（机械电子工程专业论文）一种浅水域图像采集器的研制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 从2 0 世纪5 0 年代至今，经过半个世纪的发展，数字图像处理的内涵和 外延都得到了极大的扩充。图像采集器就是在这样的背景下发展起来的，它 可以对目标景物图像进行实时采集和监视，并将采集到的图像全部或部分地 记录下来，为日后对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。 本论文的目的就是设计一种可以在水下搜救、打捞物品等过程中实现图 像采集功能的一种产品，针对真实环境下的水下图像进行采集、处理。 本文对图像采集系统进行了设计和研究。首先，分析了图像采集原理、 图像采集过程，并在此基础上设计了图像采集器各部分的硬件电路。其次， 以t i 公司的高速d s p 为主处理芯片构建了一个视频图像采集与网络化传输平 台，具有高速视频图像采集，高效图像编码压缩，使用工业以太网和t c p i p 协议进行图像数据传输。再次，采用离散余弦变换算法实现图像的压缩处理， 并在图像预处理的过程中充分利用水下图像的熵信息，在图像增强上采用了 基于相对熵的水下图像模糊增强方法，针对传统模糊增强的分界点难以确定 的问题，利用图像分割原理结合相对熵方法很好地解决了这个问题。最后， 研究了神经网络识别方法。针对b p 神经网络的限制和不足进行改进，可以 采用动量因子和自适应的学习速率来进行调节。经过实际编程和实验的验证， 识别的准确率较高。 实验结果表明，基于d s p 的网络化视频图像采集系统，结合离散余弦变 化算法把图像压缩成p e g 格式进行存储，能够克服传统基于p c 机模式的图 像处理系统的缺点，提高系统的实时性能，最大可能的降低成本。针对水下 光学成像困难，采用了基于相对熵的水下图像模糊增强方法，改善了图像系 统中的图像的质量。 关键词：水下图像采集；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；j p e g ；图像预处理；熵 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f r o m19 5 0 st ot h ep r e s e n t ，a f t e rt h ed e v e l o p m e n tf o rh a l fac e n t u l y , t h e c o n n o t a t i o na n de x t e n s i o no fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gh a sb e e ne x t e n d e dh u g e l y i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e md e v e l o p e du n d e rt h i sb a c k g r o u n d i tm a yc a r r yo n r e a l - t i m e g a t h e r i n g a n dt h es u r v e i l l a n c et ot h eg o a l s c e n e r yi m a g e ，a n di s m o n i t o r e dt h ep l a c et h ei m a g ec o m p l e t e l yo rp a r t i a l l yr e c o r d s ，t h u sp r o v i d e s c o n v e n i e n c ea n di m p o r t a n tg i s tf o rt h ea f t e rd i s p o s a lo fs o m ea f f a i r s t h et h e s i sp u r p o s ei st h ep r o d u c td e s i g n i n gt h a to n ek i n dc a l lb ei nt oc o m e t r u ei ns e a r c h i n gf o rp r o c e s ss u c ha ss a v i n g ，s a l v a g i n ga l la r t i c l em o n i t o r i n ga f u n c t i o no n eu n d e r s e a s p e c i e s ，t h ei m a g ec a r r i e s o u ta c q u i s i t i o n ，h a n d l e s s p e c i f i c a l l yf o rl o w e rt r u ee n v i r o n m e n tu n d e r s e a t h em a i nb o d yo fab o o kh a sb e e nd e s i g n e da n dh a ss t u d i e d i m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e m f i r s t l y , h a v ea n a l y s e da ni m a g ec o l l e c t i n gp r i n c i p l e ，t h e i m a g ec o l l e