图像传感器在数字影像系统中地应用任红霞 图像传感器在数字影像系统中的应用 任红霞 （青岛农业大学山东青岛，２６６１０９） 摘要：基于我国图像传感器技术中，ＣＭＯＳ图像传感器由于具有低功耗、大动态范围、宽光谱灵敏度、体积小、成本低等优 点，在很多领域被广泛的应用。基于数字影像系统设计中，也可应用图像传感器技术，能够提升系统设计性能。本文将介绍图 像传感器在数字影像系统中的应用，分析其原理及优势，确保数字影像系统设计中应用图像传感器技术的应用价值。 关键词：数字影像；应用；图像传感器；系统设计 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ｂ ＤＯＩ编码：１０．１４ｏ１６／ｊ．ｅｎｋｉ．１００１—９２２７．２０１６．０９．２０６ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌａｒｇｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ，ｗｉｄｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔｌ ｉｍａｇｅ ｓｙｓｔａｅｍ，ａｎａｌｙｚｅ ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ０ 引言 随着我国图像传感器集成度的不断提高，在数字影像系 统中的应用也越来越广泛；在设计数字影像系统中，应用图像 传感器技术，可以提升系统图像显示精度，提升系统设计 质量。 １ 图像传感器发展现状 在我国图像传感器技术发展中，主要有ＣＭＯＳ图像传感 器与ＣＣＤ图像传感器两种。ＣＭＯＳ图像传感器是一种基于 ＣＭＯＳ工艺的技术，在近十年来得到了迅猛的发展，作为影像 采集系统的开发潜能日益呈现，它将图像像敏逻辑阵列、Ａ／Ｄ 转换、时序控制逻辑、行驱动器等几部分集成于同一个晶片 上，与传统的ＣＣＤ图像传感器相比，有着功耗低、集成度高、 成本低等种种优点。对于ＣＭＯＳ图像传感器中，基于当前传 感器的电路降噪技术不断提升，以及ＣＭＯＳ制程能力的提高， ＣＭＯＳ不仅在当前应用中以具有较高的集成度，同时也具备 低成本、速度快、功耗低的应用优点；与此同时，应用ＣＭＯＳ图 像传感器也可直接的输出数字信号，发挥应用前景。 本文设计的方案是致力于实现图像的采集显示以及利用 网络对图像数据进行传输，可以通过ＡＲＭ来直接的控制系统 中各图像传感器，有效增强数字影像系统工作中的可靠性与 稳定性，同时也可为系统今后升级提供丰富的扩展接口与外 围设备接口，有效满足系统往更高级应用的方向发展。设计 系统由五个模块组成：处理器模块，存储模块，图像传感器模 块，液晶显示模块，以太网传输模块。系统总体设计结构方案 （见图１）。 ｌ 感器Ｉ Ｉ、 ｔ， ￥３Ｃ２４４０ 图ｌ设计总体结构 ２ 数字影像系统应用ＣＭＯＳ图像传感器 的需求分析 在设计数字影像系统中，应用ＣＭＯＳ图像传感器，不仅是 仅仅要确保实现简单的图像处理功能，还应该发挥ＣＭＯＳ图 像传感器中感光阵列与模数转换单元的作用，能够集成系统 中的数字信号电路进行处理，发挥对于系统工作中自动曝光 量的控制，也可实现对于影像控制中自平衡的调节与处理工 作，也可发挥伽玛校正、非均匀性补偿的作用。对于系统设计 中，需要利用图像传感器０Ｖ９６５０将光图像信号转换为数字 信号输入到服务器，经过服务端ＣＰＵ格式转换、大小裁剪后 传送至ＰＣ机网页控制界面和本地ＬＣＤ显示。 ＣＰＵ模块由￥３Ｃ２４４０Ａ微处理器组成。