[发明专利]一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法

说明书

本发明公开了一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法，包括CMOS传感器用于采集可见光图像并进行数模转换；FPGA控制单元接收图像数据并进行数据处理；使用CoaXPress接口及其相应驱动芯片，对处理过的图像数据进行传输；和电源供电单元。本发明解决了现有的高速相机视频数据无法实时传输的问题，实现了1000帧/秒工作速度，采用的CMOS芯片实现了1280*1024图像分辨率，数据位深为8Bits的高速图像传输，增加了数据传输带宽；采用DC‑DC电源和LDO电源供电，系统噪声小，功耗低，成像质量好；采用CoaXPress接口传输图像数据，可实现1000帧/秒的实时图像显示。此外，本系统还可以通过上位机配置CMOS探测器工作模式等参数，操作简单，使用方便。

技术领域

本发明属于图像处理技术，具体涉及一种高速高清CMOS成像系统及其成像方法。

背景技术

科学的发展推动着人类向更精细、更微妙世界的探索。在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种高速运动过程进行观察、数据采集与分析变得越来越有意义。在军事研究方面，通过记录和分析高速变化过程中的各个瞬态，例如武器发射、炮弹轨迹、火药爆破、火箭飞行等，为实验研究、武器设计与改良提供了更加有效的途径；在工业生产方面，通过实时监测生产线上的零件缺陷，提高了生产效率，又避免了人工的漏检与错检；在汽车制造方面，通过研究汽车碰撞瞬间各部位的变化以及人体模型的受力状况，生产出安全系数更高的汽车。

在中等亮度的光刺激下，人眼视觉极限分辨频率仅为12～16帧/秒，无法观察几十、几百甚至上千帧的高速运动现象。此外，由于普通摄像机技术的“冻结”能力有限，在观察具有一定速度变化的运动过程时，常会出现图像歪斜甚至拖尾等模糊不清的现象，速度越高，图像质量越差。因此，研制一种能够对快速现象进行拍摄，并将其放慢到人眼视觉可以分辨程度的摄像机，显得尤为重要。早期的高速摄影设备主要是光机式高速相机，此类相机运用光学原理配合高速动作的机械结构完成对快速变化过程的观测和记录。按照工作方式的不同，光机式高速相机可分为间歇式高速相机、光学补偿式高速相机和转镜式高速相机三种。尽管就拍摄速度而言，光机式高速相机可以达到观测和记录的需要，但由于使用胶片作为存储介质，不可避免的引入了显影、定影等繁琐的胶片处理工作，然后才得以进行数据的分析，这就造成光机式高速相机后端处理速度慢，无法实时观察所拍到的图像；并且判读误差大，在试验中容易受到干扰；高速拍摄时所要耗费的胶片数量也过大，使用成本进一步增加，以上这些难以克服的弊端制约了胶片式高速相机的发展。随着电子技术的发展，在上世纪90年代出现了高速数字式相机。

当前，能够实现“快摄慢放”技术的探测器主要分为CCD和CMOS两种类型。近年来，CCD图像传感器以噪声小、灵敏度高等特点在摄像领域占据一定位置，但其分辨率与帧频不可兼得，在追求高速摄影时势必会损失画质、增加器件成本与器件功耗。然而，CMOS传感器并不存在帧频与分辨率的折衷问题，在百万像素分辨率下拍摄速度可达1000fps甚至更高，与CCD相比，能够为瞬态研究提供更加精确的瞬间信息，成为瞬态研究的得力工具。

高速成像系统的海量数据存储与采集一直是设计的计数瓶颈。对于1000帧以上的高速成像系统，它要求在1ms以内处理一整帧的图像数据，在分辨率大于1000*1000、数据位数为10bit时，其数据量超过10Gbps，实时处理难度很大，需要采用其他方法。目前市场上的高速摄像机的图像数据采集一般是先采用高速海量数据存储单元对图像进行存储，而后再进行处理送至计算机显示的方法完成，这种方法原理简单，虽然不能实时处理高速图像，对于高速高清成像系统是唯一可行的方法。

中国专利200910021207.6，公开了一种高帧频高分辨率CMOS成像系统，以CPLD为控制单元，以SDRAM作为高速存储单元，实现了500帧，1280*1024分辨率的高帧频高分辨率成像，但SDRAM存储速度较慢，数据带宽较小，不适合1000帧以上的高分辨率成像系统的数据缓存，且没有将探测器和其他单元的供电分开，噪声较大，图像效果一般，另外，采用一般数据接口传输图像数据，只能实现缓存显示。

发明内容