c t i n gp r o c e s s ，a n dv e r yp a r t h a r d w a r eh a v i n gd e s i g n e di m a g e c o l l e c t i o ns t a t i o nh e r eo nt h eb a s i si sc i r c u i t a l s e c o n d l y , d s pg i v e sf i r s tp l a c et o h i 曲s p e e do ft ic o m p a n ys e l l i n gac h i pa tr e d u c e dp r i c e sh a v i n gs t r u c t u r e da v i d e of r e q u e n c yi m a g ea c q u i s i t i o na n dn e t w o r k r i z a t i o nt r a n s m i s s i o np l a t f o r m , h a v eh i g hs p e e dv i d e of r e q u e n c yi m a g ea c q u i s i t i o n ，t h eh i g h - e f f e c ti m a g ec o d e c o m p r e s s e s ，u s et h ei n d u s t r ye t h e m e ta n dt c p i pb ya g r e e m e n tt oc a r r yo u t i m a g ed a t at r a n s m i s s i o n t h i r d l y , a d o p tt h ed c ta l g o r i t h mt or e a l i z et h ei m a g e c o m p r e s s i n g ，a n df u l l yu t i l i z e i nt h ep r o c e s so fi m a g ep r e t r e a t m e n tu n d e r s e a i m a g ee n t r o p yi n f o r m a t i o n t h eu n d e r w a t e ri m a g eh a v i n ga d o p t e do n s t r e n g t h e n i n gi n t h e i m a g er e l a t i v ee n t r o p y - b a s e di sm i x e du ps t r e n g t h e n i n g m e t h o d p r o b l e mb e i n gd i f f i c u l tt oa s c e r t a i nt h a ts p e c i f i c a l l yf o rt r a d i t i o nm i x e s u pe n h a n c e ds e p a r a t i o n ，m a k eu s eo fa ni m a g et oc a r v eu pp r i n c i p l ea n dh a v e r e s o l v e dt h i sp r o b l e mv e r yg o o d c o m b i n i n gw i t h r e l a t i v e e n t r o p ym e t h o d f i n a l l y , i m p r o v e db a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e tm e t h o di sa p p l i e dt or e c o g n i z e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u n d e r w a t e ro b j e c t s ，t om a k et h eb pe f f i c i e n t ，a d a p t i v el e a r n i n gs p e e da n d m o m e n t u ma r ei n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c i s i o no f r e c o g n i t i o ni sh i 曲 t h ee x p e r i m e n tb e a rf i u i ti si n d i c a t e d ，o w i n gt ot h ei m a g ec o l l e c t ss y s t e mo f n e t w o r k - r i z a t i o nd s pv i d e of r e q u e n c y , u n i o nd c ta l g o r i t h m , t h ef o r ma ni m a g e i sc o m p r e s s e db e c o m i n gj p e gc a r r i e so u tm e m o r y b ea b l et oo v e r c o m et r a d i t i o n t h ep a t t e mi m a g eh a n d l e st h es y s t