是有效圖像數(shù)據(jù)，有效圖像數(shù)據(jù)是由HREF(水平參考輸出)、VSYNC(場同步信號)共同確定。因此需判斷VSYNC是否為1且HREF上升沿是否到來。如果是上升沿則表明傳感器開始輸出有效數(shù)據(jù)。當HRFF=l時，像素時鐘PCLK計數(shù)，并把計數(shù)值傳輸至外部SRAM的地址總線，同時將OV7620輸出的圖像數(shù)據(jù)DATA傳輸給SRAM的數(shù)據(jù)總線，對外部SRAM寫操作；當HRFF=O時，計數(shù)暫停。OV7620發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后VSYNC=0，因此，可通過判斷VSYNC是否為O來停止計數(shù)器計數(shù)并結(jié)束圖像采集。

2．2 圖像處理部分
    TMS320C6414是TI公司推出的一款高性能數(shù)字處理器，具有強大的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)，可適用于抗暈光圖像采集系統(tǒng)。TMS320C6414的L2容量為l024KB，通過cache配置寄存器(CCFG)的L2MODE字段把L2配置為第5種模式，即把片內(nèi)SRAM設(shè)置為768 KB。TMS320C6414經(jīng)EMIFA端口，以EDMA方式將圖像數(shù)據(jù)同步讀入內(nèi)部SRAM。增強型直接存儲器訪問(EDMA)用于實時圖像數(shù)字信號處理，可在CPU后臺完成存儲空間中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，把外部存儲器中的圖像數(shù)字信息快速、高效地傳輸?shù)紻SP內(nèi)部SRAM中。設(shè)置EER控制寄存器的EVT4位為l，即采用EDMA的第4通道(EDMA4)采集圖像數(shù)據(jù)。該通道配置為32位傳輸方式，每次中斷搬移一幀圖像數(shù)據(jù)存入內(nèi)部SRAM。為了同步采樣，第一路OV7620的SRAMl和VSYNCl可通過與非門控制兩路OV7620同步采樣并分別存儲到各自連接的IS6lLV51216中；VSYNCl下降沿標志OV7620一幀圖像數(shù)據(jù)輸出結(jié)束，VSYNCl經(jīng)反向器接至TMS320C6414的AF5引腳觸發(fā)EDMA4中斷，并同時讀取IS6lLV51216中存儲的圖像數(shù)據(jù)。CPU采用閾值化分割算法來處理圖像信息。在TMS320C6414控制下同步進行圖像信息的傳輸和處理，完全滿足系統(tǒng)的實時要求。TMS320C6414外接40 MHz的晶體振蕩器，CLOKMODE[l：0]設(shè)置為10，使其內(nèi)部頻率高達480 MHz。DSP通過I／O端口檢測OV7620的同步信號VSYNC、CHSYNC以及像素時鐘PCLK，保證DSP能夠準確讀取OV7620輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。在同步信號和像素時鐘的干預(yù)下保存采集的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，保證傳輸數(shù)字圖像的完整性。圖3所示為第一路圖像采集系統(tǒng)硬件電路圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    在CCS(Code Composer Studio)編譯環(huán)境下，采用C語言和線性匯編進行編程。計算機通過JTAG接口把編譯成功的系統(tǒng)程序?qū)懙酵獠縁lash中，使軟件在硬件平臺上高速、穩(wěn)定、可靠運行。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。

    TMS320C6414采用閾值化分割算法，即把第一路OV7620的曝光時間設(shè)定為1／50 s，將采集到的圖像信息存儲到存儲器1中(通過EPM3128設(shè)置存儲器l的地址最高位為0，即為0XXXXXXXXXXXXXXXXX)；把第二路OV7620的曝光時間設(shè)定為l／l 000 s，把采集到的圖像信息存儲到存儲器2中(通過EPM3128設(shè)置存儲器2地址的最高位為1，即為lXXXXXXXXXXXXXXXXXX)。兩路OV7620在TMS320C6414控制下同步采樣同一景物，并設(shè)置亮度閾值為245。TMS320C6414從存儲器l中依次讀取每一個存儲單元的數(shù)值并判斷其亮度值。如果該像素點的亮度值小于245，無暈光，則把該像素值和地址值暫存到DSP內(nèi)部的SRAM中；如果該像素點的亮度值大于或等于245，并有暈光產(chǎn)生，則丟棄該存儲單元數(shù)據(jù)，而從存儲器2對應(yīng)地址(0XXXXXXXXXXXXXXXXX換成lXXXXXXXXXXXXXXXXX)單元中讀取像素值和地址值。存儲完一行像素后。判斷所有像素地址的起始位是否為l。若起始位為l，說明有暈光產(chǎn)生。此時取該像素值以及前后各3個像素值，共7個像素值求平均值，把平均值代替該像素值，直到該行像素處理完后輸出；若起始位不為l，說明無暈光產(chǎn)生，直接輸出像素值。若暈光在一幀圖像的開頭或者結(jié)尾產(chǎn)生，則只取符合條件的像素值求平均值。該算法可以根據(jù)具體采樣的不同信息自由設(shè)置閾值大小，求平均值像素的總數(shù)，具有良好的靈活性。
    采用索尼DCR—DVD808E數(shù)碼攝像機及Plink數(shù)據(jù)采集卡，通過PC機采集單幅靜止圖像。第一次實驗，相機曝光時間設(shè)定l／50 s的采集圖像，汽車車燈亮度較強，產(chǎn)生暈光，所以無法分辨車燈外部輪廓以及車牌號，而光線相對較暗的遠處人群可以看見；第二次試驗，相機曝光時間調(diào)整為1／1 000 s的采集圖像，亮度較強的車燈外部輪廓以及車牌號均可見，而遠處人根本看不見。利用MATLAB對兩幅圖像進行閾值化分割算法仿真，閾值設(shè)為245，經(jīng)過處理后的整體圖像比較清晰達到預(yù)期效果。圖5所示為MATLAB仿真圖。

4 結(jié)語
    抗暈光采集系統(tǒng)在交通安全方面徹底消除汽車行車時產(chǎn)生的暈光，大大減少交通事故的發(fā)生，從而保障人民生命財產(chǎn)安全。而在工業(yè)電弧焊機焊接方面，該系統(tǒng)不但可以保護操作人員的身體健康，而且還大大提高焊接質(zhì)量。因此，抗暈光采集系統(tǒng)的研究具有重要的實用價值。