控制系统负责整 个系统的运行控制，包括能够发送相关的数字影像命令字给 系统的数据采集部分，并且也可以接收系统传回的图像数据， 并把图像传送到系统的液晶屏中显示出来，也可以传输到以 太网中进行数字的共享传输。此外，对于系统的设计中，还能 够实现对于系统意外、异常的处理，也可设定系统的采样参 数，设定以太网以及液晶显示器的相关参数，还包括设定存储 模块的参数等。 系统设计中，由ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ和ＳＤＲＡＭ共同组成系统 ３ 设计基于ＣＭＯＳ图像传感器的数字影 像系统 ３．１系统总体设计 收稿日期：２０１６—０５—０９ 作者简介：任红霞（１９７８一），女，汉族，山东青岛人，研究生，实验师，主要 研究方向为传媒。 ・的存储器模块，对于其中的ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ模块，可以选用 Ｋ９Ｆ２ＧＯ８ＵＯＢ芯片（大小２５６Ｍ）出来，ＳＤＲＡＭ则可选用两片 的ＭＴ４８ＬＣ１６Ｍ１６Ａ２—７５Ｄ芯片（大小６４Ｍ）。由于考虑到本 设计的图像采集系统不需要将ＦＬＡＳＨ的数据经常的读取，以 及成本与体积小巧的要求，采ＮＡＮＤ ＦＡＬＳＨ作为本次数字影 像系统中程序与数据的存储空间，为了能够充分的使用３２位 ＣＰＵ处理器的数据的处理能力系统采用两个ＳＤＲＡＭ级联成 ３２位存储系统作为程序的运行空间。 图像传感器模块主要由ＣＭＯＳ图像传感芯片ＯＶ９６５０组 成。图像传感器模块主要是负责对图像信息的采集，为后面 的图像显示与传输提供原始的数据。有图像传感器采集的图 像数据经过核心处理器的处理，然后在液晶屏上进行显示，在 ２０６・ 存储器单元中进行存储，并将其能够通过以太网向ＰＣ机上 进行传输。 以太网模块是以太网传输芯片ＤＭ９０００以及外围电路组 成以太网传输模块实现的主要功能是将采集到的图像通过以 太网向上位机也就是ＰＣ机终端进行传输，以便进行后续处 理和研究工作。 ３．２系统设计设计平台选择 基于嵌人式平台开发设计数字影像系统，对实时数字影 像处理任务可以具备很强的控制支持能力，并且该系统也可 以有效完成多任务的处理，并能够在较短的中断响应时间之 内，确保数字影像系统的从内部代码以及实时处理执行时间 缩短到最低的限度。并且在系统设计中，应用ＣＭＯＳ图像传 感器，发挥系统内对于图像存储区的保护，并可扩展系统处理 器的结构，满足系统未来的嵌入式开发设计需求，提升系统设 计可扩展性。 ３．３ 系统图像采集模块设计 本次数字影像系统设计中，应用ＣＭＯＳ像素图像传感器 的型号为ＯＶ９６５０，并且，ＯＶ９６５０的功耗低于，芯片耗电较少， 发热量较低；图像传感器０Ｖ９６５０在国内的货源充足，价格较 低，技术支持也相对较好。ＣＭＯＳ像素图像传感器的工作参 数如表１所示。 表１图像传感器０Ｖ９６５０参数 图像传感器 具体参数 图像阵列大小 １３００｝１０２８ 图像尺寸 ４．１３毫米 ３．２８毫米 供电核心 １．８Ｖ Ｉ／０接口 １．７Ｖ一３．１Ｖ 模拟 ２．５Ｖ一３．１Ｖ 像素尺寸 ３．１８微米 ３．２８微米 信噪比 ４ＯｄＢ 动态范围 ６２ｄＢ 功耗峰值 ５ＯｍＷ 图像传感器电路设计中，关于ＯＶ９６５０与系统的处理器 接口设计中，共包括如下所示的三部分： ＳＣＣＢ“Ｓｅｒｉａｌ Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｓ，串行摄像机控制总线”， 系统在采集图像数据之前，通过ＳＣＣＢ总线初始化系统的内 部寄存器。