e m a t i cs h o r t c o m i n go w i n gt op cm a c h i n e ， i m p r o v et h es y s t e m a t i cr e a lt i m ef u n c t i o n ，m a x i m a lp o s s i b l ec o s tr e d u c t i o n b e a i m e da tu n d e r s e ao p t i c a li m a g e r yd i f f i c u l t y , t h eu n d e r s e ai m a g eh a v i n ga d o p t e d r e l a t i v ee n t r o p y - b a s e di sm i x e du ps t r e n g t h e n i n gm e t h o d ，t h ei m a g em a s si n h a v i n gi m p r o v e di m a g es y s t e m k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ri m a g ec o l l e c t i n g ；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；j p e g ；i m a g e p r e - p r o c e s s ；e n t r o p y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 殛毒 日期：如k 年弓月弓日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在现代工业发展和企业管理中，工业自动化和企业信息化的发展越来越 迅速，企业生产经营过程中监测范围也随之不断拓展，随着图像采集、图像 传输、图像处理技术的不断进步，图像采集系统逐渐发展成熟并越来越多的 应用到工业生产中，其应用范围也不断扩大。图像采集系统主要应用于重要 区域或远程地点的监视和控制，在银行、金融、水利、航运、大型企业、治 安、消防、小区保安等领域具有举足轻重的地位。这些优秀的监控系统技术 已经非常完善，应用广泛。 本课题是根据社会的实际需求，设计一种可以在水下搜救、打捞物品等 过程中实现浅水域图像采集功能的一种产品。这种产品能够从事许多水下图 像采集的工作，譬如说水下观测、浅水域检测实验、水下养殖业、水下物体 的搜救打捞等等。针对这些工作，设计视频图像的实时采集、实时处理、图 像数据传输以及视频图像的存储。 水下图像采集技术在日常生产生活中应用普遍，水下图像采集工作通常 采取的方案是潜水员携带水下摄像机进行水下拍摄或者采用安装到船上的水 下图像采集设备对水下周围环境进行拍摄录像，这些设备多数比较昂贵，性 价比不高且使用起来不方便。课题中所要设计的图像采集器采用高速数字信 号处理器d s p 作为主处理器，对采集到的图像数字信号进行处理，并对图像 编码压缩。根据水下复杂多变的环境采用工业以太网进行数字图像传输，以 便上位机进行相关的分析处理，并得出相应的结果。图像采集器主体部分通 过操作人员用与采集器外壳部分连接的伸缩杆使采集器进入水下完成图像采 集工作。本文设计的采集器操作简便，经济实用，能够很好的满足社会的实 际需求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 相关技术发展现状简介 1 21 国内外图像采集器产品发展概况 目前流行的远程视频图像监控系统如图1 1 所示。图示系统的图像压缩 几乎全部采用基于p c 机的视频图像采集卡。这样的设计结构使得视频前端 ( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯) 较为复杂，系统的稳定性、可靠性 不高，且价格昂贵，而且在平时，p c 机也需要专人管理和维护，操作较为繁 琐。 图1 - 1 视频图像监控系统的客户端 除此之外，这类系统还具有以下缺点：布线工作量大：远程图像传输困 难；需要专用软件，开发周期长，难度大；对于每一个监视点需要布一根同 轴电缆和一对4 8 5 信号传输线分别用于传输视频信号和云台、镜头的控制命 令，这无疑会增加工程施工的工作量”1 。 近几十年来，作为水下运载平台和作业工具的水下机器人技术得到了迅 猛的发展。许多国家尤其是发达国家都致力于水下机器人技术研究和产品开 发。美国、加拿大、英国、日本、中国、俄罗斯等国，都成立了专门的机构 或者在高校里成立专业研究室研究水下机器人技术。如美国的海军研究生院 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的自主式水下运载器研究中, l 二, ( c e n t e rf o ra u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e r e s e a r c h ) ，缅因州立大学的海洋系统工程实验室( m a r i n es y s t e m se n g i n e e r i n g l a b o r a t o r y ) 和自治水下系统学院( t h ea u t o n o m o u su n d e r s e a s y s t e m si n s t i t u t e ) ， 英国的水下技术中- 6 , ( m a r i