基于CCD的图像采集处理系统的设计研究.pdf

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1、基于 CCD 的图像采集处理系统的设计研究 1243 基于 CCD 的图像采集处理系统的设计研究 李国丽1,2 周金斌1 胡存刚1 1 合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009 2 浙江工业大学信息工程学院 浙江杭州 310014 摘摘 要：要：本文以 Sharp 公司第四代 DSP 芯片的 LR86603 作为数字信号处理器，RJ2421AB0PB 作为CCD 图像传感器组成一个小型图像采集处理系统，通过片上 A/D 变换后输出图像信号并即时进行平滑预处理。该系统以其体积小、处理速度快、使用灵活方便等特点，较好地满足了小型化、便携式的要求。关键词：关键词：CCD 图像传感器

2、 DSP 图像采集 图像处理 平滑 1 引 言 随着现代电子技术的快速发展，图像采集与处理技术得到了越来越广泛的应用。数字信号处理器利用专门或通用的数字信号处理芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，由于 DSP 芯片具有体积小、处理速度快、使用方便灵活的特点，已被广泛应用于对处理速度和实时性要求较高的嵌入式场合1。CCD 图像传感器的高度集成化减小了系统的复杂性，可以根据需要将多种功能集成在一块芯片上，降低了制造成本，使图像读出及处理变得简单而快捷，便于设计出更灵巧的小型成像系统。在一些需要实时图像监测的应用领域中，充分利用 CCD 的这种特点，配合高速处理的 DSP 电路，可以大大简化电路设

3、计的结构，使得整个系统更集成化。本文以 Sharp 公司第四代 DSP 芯片的 LR86603 作为数字信号处理器、RJ2421AB0PB 作为 CCD 图像传感器组成一个小型图像采集处理系统，通过片上 A/D 变换后输出图像信号并即时进行处理。该系统以其体积小、处理速度快、使用灵活方便等特点，较好地满足了小型化、便携式的要求。2 图像采集系统 一个完整的图像采集系统要求具备对图像信号的采集功能、对图像的处理和分析功能。因此，图像采集系统通常可由如下4部分构成：视频图像的采集、视频图像的预处理、各种同步逻辑控制、视频图像的显示输出，基本构成框图如图1所示。CCD图像采集控制信号图像A/D逻辑控

4、制器控制信号图像数据处理器（包括各类图像处理算法）控制信号图像输出图像D/A 图 1 图像采集系统的基本构成框图 11311244 计算机技术与应用进展 2007 在图像信号采集系统中，核心器件为 CCD 传感器。CCD 是一种光电转换式图像传感器，它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号，实现非电量的电测量，同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点2。CCD 摄像头输出模拟信号，通过解码芯片对其进行解码，变成可编程的数字信号，便于 DSP 对数字图像的处理和存储。CCD 图像数据的采集与普通信号相比，最大的特点是数据处理量大、传输速率要求高。C

5、CD输出信号不能直接送入A/D转换器，必须先从硬件上对其进行一系列的预处理，消除信号中的驱动脉冲（主要是复位脉冲）及噪声等所造成的干扰，因此需将信号进行前置反向、滤波及放大3。本系统中采用 SHARP 公司的 RJ2421AB0PB，是一款 4.5mm 固态影像传感器，包括 PN 光电二极管、电耦合器件，可以采集高达 320 万像素（542 horizontal582 vertical）高分辨率的图像。像素栅距 7.2m（H）4.7m（V），并配备了互补色滤镜及内嵌输出放大器。因此，本图像采集系统主要包括：Sharp 公司 DS/PGA/ADC 芯片 IR3Y48A1，DSP 芯片 LR386