并且，在系统中，ＳＣＣＢ总线分为两根，分别是数据 线ＳＩＯ Ｄ与时钟线ＳＩＯ Ｃ。 数据的输出接口：０Ｖ９６５０内嵌具有Ａ／Ｄ转换器，本设计 的图像采集的数据是８位ＹＣｂＣｒ格式。 控制接口：０Ｖ９６５０是１／３”ＣＭＯＳ彩色／黑白图像传感器， 不仅具有较高的分辨率（１３０万像素），在实际应用中也可实 现逐行、隔行的扫描图像信息。在ＯＶ９６５０的数字输出端，可 以有效支持数字影像系统中８／１６ｂｐｐ数字格式ＲＧＢ ＲＡＷ／ ＹＵＶ的输出；并且，在０Ｖ９６５０能够基于ＳＣＣＢ编程模式控制 数字影像系统中的摄像头功能寄存器。 ３．４硬件设计 基于ＣＭＯＳ图像传感器，对于影像图像的采集之中，主要 是依靠同步信号：ＶＳＹＮＣ、ＨＲＥＦ、ＰＣＬＫ３组成的，可以提示系 统中捕获的有效图像数据信息（见图２），大致流程就是： ＶＳＹＮＣ“ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，指与显示器的帧数同步”，主 要就是用来判断在一帧图像中数据开始的部分，但是上升沿 可以表示一帧图像到来；而对于下降沿，则可以表示外部电路 中有效图像中一帧数据的开始。ＨＲＥＦ“行同步信号”，就是 可以判断一行中是否具备有效像素数据的重要依据，在接口 《自动化与仪器仪表）２０１６年第９期（总第２０３期） 高电平时，在图像信号中Ｙ与ｕＶ通道中才会输出有效的数 据，可以通过系统内的示波器进行观察；由于在系统应用中 ＨＲＥＦ与水平同步信号ＨＳＹＮＣ的频率与波形是几近相同的， 然而考虑数字影像系统中修改０Ｖ９６５０的ＨＲＥＦ，也能够同时 更改０Ｖ９６５０的输出图像开窗大小，这样就可以使数字影像 系统采集图像信号具备更大的灵活性与适用性，故此在本次 系统设计中不会选用ＨＳＹＮＣ来判断图像中一行的有效数据。 ＰＣＬＫ“像素时钟”，主要就是用以判断系统中一个像素数据的 有效信号，能够确保系统中图像数据在正跳沿时保持稳定。 厂一 ： ｝ＩｌｌＥＦ ．Ｅ 二： Ｉ Ｐｃ 厂、九几ｌ几．． 、几…几ｎ厂、 图２ ０Ｖ９６５０同步信号的时序图 图像传感器模块的电路设计采用的方式是扩展板方式连 接的，这样在本次数字影像系统设计中，确保用户不仅能够根 据需求，合理更换适合自己应用型号的图像传感器，还可以在 扩展板中灵活的设置安排一些所需的ＣＭＯＳ图像传感器外围 电路。同时，在系统设计中，对于系统中驱动软件调试以及应 用程序的调试过程中，其外界调试接口电路是位于扩展板中 ０Ｖ９６５０管脚处的，可以通过应用２０针ｃａｍｅｒａ接口同系统主 板的ＣＡＭＩＦ核心处理器接口进行连接，从而完成系统硬件处 理操作，其原理见图３中所示。 Ｉｌｌ ＧＮＤ ａｌｌＤ 图３图像传感器电路图 无须采集图像时，ＯＶ９６５０芯片处于掉电模式，节省电能 消耗。ＯＶ９６５０可输出ＹＣｂＣｒ，ＲＧＢ两种格式的数据，当输出 ＹＣｂＣｒ格式时，要用到数据线的Ｄ２～Ｄ９；当输出ＲＧＢ格式 时，则需要用数据线ＤＯ～Ｄ９。 ３．４显示数字影像设计 采用ＣＭＯＳ图像传感器设计数字影像系统，能够将检测 到的图像有效转化成数字信号，并实现对数字图像信号的处 理，从而能够得出目标图像的各种特征值，根据图像的这些特 征值，依据各个特征的不同，以及图像特征之间的关联，实现 对于数字影像中图像模式的识别、图像坐标的计算等操作，并 且根据数字影像中图像的灰度分布特点，显示出图像。并且， 在数字影像设计中，应用ＣＭＯＳ，还可根据图像处理结果，显 示出图像信息。在数字影像系统设计之中，通过ＣＭＯＳ输出 数据，根据系统发出的指令，并可配合执行一系列数字影像处 理操作，实现对图像的位置调整，图像好坏的筛选，以及图像 数据的统计等，并且这些系统图像显示处理均能够自动化的 ．