（电子科学与技术专业论文）高帧频相机图像数据融合技术的研究.pdf

a bs t r a c t i nt h em o d e mr a n g et e s t a d o p t i n gm u l t i 。s o u r c e i n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yi s n e e d e dt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i st h e s i ss t u d i e sa b o u tt h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mf o rm u l t i s e n s o r d a t am s i o n t e c h n o l o g y t h es y s t e mc o n s i s t so fd i g i t a lc a m e r a s ，i m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e m s ，v i d e od i s p l a ys y s t e m t h i st h e s i sc o m p l e t e st h ed e s i g no fi m a g ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m s ，a n dv i d e od i s p l a ys y s t e m f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s f p g aa n d a v rm i c r o c o n t r o l l e ra r eu s e da st h ec o r ep r o c e s s i n g p l a t f o r mt oc o m p l e t ed i g i t a li m a g e a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fd i g i t a l c a m e r a s o u t p u t i no r d e rt of a c i l i t a t el a t e rd a t a p r o c e s s i n g ，i ni m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g p r o c e s s ，t h eo p e r a t i o ni n f o r m a t i o ni s c h a n g e dt oc h a r t ，g p st i m ei n f o r m a t i o ni sc h a n g e di nf o r mo fb a rc o d et oi n t e g r a t ei n t ot h e i m a g e a v rm i c r o c o n t r o l l e rm a i n l yc o m p l e t e sr e c e p t i o na n dd e m o d u l a t i o no fg p s ，st i m e m a n 。m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g hd e t e c t i o no ft h ek e y b o a r d i nt h ee n d ，ad a t af u s i o n a l g o r i t h mt h a ti ss u i t a b l ef o r t h es y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：d i g i t a lc a m e r ad a t af u s i o n i m a g ep r o c e s s i n gf p g ag p s 2 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，高帧频相机图像数据融合技术的 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 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。 作者签名：蔷卜辽堕l 年上月翠日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：啦出必月罩日 导师签名：翻迹刍出时月4 日 1 1 简述 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着传感技术的飞速发展，越来越多的传感器应用于各个领域中。