雙CMOS圖像傳感器的抗暈光圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    機(jī)動(dòng)車在夜間行車會(huì)車時(shí)，對(duì)面汽車車燈的強(qiáng)光會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生視覺(jué)盲區(qū)，從而引發(fā)嚴(yán)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(lái)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(dòng)、使用壽命長(zhǎng)、易于片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)，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(jì)難度，減小系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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(shí)現(xiàn)；圖像處理則由TMS320C6414實(shí)現(xiàn)。EPM3128通過(guò)編程設(shè)置輸出每個(gè)存儲(chǔ)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(guò)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(gè)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(shí)間、A／D轉(zhuǎn)換器工作特性、伽馬校正和開(kāi)窗口位置、輸出數(shù)據(jù)格式、幀頻、像素時(shí)鐘等參數(shù)。其中，直接影響像元積分時(shí)間的寄存器為曝光量控制寄存器、時(shí)鐘預(yù)分頻器寄存器和幀頻調(diào)整寄存器。OV7620通常默認(rèn)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(duì)0V7620寫操作。當(dāng)TMS320C6414的引腳SBB為低電平，才能完成I2C總線初始化，此時(shí)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(hào)，低8位為色度信號(hào))；輸出設(shè)置25幀／s。OV7620的視頻時(shí)序電路產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步、混合視頻同步等同步信號(hào)和像素時(shí)鐘等內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，EPM3128根據(jù)這些同步信號(hào)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(guò)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(hào)為高電平表示處于外部RAM狀態(tài)，此時(shí)所有的數(shù)據(jù)總線變?yōu)槿龖B(tài)并準(zhǔn)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(shí)序圖如圖2所示。首先判斷傳感器的內(nèi)部控制位SRAM，當(dāng)SRAM為高時(shí)OV7620進(jìn)入外部RAM，接著通過(guò)EPM3128發(fā)送初始化脈沖至AGCFN來(lái)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(chǎng)同步信號(hào))共同確定。因此需判斷VSYNC是否為1且HREF上升沿是否到來(lái)。如果是上升沿則表明傳感器開(kāi)始輸出有效數(shù)據(jù)。當(dāng)HRFF=l時(shí)，像素時(shí)鐘PCLK計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值傳輸至外部SRAM的地址總線，同時(shí)將OV7620輸出的圖像數(shù)據(jù)DATA傳輸給SRAM的數(shù)據(jù)總線，對(duì)外部SRAM寫操作；當(dāng)HRFF=O時(shí)，計(jì)數(shù)暫停。OV7620發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后VSYNC=0，因此，可通過(guò)判斷VSYNC是否為O來(lái)停止計(jì)數(shù)器計(jì)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(qiáng)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(guò)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(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(EDMA)用于實(shí)時(shí)圖像數(shù)字信號(hào)處理，可在CPU后臺(tái)完成存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，把外部存儲(chǔ)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(guò)與非門控制兩路OV7620同步采樣并分別存儲(chǔ)到各自連接的IS6lLV51216中；VSYNCl下降沿標(biāo)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(shí)讀取IS6lLV51216中存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)。CPU采用閾值化分割算法來(lái)處理圖像信息。在TMS320C6414控制下同步進(jìn)行圖像信息的傳輸和處理，完全滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dá)480 MHz。DSP通過(guò)I／O端口檢測(cè)OV7620的同步信號(hào)VSYNC、CHSYNC以及像素時(shí)鐘PCLK，保證DSP能夠準(zhǔn)確讀取OV7620輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。在同步信號(hào)和像素時(shí)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(jì)
    在CCS(Code Composer Studio)編譯環(huán)境下，采用C語(yǔ)言和線性匯編進(jìn)行編程。計(jì)算機(jī)通過(guò)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(tái)上高速、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)間設(shè)定為1／50 s，將采集到的圖像信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器1中(通過(guò)EPM3128設(shè)置存儲(chǔ)器l的地址最高位為0，即為0XXXXXXXXXXXXXXXXX)；把第二路OV7620的曝光時(shí)間設(shè)定為l／l 000 s，把采集到的圖像信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器2中(通過(guò)EPM3128設(shè)置存儲(chǔ)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(chǔ)器l中依次讀取每一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)值并判斷其亮度值。如果該像素點(diǎn)的亮度值小于245，無(wú)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(diǎn)的亮度值大于或等于245，并有暈光產(chǎn)生，則丟棄該存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)，而從存儲(chǔ)器2對(duì)應(yīng)地址(0XXXXXXXXXXXXXXXXX換成lXXXXXXXXXXXXXXXXX)單元中讀取像素值和地址值。存儲(chǔ)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(shuō)明有暈光產(chǎn)生。此時(shí)取該像素值以及前后各3個(gè)像素值，共7個(gè)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(shuō)明無(wú)暈光產(chǎn)生，直接輸出像素值。若暈光在一幀圖像的開(kāi)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(jī)及Plink數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)PC機(jī)采集單幅靜止圖像。第一次實(shí)驗(yàn)，相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)定l／50 s的采集圖像，汽車車燈亮度較強(qiáng)，產(chǎn)生暈光，所以無(wú)法分辨車燈外部輪廓以及車牌號(hào)，而光線相對(duì)較暗的遠(yuǎn)處人群可以看見(jiàn)；第二次試驗(yàn)，相機(jī)曝光時(shí)間調(diào)整為1／1 000 s的采集圖像，亮度較強(qiáng)的車燈外部輪廓以及車牌號(hào)均可見(jiàn)，而遠(yuǎn)處人根本看不見(jiàn)。利用MATLAB對(duì)兩幅圖像進(jìn)行閾值化分割算法仿真，閾值設(shè)為245，經(jīng)過(guò)處理后的整體圖像比較清晰達(dá)到預(yù)期效果。圖5所示為MATLAB仿真圖。

4 結(jié)語(yǔ)
    抗暈光采集系統(tǒng)在交通安全方面徹底消除汽車行車時(shí)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(cái)產(chǎn)安全。而在工業(yè)電弧焊機(jī)焊接方面，該系統(tǒng)不但可以保護(hù)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(shí)用價(jià)值。