n et e c h n o l o g yc e n t e r ) ，日本东京大学的水下机器人 应用实验室( u n d e r w a t e rr o b o t i c sa p p l i c a t i o nl a b o r a t o r y ) 等：而且国际间己经 成立的一些专业协会，如e e e 海洋工程协会( i e e eo c e a ne n g i n e e r i n gs o c i e t y ) ， i e e e 机器人和自动化协会( i e e er o b o t i c sa n da u t o m a t i o ns o c i e t y ) ，海事技术 协会( m a r i n et e c h n o l o g ys o c i e t y ) 等都为推动水下机器人技术的发展做出了应 有的贡献。我国也在积极地开展水下机器人的研制工作，如沈阳自动化所等 六单位共同研制的“探索者”和与俄罗斯合作的6 0 0 0 米深海自治式水下机器 人“c r - 0 1 。哈尔滨工程大学智能水下机器人实验室研制的“智水一i ”、“智 水i i ”、“智水i ”、“智水 系列自主式智能水下机器人，在智能控制等多 方面已具有国内领先水平，部分接近或达到美国同期研究水平。 1 2 2 通用d s p 的发展现状 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越 来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看， m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如 t m s 3 2 010 ) 降低到10 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理 能力提高几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年占模片区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上b 1 。d s p 芯片的引 脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加， 意味着结构灵活的增加，如外部存储器的扩展和存储器之间的通信等。 在众多的d s p 芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出启迪一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 ，t m s 3 2 c l o c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等， 之后相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 ，t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代 d s p 芯片t m s 3 2 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 c 4 0 c 4 4 ，第五代 d s p 芯片t m s 3 2 c 5 0 c 5 1 c 5 2 c 5 3 以及集多d s p 于一体的高性能d s p 芯片 t m s 32 c 8 0 c 8 2 等。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 本文采用的d s p 就是t i ( 德州仪器) 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 。它在 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中是性能最好的一代定点d s p 。它是德州仪器基于第二代 高性能、先进的v e r y - l o n g - i n s t r u c t i o n - w o r d ( v l l w ) 架构开发出来的，专用于 数字媒体应用。 1 2 3 数字图像压缩技术和传输技术发展现状及趋势 数字图像处理技术最早出现于2 0 世纪5 0 年代，当时的电子计算机已经 发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处 理作为- f - 学科大约形成于2 0 世纪6 0 年代初期，常用的图像处理方法有图 像增强、图像复原、图像编码、图像压缩等。 经过半个世纪的发展，数字图像处理的内涵和外延都得到了极大的扩充， 从大体上可以分为以下几个方面：图像信息的获取，图像信息的存储，图像 信息的传送，图像信息处理，图像信息的输出和显示。数字图像处理和通信 技术、互联网技术的联系越来越紧密，现代通话已经从电话、数据、传真发 展到可提供视觉信息的可视电话、会议电视以及数字视音频为主要内容的各 种类型的多媒体通信，现代图像和多媒体通信业务、工业图像监控系统的发 展，需要大量的存储、记录和传输各类静止图像和活动图像。它们要求图像 质量高，设备稳定可靠，成本低廉，并且能够适应现代网络技术的迅速发展。 