在现代的协同 作战系统中，为了获得最佳的作战效果，争取作战主动，依靠单一传感器所获得的信 息，已经不能满足需求，必须用多传感器提供的观测数据，进行目标跟踪和处理，以 获得更精确、全面、可靠的目标信息引。 在战争和国防领域中需获得精确、全面、可靠的目标信息。然而，在靶场试验中， 为了能够高精度的检验和评定武器的性能、精度等技术指标，确保安全测试、获得精 确的实验结果，依靠单一的传感器提供信息己无法满足测试需要n 川27 | 。现代的测试需 要用多传感器提供测试数据。多传感器数据融合技术的出现解决单一的传感器无法满 足需要的难题。多传感器的信号所提供的信息具有冗余性和互补性，可以最大限度的 获得对目标场景的完整信息描述，提高系统的性能。因此多传感器系统评定武器的性 能及精度比单一传感器更有优越性。近些年，多传感器数据融合技术在军事领域有着 广泛的应用。 目前，多传感器数据融合技术在许多领域都受到了广泛的关注。在军事领域，图 像融合在精确制导、自主式炮弹、微型军用机器人、战场侦察车以及侦察设备等系统 中发挥了重要的作用。在民用制造业图像融合可用于产品的检验、材料的探伤、复杂 设备诊断、制造过程监视等；在医学上，图像融合可以帮助医生对疾病准确诊断，还 可用于计算机辅助显微手术。随着多传感器图像融合技术研究的不断深入，图像融合 技术必将会得到更广泛的应用。 多传感器数据融合是指对来自不同传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的 处理和融合，从而获得更可靠、更丰富、更精确的信息。利用多传感器对同一目标采 集图像的多余信息和互补信息进行融合，以实现对目标更好地、更全面的理解。运用 数据融合技术，可以提高系统的生存能力，增加信息的可信度，扩展探测范围，提高 空间分辨率，改善了系统的可靠性、容错性、稳定性，降低了对单一图像传感器的性 能要求。 1 1 2 数据融合概述 多源图像信息具有冗余性和互补性，多传感器对同一场景、目标、物体观测的图 像，其中包含大量的冗余信息。冗余信息的融合结果使得系统具有较强的容错性、可 靠性、健壮性，减少了不确定性，提供了更高的检测精度。系统不会因为某个传感器 的损失或丢失数据而失效，增大了系统的平均无故障时间。同时，也可以消除不相关 的噪声影响，提高检测能力。从多个不同类型的传感器获得的图像，可以得到更多的 互补信息。每一种图像提供不同类型、层次、特点的数据，并且这些特点是其他传感 器所不能提供的，融合的结果使得多种数据优化整合，提供了更好的丰富信息3 。 一般来说，多传感器数据融合系统具有以下优点n 3 2 2 3 ： 1 ) 提高系统的可靠性和鲁棒性；早期的系统一般采用集中式结构，如图1 1 所示， 其优点是结构简单，但是系统的鲁棒性差，中心融合点一旦损坏，整个系统就不能正 常工作。现在分布式结构是研究的热点，具有多融合结点提高了系统的可靠性和鲁棒 性。 f ：融合节点，s ：传感器数据，c ：信息用户 图1 1 多传感器数据融合结构模型 2 ) 扩展时间上和空间上的观测范围； 多传感器可以在不同时间对某一目标进行观测，也可以在同一时间多方面对目标 进行观测。 3 ) 增强数据的可信任度； 多传感器可以强化目标所包含的信息，增加图像理解的可靠性。 4 ) 增强系统的分辨能力。 多传感器图像增强了在某一源图像中不清晰的特性，获得了补充全面的图像数据， 可以提高整体系统的效用。 数据融合技术充分利用了多传感器图像在时间和空间上的不同资源。数据融合是 对多源图像信息的综合处理过程，人类和其他生物系统中逻辑思维系统中普遍存在的 基本功能，生物本身具有将各种信息( 景象、声音、震动、气味等) 与先验知识进行 综合的能力，并且将这些信息转化为对环境有价值的解释。如人类能运用人体的各个 2 感觉器官将外部的声音、触觉、图像、气味、味道等信息组合起来，通过大脑去分析、 推测、理解和判定外部事件，从而得出结论。数据融合原理的实际上是对人脑综合处 理图像信息的一种模拟。充分利用多传感器的信息资源，通过对传感器得信息的合理 支配和使用，将多传感器在空间和时间上的冗余与互补信息，依据某种准测来组合起 来，产生对被测目标的一致性描述或解释n4 n 引。 多传感器图像融合与单一图像的处理方法之间存在本质的差别，但图像处理是对 人脑信息处理过程的低水平模仿。而多源图像融合信息具有更复杂的形式，而且出现 在不同的信息层次上，通常可分为三个级别：数据级融合、特征级别融合和决策级融 合。 数据级融合也称为像素级别融合，是对多源图像信息关于同一场景、目标的同一 像素级别灰度进行的综合处理，在采集到的原始图像数据上进行综合和分析实现图像 的融合，生成新图像中所有像素点的信息。实施像素级别融合之前，必须对参加融合 的图像进行预处理和图像配准，目的是提高融合的可靠性和精度。要求传感器观测的 是同一事件或目标。像素级别融合是最低层次的数据融合，融合流程图如图1 2 所示， 数据级融合不会使图像数据丢失，得到的结果最准确。 悃像1 i i一 像素 勋 预 图像特征分类 处 配准 级别 斗斗 结果 理融合 提取决策 圃 图1 2 数据级图像融合流程图 特征级别融合属于中间层次，利用从各个传感器图像的原始信息中提取的特征信 息进行综合分析处理。从每个传感器提取局部特征，融合处理后获得复合特征。