采用可編程邏輯器件實現(xiàn)圖像目標發(fā)生器的應用方案

采用可編程邏輯器件實現(xiàn)圖像目標發(fā)生器的應用方案引言在CCD圖像采集中，需要對圖像采集系統(tǒng)的性能進行評估，而由于CCD相機的研制時間長，研制成本高，并且不易于控制，因此，研制出開發(fā)周期短、易于控制的圖像目標發(fā)生器成為評估圖像采集系統(tǒng)中很重要的一步。圖像目標發(fā)生器的設(shè)計主要是根據(jù)數(shù)字圖像的知識，利用FPGA的大容量、高集成度、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點來設(shè)計圖像數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)CCD相機的大部分功能。該圖像目標發(fā)生器利用可編程邏輯器件的優(yōu)良性能，采用VHDL語言編程，并且在流行的FPGA芯片上實現(xiàn)，它能產(chǎn)生灰度階圖像、靜態(tài)目標圖像和運動目標圖像。在靜態(tài)目標圖像和運動目標圖像中，背景區(qū)域和目標區(qū)域的對比度反差很大。輸出的圖像的像素采用12位灰度級表示，產(chǎn)生的圖像大小是2K×1K。1、設(shè)計原理在圖像信號的生成中，最重要的是時序關(guān)系，主要的信號有：像素時鐘、幀信號、行信號和數(shù)據(jù)信號。以6×6大小的圖像為例，它們和像素數(shù)據(jù)構(gòu)成的時序關(guān)系如下。在圖1中，幀信號（frame）包括6個行（line）有效信號，同時行信號又包括6個有效的時鐘信號，這樣便可以生成簡單的6×6大小的圖像。利用這個原理，便可以生成2K×1K大小的圖像。2、硬件設(shè)計描述整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在圖2中，工作模式選擇用來決定系統(tǒng)是工作在灰度階圖像、靜態(tài)目標圖像還是運動目標圖像的模式；FPGA選用Xilinx公司的XC2S200，該芯片的最高工作頻率為200MHz，集成系統(tǒng)門為20萬門，5292個邏輯單元，用來產(chǎn)生所有的圖像數(shù)據(jù)信號；該圖像目標發(fā)生器的接口選用兩種方式：LVDS接口和CameraLink接口，其中LVDS接口芯片是美國國家半導體公司的DS90C031，CameraLink接口芯片是該公司的DS90CR283。3、圖像數(shù)據(jù)的設(shè)計該設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，先用VHDL生成底層模塊：灰度階圖像產(chǎn)生模塊、靜態(tài)目標圖像產(chǎn)生模塊和運動目標圖像產(chǎn)生模塊等，然后利用原理圖輸入法將各底層模塊調(diào)入頂層中，構(gòu)成整個圖像目標發(fā)生器，最后的圖像目標發(fā)生器的頂層原理圖如圖3所示。圖像目標發(fā)生器主要由以下幾個模塊組成：1）時鐘計數(shù)模塊該模塊是一個模2147計數(shù)器，在對時鐘計數(shù)的過程中計數(shù)器計到2047，就會產(chǎn)生一個低電平，表明產(chǎn)生一行圖像，低電平維持100個時鐘周期，即行消隱期是100個時鐘周期。2）行計數(shù)模塊行計數(shù)模塊是一個模1123計數(shù)器。對行信號計數(shù)的過程中，計到1023，輸出一個低電平，說明產(chǎn)生一幀完整的圖像，該低電平維持50個行周期，即場消隱期是50個行周期。3）灰度階圖像產(chǎn)生模塊當m《3:0》=“0000”時，圖像目標發(fā)生器工作在灰度階圖像輸出的模式下?；叶入A圖像即圖像像素的灰度值逐次加1，加至最大（212），再返回至0，然后逐次循環(huán)。4）靜態(tài)目標圖像產(chǎn)生模塊當m《3:0》=“0001”時，圖像目標發(fā)生器工作在產(chǎn)生靜態(tài)目標圖像模式下。靜態(tài)目標圖像產(chǎn)生模塊的輸入主要是行計數(shù)器模塊和時鐘計數(shù)模塊的輸出，輸出主要是圖像灰度值數(shù)據(jù)。靜態(tài)目標圖像采用時鐘計數(shù)模塊和行計數(shù)模塊產(chǎn)生的地址（行數(shù)和列數(shù)）來界定每一目標的大小，每一個圖像目標塊的大小是100×100，在該區(qū)域內(nèi)，圖像灰度值全為1，在該區(qū)域外為背景區(qū)域，圖像灰度值全為0。5）圖像幀數(shù)判斷模塊圖像幀數(shù)判斷模塊主要是依據(jù)本設(shè)計的要求設(shè)計的一個模11計數(shù)器，保證11幅圖像循環(huán)出現(xiàn)。圖像幀數(shù)判斷模塊的主要輸入信號是圖像的幀信號，幀信號是一幅完整圖像的標志，當檢測到幀信號的高電平跳變沿，說明開始一幀新的圖像數(shù)據(jù)。6）運動目標圖像產(chǎn)生模塊運動目標圖像產(chǎn)生模塊以圖像幀判斷模塊模塊、時鐘計數(shù)模塊、行計數(shù)模塊的輸出做為輸入，其中，時鐘計數(shù)模塊和行計數(shù)模塊的輸出產(chǎn)生列地址和行地址，圖像幀數(shù)判斷模塊的輸出可以保證11幀圖像循環(huán)出現(xiàn)，每一幀圖像的目標區(qū)域都不相同，這樣便可以產(chǎn)生運動目標圖像。在每一幀圖像中，由時鐘計數(shù)器和行計數(shù)器產(chǎn)生的地址來界定目標區(qū)域的范圍，在該區(qū)域內(nèi)，像素灰度值全為1，為目標區(qū)域，在該區(qū)域外，像素灰度值全為0，為背景區(qū)域。輸出是12位圖像灰度值數(shù)據(jù)。該模塊產(chǎn)生的目標區(qū)域大小是100×50。最后，我們用原理圖輸入法將上述生成的模塊調(diào)入頂層原理圖編輯器中，最后完整的圖像目標發(fā)生器如上面的圖3所示。結(jié)論將本圖像目標發(fā)生器和CL160圖像采集卡相連，在上位機采集得到灰度階圖像、靜態(tài)圖像和第一、第三幀動態(tài)圖像如圖4所示?；贔PGA的圖像目標發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)周期短，數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點，能迅速投入實際應用之中。該圖像發(fā)生器具有CCD相機常用的LVDS和CameraLink接口，能和很多常用的具有這兩種接口的圖像采集卡連接，具有很大的通用性，只需要修改部分時序就可以滿足其他的需要，具有很好的可移植性。在實際的圖像采集系統(tǒng)的評估中，利用該目標發(fā)生器驗證了圖像采