图像和数字化视频具备许多优点：数字传输质量显著高于模拟传输质量， 可经多次中继而引起而引起噪声的严重积累，并且基本不受传输系统的非线 性影响；易于采用信道编码技术提高传输的可靠性；便于利用时分复用技术 与其他通信系统结合，纳入多种信息兼容的数字综合业务网数字图像信息易 于加密，提高信息安全性等等。如何在保证图像质量的前提下，用最少量的 数码或最低的数码率实现各类数字图像和信息的存储、记录和传输，高度信 息化的现代社会对技术进步不断发展的需求对数字图像处理和传输技术提出 了更高的要求，推动了图像编码压缩技术的进一步发展。 近十年来，在国际标准化组织( i s o ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际电信联 盟( i t u ) 等国际组织的努力下，图像编码技术得到了迅速发展的广泛应用，并 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且日臻成熟，其标志是多个关于图像编码的国际标准的制订，其中有关于静 止图像的编码标准：j p e g j p e g 2 0 0 0 ，关于活动图像的编码标准m p e g 一1 、 m p e g 2 、m p e g 4 ( 2 ) 、m p e g - 4 ( 1 0 ) 以及视频编码标准h 2 6 x 系列。这些标 准融合了各种性能优良的图像编码算法，代表了目前图像编码技术的发展水 平阳。 1 3 本文的主要研究内容 作者对图像采集系统进行了设计和研究，其论文的主要研究内容有： ( 1 ) 分析了图像采集原理，图像采集过程，并在此基础上设计了图像采 集器各部分的硬件电路。 ( 2 ) 完成了基于d s p 的图像采集系统的总体设计和硬件设计。 ( 3 ) 设计了图像采集模块，基于j p e g 的图像编码模块、网络传输模块。 ( 4 ) 采用离散余弦变换算法实现图像的压缩处理，并针对水下图像采集 需要克服的图像质量问题，采用基于相对熵的水下图像模糊增强技术对图像 质量进行优化。 ( 5 ) 提取二值图像的特征并用b p 神经网络进行目标识别。在分割后的二 值图像基础上，提取图像六个不变矩特征。这些特征作为b p 神经网络的输 入，针对b p 神经网络的限制和不足进行改进，进行最后的识别工作。b p 算 法改进的主要目标是为了加快训练速度，避免陷入局部极小值，可以采用带 动量因子和自适应的学习速率来进行调节。经过实际编程和实验的验证：b p 网络分为3 层，输入6 个特征值，识别4 类目标，识别的准确率较高。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第2 章图像采集器的总体方案及硬件设计 2 1 图像采集器的结构设计 本文设计的图像采集系统主要由以下几个部分组成：图像采集部分、a d 转换部分，图像处理部分，图像传输部分和系统控制部分，如图2 1 所示。 图2 1 图像采集器的框架图 图像采集部分( c c d 摄像机头) 主要负责完成目标景物到图像信息的转 换，镜头和其他辅助设备用来完成目标景物的取景、照明和聚焦等功能。 a d 转换部分的功能主要是将模拟图像信号转变成数字图像信号，并保 证转换过程中不失真。 图像处理部分是监控系统的中信号的处理部分，它关系到系统图像的实 时性，图像再现的质量和存储器的容量。它包括本地图像处理和再现图像处 理两部分，本地图像处理主要是对图像采集部分输出的信号进行编码和压缩， 以便有利于图像的实时传输；再现图像处理则是对经过图像传输后，叠加了 噪声的信号进行恢复、解码，以便按照系统的要求准确的再现图像并显示。 图像传输部分是指监控系统的图像信号通路。传输部分主要是传输图像 信号，但同时控制中心要系统进行控制和参数设置，因此还应包括控制信号 和参数设置信号的传输。图像传输部分的功能就是把经过图像处理部分处理 过的图像信号及时准确地传送到再现端，实现景物再现。对于图像信号的传 输，主要要求在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声和失真，确保 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 能够准确地再现图像。 系统控制部分是整个系统的“心脏 和“大脑 ，是实现整个系统功能的 指挥中心。系统控制部分的主要功能是图像采集控制、地址译码、图像处理 控制、图像传输控制等。 2 2 图像采集系统硬件组成及选型 本文设计的图像采集系统由以下主要硬件组成：c c d 摄像头，图像采集 a d 转换装置，数据缓存存储器f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ，先进先出数据存储器) ， c p l d 控制器，视频编码系统硬件平台d m 6 4 2 ，数据存储器双端口r a m ， 网络化传输芯片d m 9 0 0 0 ，r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口，无线传输模块，电源管理芯 片，其他功能模块等。本模块硬件框图如图2 2 所示。 。 l 爿硼r a m 口 r _ f l a s h 、j l 目咻d m 甜9 0 0 r 1 t 、+ 耳摇n 图像采集 i 口= 一 t m $ 3 2 0 ic c b 儇像头l ： 。：赢一l ： 复；乏仔f i f o 【 l r 、。1 = i a ，uu j 、1 0 4 z 目毳豢罂篓 j tt l 广 图像采集控制、 地址译码芯片 c p l d 爿嚣 ( e p m 7 1 2 8 ) 爿譬篱 图2 2 图像采集系统硬件框图 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为中央处理器，摄像头及a d ( s a a 7 1 11 a ) 部分将模拟 图像信号转换为原始数字图像信号并存入缓存f i f o 中。