特征 通常为图像边缘、角点、纹理、相似区等。例如，在利用红外热像仪和可见光相机进 行目标识别时，首先要在两幅图像上找到目标背景的差异，对目标的轮廓进行提取； 然后对目标进行比较、选择、综合，最后进行识别和决策。融合流程图如图1 3 所示， 这种方法对通信带宽的要求低，通信带宽低致使数据丢失，使整个系统准确性下降。 图像l b 斗 特 预 图像2 b 斗 征 图像 处 提 配准 理 取 图像n b 斗 翮 凹 图1 3 特征级别图像融合流程图 决策级融合是一种高层次融合，先从每个源图像进行预处理、特征提取、识别或 判断。首先做出目标的初级判断和结论，然后对来自各个传感器的决策进行相关处理， 最后进行获得联合判断。决策级的融合是直接针对具体的决策目标，充分利用来各自 图像的初级决策。在决策级的预处理中，对图像配准的要求较低，甚至可以不考虑， 因为，各个传感器已经首先进行了决策选取。决策级的图像融合具有较高的可靠性， 当某个传感器失效时，融合仍然可以进行，系统容错好。 由于对传感器图像数据进行了浓缩，相对而言这种方法产生的结果最不准确，但 它对通信带宽的要求最低。融合流程图如图1 4 所示。 蒌型结果! 目1 豳u u 图1 4 决策级图像融合流程图 对于多传感器融合系统的应用，应考虑系统的综合性能以确定哪种层次是最优的。 在一个系统中，也可能同时在不同的融合层次上进行融合。是最基本的图像融合方法， 其结果图像获得的图像信息最多、目标的辨别性最好。考虑到图像融合的主要目的在 于集成多源图像中的冗余信息和互补信息，强化对图像的理解和分析。本系统主要研 究数据级的图像融合。 1 2 研究与发展现状 融合技术起源于2 0 世纪7 0 年代美国国防部资助的声纳信号处理系统。早期应用 于多光谱卫星遥感图像的分析和处理中。到8 0 年代后期，图像融合技术开始引起人们 的关注，并逐步应用于遥感光谱图像的合成，进行地质、矿产、气候、环境的研究。 美国三军总部对光谱信息融合技术和战略系统一直给予高度重视，美国国防部从海湾 战争中体会到该技术的巨大潜力，此后逐年增加投资力度，在c 3 i 系统中有增加了计 算机处理系统，建立了以信息融合为核心的c 4 i 系统乜3 j 。 1 9 9 8 年，1 月7 日防务系统月刊电子版报道，美国国防部已和b t g 公司签订 了两项合同，其中一项就是美国空军的图像融合系统设计合同，此系统能给高级军事 指挥机构提供比骄傲稳定的战场图像 1 。美国在1 9 8 8 年，设立了重点研究和开发的2 0 项关键技术，信息融合列为其中之一，并且列为优先发展。1 9 9 7 年，在火星着陆的“火 星探路者”机器人身上安装了5 个激光光束投影仪、2 个c c d 摄像机、多个关节传感器 和加速度传感器，由于光从地球到达火星的时间达1 1 分钟，所以在不少时间段内，该 机器人必须能够自主工作，火星探路者是多传感器融合应用的典型例子。 国内对图像融合技术研究虽然起步较晚，但是已有不少研究机构和大学在从事这 一领域的研究和探讨，例如，中科院遥感所、武汉测绘大学、中科院上海技术研究所、 上海交通大学等单位。1 9 9 9 年，由我国和巴西联合研制的“资源一号”卫星发射升空， 4 卫星上安装了我国自行研制的c c d 相机和红外多光谱扫描仪，这两种航天遥感器之间 可进行图像融合，大大扩展了卫星的遥感应用范围。 从目前的发展水平来看，国内的研究水平和世界水平还存在一定的差距，有独特 思路的创新工作较少，特别是从研究成果来看，大多是局限在理论研究的初级阶段， 还没有成熟的系统平台推出。 目| j ，结合我国的实际情况和实际应用，充分利用相关电子技术成果，来实现图 像融合。图像融合有待进一步解决的关键技术包括以下几方面n 5 1 ： 对不同层次的多传感器图像融合建立相应的数学模型，综合利用这些模型来完成 融合任务； 建立图像融合技术的评价标准； 在设计融合方法时，一定要考虑到计算时间复杂度和空间复杂度，如何得到实时、 可靠、稳定、实用的融合算法和硬件电路； 4 ) 充分利用近些年发展起来的图像处理理论，如小波变换等，为融合提供更多信 息。 5 ) 改进融合算法，进一步提高融合系统的性能，提高多传感器融合的性能是值得 深入研究的课题。 1 3 本文的主要内容 在靶场试验中，为了能够精确的检验、正确的评定武器的性能，利用多传感器数 据融合系统，对武器的某一性能指标进行测量，利用多传感器采集多源图像，然后按 照一定的准则进行融合处理，将时间上的信息转化为空间上的信息，这样就可以提高 系统的测试精度，在高测量精度下，实现动态测试指标要求，保证精确的测量结果【4 1 】。 在数据融合的级别结构中，本课题所研究的范围仅限于数据层的融合。本文设计 了一套能够满足数据层的融合条件的数字相机图像数据采集及显示系统【3 1 1 。 在设计中以数字相机的图像采集及显示为主要研究目标，采用了可编程逻辑器件 f p g a 为核心，a v r 系列单片机m e g a l 6 为控制芯片和采用g p s 同步系统时间技术， 完成了从数字相机的图像的采集及处理。f p g a 中实现高速数据采集系统的采集模块， 将采集到的数据在外扩的s r a m 中进行缓存，叠加上g p s 同步时间信息。