6、03 以及CCD 垂直驱动芯片 LR36685，系统框图如图 2 所示。主要工作过程是：CCD 将采集到的复合模拟图像信号经 IR3Y48A1 芯片 A/D 转换，传输给数字信号处理芯片进行平滑、自动白平衡、载频平衡、自动曝光等处理，最后将处理后的图像输出至监视器。RJ2421AB0PB type color CCDarea sensor图像采集被摄物HT82V805 四信道垂直驱动器（CMOS垂直驱动和快门驱动）LR38 603（DSP）CCD 信号处理及数 字 接 口 包 括C DS/P GA/AD C（IR3Y48A1）将信号转换成电压和阻抗图像处理（平滑、白平衡、载频平衡、曝光等）图像

7、输出转换A/D 图 2 图像采集系统框图 3 实时图像处理系统 实时图像处理系统由图像采集模块、图像处理实时处理模块(DSP模块)、结果输出模块、逻辑控制模块等四个模块组成，如图3所示。其基本的工作原理是将CCD摄像头采集得到连续的模拟图像信号经D/A转换，变为数字图像信号，然后完成对数字图像信号的运算处理，最后通过输出模块输出所期望的运算结果。实时图像处理系统设计的难点是如何在有限的时间内完成对大量图像数据的处理。从人的视觉理论分析，只有图像处理系统的处理速度达每秒25 帧以上时才能达到实时的效果，即要求实时图像处理系统必须在40ms内完成对一帧图像的运算处理，才能保证图像的实时性。本图像处

8、理系统中，采用的是SHARP公司第四代数字信号处理芯片LR38603，可处理270k/320k/410k/470k像素的CCD摄像采集信号，并配备了互补色滤镜。图像采集模块图像处理模块（DSP模块）逻辑控制模块结果输出模块 图 3 实时图像处理系统的模块示意图 1132基于 CCD 的图像采集处理系统的设计研究 1245 3.1 图像处理模块图像处理模块 图像在采集、转换和传输过程中，常常受到成像设备、传输设备以及外部环境噪声干扰等的影响，使实际获得的图像含有噪声。为了抑制噪声，改善图像质量，本系统中对采集的图像加入相应的平滑（smoothing）【5，6】去噪处理。一般情况下，减少噪声的方法

9、可以在空间域或频率域进行处理。空间域可以用邻域平均、空间低通滤波、多图像平均、中值滤波等方法来减少噪声。在频率域，由于噪声频谱通常在高频部分，因此可以采用各种形式的低通滤波器的方法减少噪声4。本系统在图像处理模块中，采用中值滤波的方法对图像进行平滑去噪处理。所谓中值滤波，是指把以某点(x，y)为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列，将中间值作为(x，y)处的灰度值。中值滤波是一种典型的低通滤波器，它的目的是保护图像边缘的同时去除噪声。设2(,)ijx i jI表示数字图像各点的灰度值，滤波窗口为A的二维中值滤波，可如下定义:2()(),(,),(,)ijAijAi rj syM

10、ed xM ed xr sA i jI+=用信号处理的理论来解释，这种做法实现的是一种简单的低通滤波器（low pass filter）。平滑模板的思想是通过一点和周围 8 个点的平均来去除突然变化的点，通过采用低通滤波滤掉高频分量，从而达到减少图像噪声的目的。下式（1）是一种平滑模板，称之为 Box 模板。1111*1111191 （1）上述表示方称其为模板(template)。中间的黑点表示中心元素(此处用*表示)。Box 模板虽然考虑了邻域点的作用，但并没有考虑各点位置的影响，对于所有的 9 个点都一视同仁，所以平滑的效果并不理想。实际上，离某点越近的点对该点的影响应该越大，为此，我们引

11、入了加权系数，将原来的模板改造成，具体形式见式（2）：1212*42121161 （2）可以看出，距离越近的点，加权系数越大，这种模板称为高斯(Gauss)模板。高斯函数的表达式如下:22/2rrGAe=。由于高斯滤波模板的值都大于 1，因此应该用这些权值的和去除卷积的结果。表 1 经高斯模板、中值滤波处理图像变化 00011 1001/32/3 1 1001/43/41 100011 1 原图 01/43/411/121/32/311/121/165/1611/1615/1601/43/41 经高斯模板处理 001101/32/3 101/43/410011 经中值滤波处理 用数字代表某一图