双端口r a m 用于存 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 储采集到的数字图像和经过d s p 变换后的相应程序存储空间，作为图像处理 的输入源图像，f l a s h 用于存储d s p 的源程序，主要包括d s p 初始化、启 动图像采集、j p e g 视频压缩处理、网络化传输、无线传输、串行数据和并行 数据的传输等代码。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 通过网络接口芯片d m 9 0 0 与p c 连接，通过t c p i p 协 议实现图像数据网络传输，同时t m s 3 2 0 d m 6 4 2 通过无线收发模块实现图像 数据无线传输。系统工作过程：上电后系统程序自动从f l a s h 装载到d s p 的 片内r a m 中，t m s d m 6 4 2 自动调用程序r a m 中的代码执行。首先通过1 2 c 总线对s a a 7 1 1 1 a 图像芯片的工作参数进行设置，图像采集控制电路收到 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的采集图像命令后，在图像采集控制电路( 由c p l d 实现) 的 作用下，s a a 7 1 1 a 按设定的工作参数获取图像，地址译码电路将数字图像存 储在d s p 的片外数据存储器双端口r a m 中，用j t a g 算法对存储器中的图 像数据进行处理，将处理结果通过网络芯片接口，通过t c p i p 协议传输给 p c 机。同时将图像信号经过无线收发模块进行无线传输。p c 机收到图像信 号后，进行图像的解码，并在屏幕上显示，完成一幅图像的压缩和解压缩过 程。不断重复上述操作，可实现图像的实时采集和处理。 在视频图像采集和传输系统中，视频源、中央处理芯片、数字控制逻辑、 网络化传输芯片是最核心的部分，这几个部分的选型相当重要，将直接影响 到系统的工作性能。随着图像传感器技术、超高速数字信号处理器d s p 技术、 大容量数据存储技术、宽带数据传输技术等在图像采集系统中的不断应用， 世界上各个知名公司也推出了许多与之相适应的设备和处理芯片。本系统中 各个核心部件根据实际需要选用目前应用广泛的配置，为系统扩展和后续开 发预留了一些空间。 2 2 1c c d 视频摄像机的选型 根据本文所要设计的采集器的功能和实际用途，需要选用一种摄像机， 使它可以满足长时间对监测目标的图像进行可靠准确的采集要求用。 本系统所选用的是日本松下公司生产的w v o c l 9 2 0 a 摄像机，增加了有 近红外特性的c c d ，可以自动从白天的彩色监控模式切换到夜晚的黑白监控 模式，真正实现了2 4 小时监控。在f 1 4 镜头时，彩色模式下最低照度为 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 0 1 4 l u x ，黑白模式下最低照度为0 0 1 l u x 。使用电子灵敏度提升功能之后， w v - c l 9 2 0 a 摄像机的灵敏度比普通摄像机提高了3 2 倍。使用近红外光源以 后，摄像机在完全没有光源的情况下，仍然可以利用近红外实现监控。 w v - c l 9 2 0 a 摄像机还具有高速电子快门、字符显示、报警输出端口可连接 遥控器或其他监控设备的特点。 w v - c l 9 2 0 a 摄像机的技术参数碍1 ： ( 1 ) 1 2 型红外敏感行间转移c c d ( 2 ) 可以自动或手动切换彩色或黑白模式 ( 3 ) 超高灵敏度；f 1 4 时彩色模式：o 1 4 l u x 、黑白模式：o 0 1 l u x f 0 7 5 时彩色模式：0 0 4 l u x 、黑白模式：o 0 0 5 l u x ( 4 ) 彩色模式水平分辨率4 8 0 线，黑白模式水平分辨率5 7 0 线。 ( 5 ) 通过先进的电子光圈控铝i j ( e l c ) 功能，可以在室内应用时使用固定光 圈。 ( 6 ) 内置1 6 位字符( 数字字母) 发生器 ( 7 ) 电子快门速度从1 5 0 秒到1 1 0 ，0 0 0 秒 ( 8 ) 电子灵敏度提升( 自动手动关) ( 9 ) 具有外同步端e l 适合大型系统应用 ( 1 0 ) 可使用a c 2 4 v 或d c l 2 v 供电 2 2 2 主处理器的选型 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 公司新近推出的一款针对多媒体处理应用的d s p 。 对于个功能复杂的系统而言，除了高速的图像处理，还要求能在众多的任 务之间进行合理的调度，否则，任何地方都可能成为系统瓶颈。d m 6 4 2 可以 加载嵌入式操作系统( 如d s p b i o s ，u c o s ，l r n u x ) ，方便地实现任务调度、 内存管理等功能，从而大大提高了系统的总体性能。 d m 6 4 2 的内部结构如图2 2 所示p 1 。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 内部结构 1 ) t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的主要性能指标n ( 1 ) c 6 4 x 内核，5 4 8 脚b g a 封装 ( 2 ) 内核工作电压为1 4 v , i o 工作电压为3 3 v 。 ( 3 ) 内部工作时钟为6 0 0 m h z ，运算能力为4 8 g i p s ，外部总线时钟为 1 0 0 m h z 。 ( 4 ) 支持i e e e 11 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口。 ( 5 ) 两级c a c h e 结构。一级程序c a c h e 和一级数据c a c h e ，各自为 1 6 k b y t e s ；- - 级c a c h e 为2 5 6 k b y t e s ，它可以配置成程序和数据缓存，一般用 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作存储视频数据。 ( 6 ) 一个增强型d m a 控制器( e d m a ) 。d m 6 4 2 的所有片上外设都是 通过该控制器与内核或外设之间进行数据传输，除此以外，e d m a 在与视频 端口结合时，能够通过配置e d m a 参数表对采集到的隔行扫描的两场图像数 据合并成一帧图像数据，以便后续处理。 2 ) t m s 3 2 0 d m 6 4 2 主要片上外设 ( 1 ) 视频端m ( v p ) d m 6 4 2 提供3 个可配置的视频端h ( v i d e op o r t 0 、v i d e op o r t l 、v i d e o p o r t 2 ) ，可与视频解码器和视频编码器无缝接口。每个端1 2 1 均支持多分辨率和 多视频标准( 如c c l 8 6 0 1 、i t u b t 6 5 6 等) ，能够工作于视频捕获、视频输出 等方式n 。它们各自有51 2 0 b y t e s 的f i f o ，用于缓存采集到的图像数据。 ( 2 ) 网络端口( e m a c ) d m 6 4 2 片上集成了一个以太网媒体存取控制器( e m a c ) ，采用标准的m i i 接口可直接连接以太网收发器。它支持自动生成传输c r c ，支持1 0 1 0 0 m b p s 网络传输，支持半双工和全双工工作模式，支持硬件流量控制及服务质量保 证( q o s ) 1 1 7 o ( 3 ) 外部存储器接h ( e m i f ) e m i f 具有4 个片使能，最高传输率可达1 3 3 m h z ，支持6 4 、3 2 、1 6 、8 位存储器予系统。e m i f 共有3 个内存控制器：s d r a m 控制器提供1 6 m b y t e s 2 5 6 m b y t e ss d r a m 存储器空间管理，可编程同步控制器用于连接各种同步存 储器，可编程异步控制器则用于与各种异步存储器直连。 ( 4 ) 其他外设 除以上部分外，d m 6 4 2 还包括多路音频串h ( m c a s p ) 、3 2 位主机接口 ( h p i ) ，p c i 总线接1 2 1 、1 6 位通用i o 端h ( g p i o ) ，3 个定时器以及1 2 c 总线 模块引。 2 2 3 图像采集芯片的选型 视频信号中除了包含图像信号以外，还包括了行同步信号、行消隐信号、 场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前后均衡脉冲等，因此对视频信 号进行a d 转换的电路也非常复杂。在本系统中采用的s a a 7 1ll a 是p h i l i p s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 公司推出的可编程视频输入处理芯片，它利用复合电视信号频谱交错的特点， 采用数字式梳状滤波器实现高精度亮色信号分离。基于离散时间振荡器 d t o ( d i s c r e t et i m eo s c i l l a t o r ) 的p l l 技术能方便的提供各种频率的高精度锁 相。 s a a 7 1 1 1 a 采用c m o s 工艺，通过简洁的i 2 c 总线与其他器件( 如计算机 和嵌入式芯片) 连接可方便的构成图像采集的开发系统。s a a 7 11 1 a 内部包含 两路模拟处理通道，可以选择视频源( 如c u b s ，y c ) 并可抗混叠滤波，同时 还可以进行模数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式解码等， 另外还可以对模拟输入控制、亮度、对比度和饱和度和数据输出格式进行控 制。s a a 7 1 1 1 a 芯片内的场同步信号v r e f 、行同步信号h r e f 、时钟参考输 出l l c 2 、象素时钟信号c r e f 都由芯片引脚直接引出，从而省去了时钟同 步电路的设计，系统内部锁相环技术的集成使得可靠性有了很大的提高，并 极大的降低了设计的复杂度钔。 