目的是在数 据的后期处理中，能够正确的把同一时间的图像进行融合处理。数据的后期处理是在 计算机上进行。 要实现上述系统的功能，需要从以下几方面设计的实现： ( 1 ) 数字相机的c a m e r al i n k 接口设计：我们需要把数字相机输出的l v d s 信号 转换为t t l 信号送给采集卡，把采集卡的t t l 信号转换成l v d s 信号送给相机，保证 数字相机和采集卡之间能够正常通信【3 副。 ( 2 ) f p g a 与s r a m 的接口设计：为了保证能够实时的处理数字图像，并且保证 不失真，f p g a 外接两个s r a m ，采用乒乓结构对图像进行缓存处理。 ( 3 ) f p g a 与m e g a l 6 单片机的接口设计：m e g a l 6 单片机将g p s 的串行时间信 号转换成并行时间信号送给f p g a ，f p g a 把时间信息以条码形式叠加到图像中，供 计算机识别图像信息和方便融合处理；m e g a l 6 单片机实现相机的功能设置。 ( 4 ) f p g a 和l c d 显示器的接口设计：f p g a 构建时序电路和控制视频d a 转 换器，完成数字图像的显示。 ( 5 ) 数据融合算法：目前常用于数据层的图像融合方法有：简单加权方法，小波 变换方法、卡尔曼滤波方法等。本课题主要是涉及脱靶量的处理，完成曲线的拟合。 本论文采用基于加权最小二乘准则的数据融合方法完成数据处理。 ( 6 ) 根据系统的指标要求，相机采集速度6 0 f p s 。选择适当的图像缓存芯片和 数字相机。选用相机的有效像素：6 5 9 ( h ) x 4 9 4 ( v ) 。一帧图像的容量是： ( 6 5 9 * 4 9 4 1 0 2 4 ) * 8 b i t = 3 1 7 k * 8 b i t 。所以选用5 1 2 k * 8 b i t 的存储器就能满足要求。系统选 用帧频为6 0 f p s ，大约1 6 7 m s 采集一帧。系统时钟选用5 0 m h z 即可。 6 2 1 数字相机简介 第二章高帧频数字相机接口技术 随着可视化技术的飞速发展，现代的工程特别是军事、国防领域，需要高清新 的图像质量。传统的传感嚣系统中应用的图像传感器主要是模拟相机，模拟相机的主 要特点是：图像输出的格式是固定的标准模拟图像信号，p a l 制式或者是n t s c 格式 的：因此相机的采集频率也是周定的2 5 帧或是3 0 帧。在现代的传感器系统中，采集 频率的要求越来越高，普通的模拟相机已经无法满足要求。 图像采集处理系统所要需要的图像数据则是数字信号，因此需要对模拟相机输出 的模拟图像信号进行数字化处理，严重影响了系统的数据处理速度，置身于数字化时代 中，我们需要有更灵活的、指标更高的相机来满足图像分辨率及帧频要求都较高的图 像处理系统，针对这种需求，出现了数字相机刚。 数字相机随着技术的发展，需求的多样化应运而生，数字相机具有帧频高、信噪 比高、滞后小等特点。数字相机主要应用新型的c c d 、c o m s 等光电传感器件，具有 高灵敏度、动态范围大、光谱响应宽、成本低等特点。利用这种光电传感器件而研制 的数字相机，其输出的行频、场频率以及分辨率可以根据用户需求自行设定，而且图 像传输时不影响图像质量。数字相机输出的图像是数字信号，采用c 赳n e r a - l i n k 接口 传输标准，使数字相机的数据输出接口采用较少的线数、连接电缆更容易制造更具有 通用性，而且数据的传输距离比普通传输方式更远。图像采集系统不需要复杂的硬件设 计去转换图像信号。目前，高帧频数字相机应用的领域越来越广泛。在发达国家，数 字相机已经代替了模拟相机 4 0 l 。在中国，数字相机也占领市场的主导地位。 2 2 数字相机的选择 系统用c m n e r a l i n k 工业相机s t c - c l 3 3 a ，其外观如图2l 所示。 相机的主要参数和特征： 图2 1s t c - c l 3 3 a 外观图 参 顺序扫描相机 夸 m i n ic a m e r al i n k 接口 夸 实现工业界最小尺寸：2 8 ( w ) x 2 8 ( h ) x 4 0 ( d ) n l r n 夸 触发模式：脉冲宽，边缘预置 睁 r s 2 3 2 串行通信 夺 高倍数可达9 0 f p s 夸有效像素：6 5 9 ( h ) x 4 9 4 ( v ) 夸 像素时钟：3 6 8 1 8 1 m h z 夸 行频率：4 7 2 0 2 8 k h z 夸 镜头安装：cm o u n t 专 电源：d c 1 2 v 专消耗电力：q 4 w 夸 性能保证温度：0 。c + 4 0 。c ( 3 2 。f + 1 0 4 。f ) 专 视频输出：1 0 b i t c a m e r al i n k 2 3c a m e r a l i n k 标准 c a m e r al i n k 是用来传输数字视频数据的一种新的技术，专门为数字相机的数据 传输提出的接口标准，是基于数字视频应用发展而来的通信接口标准，可为高速、高 精度的数字相机提供简单、灵活的连接p 引。 在c a m e r al i n k 标准出现之前，r s 4 4 2 r s 4 8 5 数据的传输标准被应用到众多的领 域，视频领域有很广泛的应用。