12、像该处的灰度值，对图像分别进行高斯模板、中值滤波处理，效果见表 1。其中以11331246 计算机技术与应用进展 2007 一维模板为例，只考虑水平方向，大小为 31(宽高)，此处取 Gauss 模板为 1*2141。3.2 实验结果实验结果 本图像采集处理系统软件流程图如图4所示。开始系统初始化帧启动准备采集扫描采集完一帧图像？平滑等图像处理输出图像结束NY 图 4 图像采集处理系统软件流程图 图 5 是一幅由 CCD 摄像头采集的含噪原图，图 6 是用高斯模板去噪的效果，图 7 是用中值滤波对图 4进行平滑去噪后的效果。图 5 原图像 图 6 高斯后的图像 图 7 中值滤波后的图像 中值滤

13、波容易去除孤立点、线、二值噪声等多种随机噪声，同时保持图像的边缘，但对敏感元器件内部产生的高斯噪声无能为力。这类噪声是由于器件中的电子随机热运动而造成的电子噪声，此类噪声的特点是杂乱无章且随机分布，用高斯模板对付这类噪声非常有效。图像经高斯、中值滤波处理之后峰值信噪比见表 2，可见图像处理的效果较好。表 2 采用不同去噪处理方法的 MSE 和 PSNR 值 去噪方法 高斯处理 中值滤波处理 MSE 41.0068 32.9863 PSNR 31.9805 32.9251 4 结 论 本文所设计的图像采集和处理系统结构简单、应用灵活，可用于具有嵌入式图像处理的场合，例如车载视频监控系统、楼宇监控

14、系统等。系统易于扩展，同时在需要对图像信号进行进一步处理的场合，只需在软件上对处理算法进行改变即可。因此，本系统在嵌入式图像领域具有一定的参考价值。1134基于 CCD 的图像采集处理系统的设计研究 1247 参考文献参考文献 1 朱如龙.基于FPGA的LED显示屏VGA同步图像采集设计J.电子工程师，2004，30(10):44-46.2 王庆有.CCD应用技术M.天津:天津大学出版社，2000 3 李彩，刘勇，王安.基于CPLD 的线阵CCD 数据采集系统的开发J.电子技术应用，2003(6).4 朱秀昌，刘峰，胡栋.数字图像处理与图像通信M.北京:北京邮电大学出版社，2002.67-70

15、.5 周源华，吴时光.数字图像处理M.北京:电子工业出版社，1989.67-70.6 阮秋琦.数字图像处理学M.北京:电子工业出版社，2001.7 王念旭.DSP 基础与应用系统设计M.北京:北京航天航空大学出版社，2001:4-10.8 Witkin A.Scale2space filtering A.In:Proceedings of theInternational Joint Conference on Artificial Intelligence C，Karlsruhe，West Germany，1983:10191022.9 夏良正.数字图像处理M.南京:东南大学出版社，1999

16、.10迟泽英，李坤宇，李武森，等.高速DSP 视频图像数字处理电路几个关键问题的研究分析J.红外技术，2001，23(2):24227.11 Tekalp A M.Digital Video Processing M.NJ，USA:Prentice Hall，1998.12 张晓飞，袁祥辉，基于DSP 成像系统的视频图像采集部分的实现J.压电与声光，2002，24(3):247-250.Design on an Image Acquisition and Processing System Based on CCD LI Guo-li1,2 Zhou Jin-bin1 Hu Cun-gang1

17、 1 School of Electrical Engineering&Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China 2 School of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,310014,China Abstract:An image acquisition and processing system based on a DSP(LR86603)and a color CCD sensor(RJ2421AB0PB)i

18、s presented.The acquired image is A/D converted on-chip,smoothed on the DSP chip.This system has the advantages of small bulk,rapid processing speed and convenient for use,it can satisfy the requirements such as miniaturization and portability.Keywords:CCD image sensor;DSP;image Acquisition;image Processing;smoothing 1135