s a a 7 1 1 l a 的内部结构框图如图2 3 所示，其主要特点： ( 1 ) 具有四路模拟输入和内部模拟信号源选择 ( 2 ) 具有两路模拟预处理通道 ( 3 ) 对所选择的c v b s 或y c 通道可以编程为静态增益控制或自动增 益控制 ( 4 ) 带有两路内置的模拟抗混叠滤波器 ( 5 ) 内含两个8 位的a d 转换器和片内时钟发生器 ( 6 ) 具有梳状滤波器功能 ( 7 ) 行锁定系统时钟频率 ( 8 ) 具有数字p l l ，可以用来进行行同步处理和时钟发生 ( 9 ) 所有不同的制式标准只需同一频率的晶振( 2 4 5 7 6 m h z ) ( 1 0 ) 可自动进行行、场同步的检测、自动进行5 0 6 0 h z 场频的检测， 自动进行标准p a l 制式和n t s c 制式间的转换 ( 11 ) 可对各种制式的视频信号的亮度和色度进行处理，包括 p a l b g h i 、p a l n ，p a lm ， n t s cm 、n t s cn 和n t s c4 4 3 ( 1 2 ) 用户可编程进行亮度峰值控制和镜头孔径修正 ( 1 3 ) 可进行亮度、色度、饱和度的片内控制 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( 1 4 ) 数据输出格式多样： 4 ：l ：1 的y u v 格式0 2 位) 4 ：2 ：2 的格式( 1 6 位) 4 ：2 ：2 的y u v 格式 按照c c i r - 6 5 6 标准 ( 8 位) 5 ：6 ：5 的r g b 格式( 1 6 位) 8 ：8 ：8 的r g b 格式( 2 4 位) ( 1 5 ) 符合i e e e1 1 4 9 1 标准扫描逻辑的边界测试电路 ( 1 6 ) 可通过1 2 c 总线接受外部控制器的完全控制 模拟输址 行同步信号时钟信号 ( h s v s v r e f r t s o r t f i l )( l l c l l c 2 c r e l ：) 图2 3s a a 7 1 1 1 a 的内部结构框图 2 2 4 网络传输芯片的选型 本视频图像采集网络化传输系统对数据传输的要求较高，我们采用了 d a v i c o m 的d m 9 0 0 0 以太网控制器芯片，它执行基于i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 3 u 局域网标准的1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 以太网控制功能，并提供m i i 接口、通用 处理器接i s l u 副。此芯片集成了网卡最重要的二部分p h y 和m a c ，具有 e e p r o m 和内部r a m ，可以编程实现1 0 m 和1 0 0 m 的转换，其内部通过一 系列的量化编码、校验检测、串并转换来完成数据的传输。另外，它可以根 据不同的网络接口自动协商，使之适应外围的网络连接设备，达到完美的效 果；还根据所连接的网线上是否有信号采用不同的供电模式，达到低功耗的要 求。 哈尔滨工程大学硕士学何论文 d m 9 0 0 0 可以采用1 6 到3 2 位的数据宽度，传输的数据宽度可以动态设 定。地址和数据端口可以根据c m d 信号来分时复用；另外，d m 9 0 0 0 还有很 多的外围接口，如l e d ，e e p r o m ，m i i 等。由于数据有时是以猝发形式收 到的，因此，d m 9 0 0 0 还集成有接收缓冲区，以便在接收到数据时能把数据 放到这个缓冲区中，然后由数据链路层直接从该缓冲区里取走数据q 。链路 层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们 一起处理与电缆的物理接口细节数据，它的缓冲区可用来暂时存储要发送或 接收的帧。 2 2 5 数字逻辑控制芯片的选型 为了满足本系统时序复杂、逻辑控制精确、可靠采集和传输等要求，我 们选用的数字逻辑控制芯片是a l t e r a 公司推出的m a x 7 0 0 0 s 系列 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 中较高端的e p m 7 12 8 。它采用 c m o se e p r o m 工艺，传输延迟仅为5 n s ；内部具有丰富的资源：1 2 8 个触 发器、5 0 0 0 个用户可编程f - j ；而且具有6 8 个用户可编程的i o 口，为系统 定义输入、输出和双向提供了极大的方便；为了比较适合混合电压系统，通 过配置，输入引脚可以兼容3 3 v 5 v 逻辑电平，输出可以配置为3 3 w 5 v 逻 辑电平输出。e p m 7 1 2 8 提供了j t a g 接口，可进行i s p 编程引。 2 3 图像采集器的硬件电路设计 2 3 1d s p 核心电路设计 l 、电源引脚和时钟引脚 电源引脚：电源电压分为两级，提供c p u 核使用的电源电压c v d d 及提 供片上外设使用的电源电压d v d d 。整个电路板采用+ 5 v 电压供电，可以从 外部引入也可以从扩展的p c i 接口引入。 c p u 内核电压c v d d ( 1 6 、6 8 、9 1 、1 2 5 、1 4 2 脚) 为+ 1 4 v 外围i o 电压d v d d ( 4 、3 3 、5 6 、7 5 、1 1 2 、1 3 0 脚) 为+ 3 3 v v s s ( 3 、1 4 、3 4 、4 0 、5 0 、5 7 、7 0 、7 6 、9 3 、1 0 6 、1 1 1 、1 2 8 脚) ，接地。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 时钟引脚：时钟发生器由内部振荡器和锁相坏p l l 电路构成，可以有两 种方式提供参考时钟输入。本系统采用的时钟电路如图2 4 所示。 x 1 ( 9 6 脚) ：接外部晶体振荡器的一个引脚接地或悬空。 x 2 c l k