它们的传输距离比较有限，当信号比较多时，会产生 大量电缆，不易于方便、灵活的连接。在现在的数字相机的应用系统中，多数需要高 的采集速度，而且数据量也逐渐增大，原有的数据传输方式已经无法满足需求。为了 解决技术的难题，出现了r s 6 4 4 传输标准，和相比r s 4 2 2 ，r s 6 4 4 传输距离会远一些， 但是在传输过程中，仍然需要大量的线缆，在传输速度和传输线缆方面还没有解决技 术难题。为了简化线缆的连接，实现高速、高精度的传输，方便、灵活、简单的连接， 由多家相机制造商共同推出了c a m e r al i n k 标准，它是在n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司 开发的c h a n n e ll i n k 总线技术基础上研制推出的。c a m e r al i n k 标准在传输速度、传输 数据量、传输距离都要好于r s 4 2 2 标准、r s 6 4 4 标准1 3 2 | 。 c a m e r al i n k 标准的提出也为相机供应商和相机应用商之间解决另一个难题。在过 去，相机和图像采集卡之间有固定的通信标准，但是往往是相机和采集卡使用不同的 连接器，它们之间没有标准的线缆使用，经常在线缆上，给用户带来了很大的麻烦。 每当更换相机或者采集卡时经常是必须更换线缆。现在的数字时代，数据传输速度和 数据量的不断提高，对线缆的要求也越来越高，手工制作的线缆达不到可靠的满足需 求。为了提高数据传输的可靠性，保证高速数据率的准确传输，制定统一的线缆，指 定一个标准的引脚分配和线缆装配方法，使所有的c a m e r al i n k 标准接口相机都能够 使用，提高了设备之间的兼容性。 c a m e r al i n k 标准为给数字相机数据传输制定的总线接口，包括图像数据信号、图 像数据控制信号及相机控制信号传输的输入、输出。数据传输速率最高可达2 3 8g b p s 。 采用c a m e r al i n k 标准后，使得数字相机的数据输出实现了电缆线数少、数据接口统一 标准、电缆统一制造、通用性强、传输距离远的特点。该标准规定了相机接口的模式、 相机的控制信号、数据端口配置、图像数据位的配置、连接器的引脚定义和标准接收 器芯片组。 c a m e r al i n k 是在c h a n n e ll i n k 接口标准的基础上扩展而成的，一种有着更广泛应 用的接口标准，其最主要的特点是采用了l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，低压 差分信号) 技术，使相机的数据传输的速度、和方式有了很大提高和改善。c h a n n e ll i n k 是一种基于物理层的l v d s 的平面显示解决方案。图2 1 为c h a n n e ll i n k 总线发送端 与接收端的连接框图，也是c a m e r al i n k 总线的基本模式。总线发送 驱动器 接收器 r 、 1 0 0 q 17 数据l v d s0l 、一 t - - 。 r 、 1 0 0 q 叫 数据l v d s0 卜 y 。 r 、1 0 0 q 卜 - - q 数据l v d s0 y 。 r 、 1 0 0 q r 、 1 名 数据l v d s0 扩 r 、1 0 0 q卜、 i i 脏 数据l v d s0 图2 2c a m e r al i n k c h a n n e ll i n k 总线的基本模式 端，将2 8 位并行数据转换为4 对l v d s 串行差分数据传送出去和一对l v d s 串行差 分时钟数据线，用来传输图像数据输出同步时钟；总线接收端，将串行差分数据转换 成2 8 位并行数据和1 位同步时钟线。这样不但减少了传输线的数量，而且由于采用串 行差分传输方式，减少了传输过程中的电磁干扰。c a m e r a l i n k 是在c h a n n e ll i n k 的基 础上加上相机控制信号，并且一个c a m e r al i n k 接口可以有几个c h a n n e ll i n k 芯片。 如图2 3 所示：为c a m e r al i n k 标准配置及引脚分配图；左侧为相机c a m e r al i n k 接口 配置，右侧为采集卡c a m e r al i n k 接口配置。 在c a m e r al i n k 标准中，相机接口信号要求具有电源信号、相机控制信号、图像 数据控制信号、串行通信信号。 电源信号，相机电源不是由c a m e r a l i n k 连接器提供的，而是由单独的连接器提供。 可以为任意的连接器或是连接头，没有统一的标准。并且可以允许相机生产商自行定 9 义工作电流和电压。目前，数字相机产品中，相机电源主要是1 2 v ，只是工作电流各 不相同。在c a m e r al i n k 标准中，有一种特殊的标准就做m i n ic a m e r al i n k ，在这种标 准中，相机电源电缆在c a m e r al i n k 线缆中。