基于DSP的數(shù)碼望遠(yuǎn)相機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和運(yùn)用，DSP芯片的功能越來(lái)越強(qiáng)大，數(shù)字信號(hào)處理已成為信號(hào)處理技術(shù)的主流。結(jié)合光學(xué)儀器向光、機(jī)、電、算一體化和智能化現(xiàn)代光學(xué)儀器發(fā)展的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款基于高性能DSP芯片的同步可調(diào)式雙筒望遠(yuǎn)數(shù)碼相機(jī)。

1 設(shè)計(jì)的基本思路與基本原理

分立采光，按照望遠(yuǎn)物鏡與數(shù)碼照相鏡頭的入瞳直徑相匹配的原則，設(shè)計(jì)計(jì)算出數(shù)碼鏡頭與望遠(yuǎn)鏡對(duì)3 m～無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)望遠(yuǎn)數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼照相系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，進(jìn)行成像的離焦對(duì)應(yīng)曲線，采用中調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和數(shù)碼鏡頭實(shí)現(xiàn)同步調(diào)焦，使遠(yuǎn)方同一景物目標(biāo)通過(guò)望遠(yuǎn)物鏡和數(shù)碼鏡頭的成像同時(shí)同步清晰，使望遠(yuǎn)鏡真正成為數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)取景器，再通過(guò)數(shù)碼鏡頭像面位置處的CMOS影像傳感器實(shí)現(xiàn)觀察目標(biāo)圖像信息的獲取、存儲(chǔ)、壓縮以及數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換、顯示和傳輸過(guò)程。

2 數(shù)碼成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

根據(jù)要求，采用了基于高性能DSP芯片的數(shù)字圖像信號(hào)處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)圖像信息的獲取、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和數(shù)字圖像的傳輸與顯示。選擇美國(guó)德州儀器公司(TI)的高性能多媒體處理芯片TMS320DM642作為主處理器； SDRAM選用Micron公司T48LC4M32B-6；視頻采集芯片則是Micron的300萬(wàn)像素的CMOS圖像傳感器MT9T001；采用高效、穩(wěn)定、可靠的嵌入式計(jì)算平臺(tái)，數(shù)碼照像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

由于CMOS APS圖像傳感器在價(jià)格、性能和功耗等各方面都優(yōu)于CCD圖像傳感器，而且集成了很多圖像處理功能，因此在本系統(tǒng)的視頻采集模塊設(shè)計(jì)中，選用了Micron公司生產(chǎn)的CMOS APS圖像傳感器芯片MT9T001。

MT9T001是一款OxGA格式(有效像素為2 048×1 536)的CMOS數(shù)字圖像傳感器。芯片上集成了模擬及數(shù)字自動(dòng)增益調(diào)整、電平偏置調(diào)整，以及視窗大小切換、行列調(diào)整和閃光模式等功能，這些功能都可通過(guò) I2C總線接口進(jìn)行編程控制。該傳感器可以工作在默認(rèn)模式或者通過(guò)寄存器編程設(shè)置的用戶模式。默認(rèn)模式將以12幀／s的速度輸出QxGA格式圖像。芯片上的APC轉(zhuǎn)換器為每個(gè)像素提供10 b的數(shù)據(jù)流，并伴隨有行、場(chǎng)同步信號(hào)輸出。

DM642和cMOS圖像傳感器的連接如圖2所示。為了接收視頻數(shù)據(jù)，DM642的視頻端口必須配置成原始數(shù)據(jù)采集模式。在這種模式下，DM642對(duì)接收到的數(shù)據(jù)不做任何選擇或插值處理。這種操作模式適合接收CMOS圖像傳感器等特殊格式的數(shù)據(jù)。由于是傳輸原始數(shù)據(jù)，DM642和MT9T001之間的連線也相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要行、場(chǎng)同步信號(hào)。當(dāng)CAPENA信號(hào)被使能后，VPID數(shù)據(jù)總線將開(kāi)始接收數(shù)據(jù)；采集速率由CMOS傳感器的PIXCLK時(shí)鐘決定。 DM642通過(guò)I2C總線CSCL和SDA控制CMOS圖像傳感器的工作模式。

3 樣機(jī)試驗(yàn)與檢測(cè)

對(duì)試制樣機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)、數(shù)碼鏡頭鑒別率檢測(cè)，對(duì)3 m遠(yuǎn)的相機(jī)分辨率標(biāo)板(ISO Resolution Chart for Electronic Still Cameras)進(jìn)行拍照后，讀取分辨率數(shù)值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得產(chǎn)品垂直分辨率達(dá)到8組，水平分辨率達(dá)到9組，分辨率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用400萬(wàn)像素佳能相機(jī)與樣機(jī)對(duì)同一地點(diǎn)、同一時(shí)問(wèn)對(duì)同一景物(箭頭所指為拍攝目標(biāo))的進(jìn)行拍攝，結(jié)果如圖3、圖4所示。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼望遠(yuǎn)功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

該研究立足于傳統(tǒng)雙筒望遠(yuǎn)鏡，應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)碼成像技術(shù)，創(chuàng)造性地解決了通過(guò)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確同步傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一物體的觀察和拍攝問(wèn)題，使望遠(yuǎn)鏡真正成為數(shù)碼相機(jī)的取景器，實(shí)現(xiàn)了真正的所拍即所望。設(shè)計(jì)的專用攝遠(yuǎn)鏡頭，消除了望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像畸變，增加了成像圖片的景深效果。望遠(yuǎn)系統(tǒng)和攝遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)焦，保證了望遠(yuǎn)鏡像面和數(shù)碼照相攝錄系統(tǒng)感光芯片上成像清晰度改變的一致性，遠(yuǎn)處景物的成像在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的比例和在照片中的比例相同。目前，該研究已經(jīng)在某些電子望遠(yuǎn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。