相机接口只有一个c a m e r al i n k 连接器， 没有电源连接器。这种通信标准的通常外型尺寸也非常小，适合应用于环境比较狭小 的地方。 相机控制信号，在c a m e r al i n k 标准接口中，都有4 组l v d s 线对用来实现相机控 制。相机制造商可以自由的定义这些信号来满足他们的特殊产品。这些信号定义为数 字相机的输入信号。一般情况下定义为： c a m e r ac o n t r o l l ( c c l ) c a m e r ac o n t r o l 2 ( c c 2 ) c a m e r ac o n t r o l 3 ( c c 3 ) c a m e r ac o n t r o l 4 ( c c 4 ) 这四个信号的作用如表2 1 所示： 表2 1 相机控制信号说明表 信号名称缩写格式定义 c a m e r ac o n t r o l l c c l e x y n c ( 外同步信号) 下降沿触发开使读取数据 c a m e r ac o n t r o l 2 c c 2 p r i n ( 像素重置) 低电平有效 c a m e r ac o n t r o l3c c 3f o r w o r d 高电平有效低电平翻转 c a m e r a c o n t r o l 4c c 4 信号保留。 图像数据控制信号，在c a m e r a l i n k 标准中，定义了四个图像像素输出的控制信号 的名称，表2 2 中描述了它们的号定义及作用。它们分别是f v a l 、l v a l 、d v a l 和 s p a r e ，定义为帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号。 表2 2 图像数据控制信号说明表 信号名称缩写格式定义及功能 f r a m ev a l i df v a l帧有效时为高电平在线阵相机接高电平或保留 l i f i ev a l i dl v a l 行有效时为高电平或1 d a t av a l i dd v a l相机图像数据输出时为高，无数据输出时为低 s p a r es p a r e保留 驱动器、接收器以及连接器上有关这些信号的定义均是由c a m e r al i n k 标准确定的。 1 0 c a m e r ac o n t r o l 哩1 产 t r 丽 c a m e r ac o n t r o l3 牌 j 、珏 c a m c r ac ，o n t r o l2 c b n l c mc o n t r o l s e r t f g s e t t c 。1 辛 爿 蚓 7 儆 弋、塔二 m d rc a b l e 图2 3c a m e r al i n k 接口原理图 h 目引一 口昌oo匣q苫qibg口皇8凹q芝otbg i宴oq口口8匣。 口一 醋。苫ulb星oj o u 匣q j ，、i o i b 量 ao=ctl眦仨口oo i_芒tl一寸。至 ， 口。一墓矗甾口ou=j 了il|型葛jnlju。u 一目量o j l iq 口n 攀刑 q 器 串行通信信号，在c a m e r al i n k 标准中，有两对l v d s 线对用于相机和图像采集 卡之间进行异步串行通信。相机支持的相机波特率至少为9 6 0 0 ，所以图像采集卡设计 串口配置时至少应该支持的9 6 0 0 。目前大多数相机使用最小波特率9 6 0 0 ，l 位起始位、 8 位数据位、1 位停止位、无握手和奇偶校验位。两对串行信号l v d s 线对定义如下： s e r t f g + 和s e r t f g 为相机向图像采集系统发送的l v d s 数据； s e r t c + 和s e r t c 为图像采集系统向相机发送的l v d s 数据。 c a m e r al i n k 接口包括初级配置、中级配置和高级配置等三种配置。在初级配置中， 用一个c a m e r al i n k 基本总线模式( 一对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器) 、四对拉制相机 的l v d s 线缆和两对串行通信l v d s 线对一起使用，如图2 2 所示。在初级配置中，端 口a ，b 和c 被分配到唯一的c h a n n e ll i n k 驱动器接收器对上， 初级配置应用一对c h a n n e ll i i l k 驱动器接收器，所以仅局限于2 8 位并行视频数据 的传输，初级配置就不能够满足所有的数据传输情况。中级配置包括两对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器、四对拉制相机的l v d s 线缆和两对串行通信l v d s 线对一起使用，如 图2 2 所示。在中级配置中，端口a ，b 和c 被分配到第一个c h a n n e ll i n k 驱动器接收 器对上，端口d ，e 和f 被分配到第二个c h a n n e ll i n k 驱动器接收器对上；最高可传输 5 6 位并行视频数据。 高级配置包括3 对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器、四对拉制相机的l v d s 线缆和两 对串行通信l v d s 线对一起使用。如图2 2 所示，在高级配置中，端口a ，b 和c 被分 配到第一个c h a n n e ll i n k 驱动器接收器对上，端口d ，e 和f 被分配到第二个c h a n n e l l i i l l ( 驱动器接收器对上，端口g 和h 被分配到第三个c h a n n e ll i n k 驱动器接收器对 上。高级配置最高可传输8 4 位视频数据。综上所述，可以得出在初级配置需要使用一 条标准的m d r 2 6 电缆连接相机和图像采集卡即可，而在中级配置和高级配置则需要 两条线缆j 能完成连接。每一个c h a n n e ll i n k 驱动器有从t x o , - 一t x 2 7 的2 8 个数据 输入引脚，相应的接收器有从r x o - - 一r x 2 7 的2 8 个数掘输出引脚。其引脚的相应的作 用如表2 3 所示。c h a n n e ll i n k 驱动器接收器主要由n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司制造， 目前应用最多的是d r 9 0 c r 2 8 7 d r 9 0 c i 也8 8 ，工作电压在3 3 v ，传输速度最高达 7 5 m h z 。 1 2 表2 3c h a n n e ll i n k 驱动器接收器引脚作用说明表 高级配置 中级配置 初级配置 输入引脚 输入引脚收发引脚输入引脚收发引脚 s t r o b e c l k i n o u t s t r o b e c l k i n o u t s t r o b ec l k i n o u t l v a lt x 2 4 r x 2 4l v a lt x 2 4 r x 2 4l v a lt x 2 4 r x 2 4 f v a l t x 2 5 r x 2 5 f v a l t x 2 5 r x 2 5 f v a l t x 2 5 r x 2 5 d v a l t x 2 6 r x 2 6 d v a lt x 2 6 r x 2 6d v a lt x 2 6 r x 2 6 s p a r e t x 2 3 r x 2 3 s p a r e t x 2 3 r x 2 3 s p a r e t x 2 3 r x 2 3 p o r t a 0 t x o r x o p o r t d o t x o r x o p o r t g o t x o r x o p o r t a l t x l r x l p o r t d l t x l r x l p o r t g it x l r x l p o r t a 2t x 2 r x 2 p o r t d 2 t x 2 r x 2 p o r t g 2 t x 2 r x 2 p o r t a 3 t x 3 r x 3 p o r t d 3 t x 3 r x 3 p o r t g 3 t x 3 r x 3 p o r t a 4t x 4 r x 4p o r t d 4t x 4 r x 4p o r t g 4t x 4 r x 4 p o r t a 5t x 6 r x 6 p o r t d 5 t x 6 r x 6p o r t g 5t x 6 r x 6 p o r t a 6t x 2 7 r x 2 7p o r t d 6 t x 2 7 r x 2 7 p o r t g 6t x 2 7 r x 2 7 p o r t a 7t x 5 r x 5p o r t d 7t x 5 r x 5p o r t g 7t x 5 r x 5 p o r t b o t x 7 r x 7 p o r t e o t x 7 r x 7 p o r t h 0t x 7 r x 7 p o r t b lt x 8 r x 8p o r t e lt x 8 r x 8p o r t h lt x 8 r x 8 p o r t b 2t x 9 r x 9 p o r t e 2 t x 9 r x 9p o r t h 2t x 9 r x 9 p o r t b 3 t x l 2 r x l 2 p o r t e 3 t x l 2 r x l 2 p o r t h 3t x l 2 r x l 2 p o r t b 4t x l 3 r x l 3p o r t e 4t x l 3 r x l 3p o r t h 4t x l 3 r x l 3 p o r t b 5t x l 4 r x l 4 p o r t e 5 t x l 4 r x l 4 p o r t h 5 t x l 4 r x l 4 p o r t b 6t x l o r x l 0p o r t e 6t x i o r x1 0p o r t h 6t x l 0 r x l 0 p o r t b 7t x l l r x l l p o r t e 7 t x l l r x l lp o r t h 7t x l l r x l l p o r t c o t x l 5 r x l 5 p o r t f 0 t x l 5 r x l 5 p o r t c lt x l 8 r x l 8p o r t f lt x l 8 r x l 8 p o r t c 2 t x l 9 r x l 9 p o r t f 2 t x l 9 r x l 9 p o r t c 3t x 2 0 r x 2 0p o r t f 3t x 2 0 r x 2 0 p o r t c 4t x 2 l r x 2 1 p o r t f 4 t x 2 1 r x 2 l p o r t c 5 t x 2 2 r x 2 2 p o r t f 5 t x 2 2 r x 2 2 p o r t c 6t x l 6 r x l 6p o r t f 6t x l 6 r x l 6 p o r t c 7t x l 7 r x l 7 p o r t f 7 t x l 7 r x l 7 另外，相机4 对l v d s 控制信号和2 对串口通信信号也需要转换，对一个l v d s 驱动器来说实现t t l 信号到l v d s 信号的转换，对接收器来说实现l v d s 信号到t t l 信号的转换。驱动器接收器主要应用的转换芯片为n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的 d s 9 0 l ，v 0 4 7 d s 9 0 l v 0 4 8 ，芯片工作电压为3 3 v 。和c h a n n e ll i n k 驱动器接收器芯片组 共用供电即可，使用非常方便。 数字相机图像数据位有8 b i t 、1 0 b i t 、1 2 b i t 、1 4 b i t 、1 6 b i t ，多数相机使用8 b i t 和1 0 b i t ， 用户可根据需求自行选择相机数据位。数据输出口分为：p o r t a 、p o r t b 、p o r t c 、p o n d 、 p o n e 、p o r t f 、p o r t g 、p o o h 八个端口。相机可以配置每个时钟周期仅输出一个像素、 两个像素和三个像素等。图2 5 为c a m e r al i n k 标准的初级配置中，设定数据位和设置 输出像素的端口分配图。 表2 4 初级配置的数据位端口分配 端口l 、2 、3 像素8 b i t1 、2 像素l o b i tl 、2 像素1 2 b i tl 像素1 4 b i t1 像素1 6 b i t p o r t a op o r t a b i t op o r t a b i t op o r t a b it o p o r t a b it o p o r t a b it o p o r t a lp o r t a b i t lp o r t a b it 1 p o r t a b i t l p o r t a b i t l p o r t a b i t l p o r t a 2p o r t a b it 2p o r t a b i t 2p o r t a b it 2p o r t a b it 2p o r t a b i t 2 p o r t a 3p o r t a b it 3p o r t a b it 3p o r t a b it 3p o r t a b it 3p o r t a b i t 3 p o r t a 4p o r t a b i t 4p o r t a b it 4p o r t a b it 4p o r t a b it 4p o r t a b it 4 p o r t a 5 p o r t a b it 5p o r t a b i t 5p o r t a b it 5p o r t a b i t 5 p o r t a b i t 5 p o r t a 6p o r t a b i t 6p o r t a b it 6p o r t a b i t 6p o r t a b i t 6p o r t a b it 6 p o r t a 7p o r t a b it 7p o r t a b i t 7p o r t a b it 7p o r t a b it 7p o r t a b i t 7 p o r t b o p o r t b b i t o p o r t a b it 8p o r t a b i t 8 p o r t a b i t 8p o r t a b i t 8 p o r t b lp o r t b b i t lp o r t a b i t 9p o r t a b i t 9p o r t a b it 9p o r t a b i t 9 p o r t b 2p o r t b b i t 2p o r t a b i t l 0p o r t a b i t l 0p o r t a b it 1 0 p o r t b 3p o r t b b i t 3p o r t a b i t l l