２０７． 图像传感器在数字影像系统中地应用任红霞 完成（见图４）。 图４影像显示结构 ３．５软件代码实现 数字影像系统中，部分ＣＭＯＳ图像传感器功能调用代码 如下： ｓｔａｔｉｃｓｔｍｃｆｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃａｍ＿ｆｏｐｓ＝｛ ｏｗｎｅｒ：ＴＨＩＳ—ＭＯＤＵＬＥ， ｌｌｓｅｅｋ：ｎｏ＿ｌｌｓｅｅｋ， ｏｐｅｎ：ｃａｍ＿ｏｐｅｎ， ｒｅａｄ：ｃａｍ—ｒｅａｄ， ｗｒｉｔｅ：ｃａｍ＿ｗｒｉｔｅ， ｉｏｃｔｌ：ｃａｍｉｏｃｔｌ， —ｒｅｌｅａｓｅ：ｃａｍ—ｒｅｌｅａｓｅ， ｝； 系统中，图像识别代码： ｉｍｐｏ￣ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｄｅｔｅｃｔｏｒ； Ｓｔｉｒｎｇ ｉｆｌｅＮａｍｅ＝”ｙｉｎｓｈｕａｆｉｌｅ．ｊＰｇ”； Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ｎｅｗ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（”ｈａａｒｃａｓｃａｄｅ—ｆｒｏｎｔａｌｆａｃｅ— ｄｅｆａｕｌｔ．ｘｍｌ”）： Ｌｉｓｔ＜Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ＞ｒｅｓ＝ｄｅｔｅｃｔｏｒ．ｇｅｔＦａｃｅｓ（ｆｉｌｅＮａｍｅ，２，１．２５ｆ， ０．Ｉｆ，３，ｔｒｕｅ）； 命令代码：ｊａｖａ—ｊａｒ ｊｖｉｏｌａｊｏｎｅｓ．ｊａｒ ｉｍａｇｅ Ｆｉｌｅ Ｎａｍｅ ＯｐｅｎＣＶＸｍｌＦｉｌｅ 没置系统中ＣＭＯＳ图像传感器端口，其部分实现代码 如下： ｖｏｉｄ ＣａｍＰｏｒｔＳｅｔ（ｖｏｉｄ） ｛ ｓａｖｅＧＰＪＣＯＮ＝ｒＧＰＪＣＯＮ： ｓａｖｅ—ＧＰＪＤＡＴ＝ｒＧＰＪＤＡＴ： ｓａｖｅ—ＧＰＪＵＰ＝ｒＧＰＪＵＰ： ｒＧＰＪＣＯＮ＝０ｘ２ａａａａａａ： ｒＧＰＪＤＡＴ＝０： ｒＧＰＪＵＰ＝０： 【 ４ 分析应用效益 基于ＣＭＯＳ图像传感器的数字影像系统设计中，经仿真 检验证实，可稳定的提高系统显示精度，提升系统图像可用 性。并且，应用ＣＭＯＳ图像传感器设计数字影像系统，不仅可 以提升数字影像显示精度，也可提升数字影像系统应用效益。 其仿真结果如表２所示。 ・２０８・ 表２应用检验结果 仿真 图像精度 图像清晰度 第一次仿真 较高 清晰 第二次仿真 较高 非常清晰 第三次仿真 一 尚 非常清晰 第四次仿真 较高 清晰 同时，在数字影像系统设计中，应用ＣＭＯＳ图像传感器， 基于其采用一般最常用的半导体ＣＭＯＳ工艺电路，故此能够 轻易将数字影像中基础的信号处理器、模数转换器以及定时 发生器等集成到芯片中，可以实现周边电路的集成管理，有效 节省系统设计中应用外围芯片的成本。并且在设计该系统 中，应用ＣＭＯＳ图像传感器，可以主动的采集数据，其内的晶 体管可放大输出电荷，有效降低数字影像系统工作中的功耗， 发挥积极应用效益。 ５ 结论 综上所述，对于数字影像系统设计中，应用图像传感器技 术，有效提高了数字影像系统图像采集效率，提升图像显示精 度，发挥积极应用价值。 参考文献 ［１］吴琦．基于ＣＭＯＳ图像传感器的数字影像系统［Ｊ］．吉林广播电视 大学学报，２０１２，（４）：２４—２５． ［２］吴琦．基于ＤＳＰ技术的数字影像系统的软件设计［Ｊ］．价值工程， ２０１ｌ，３０（２６）：１３４． ［３］ 陈定定．基于ＭＩＰＩ接口的背照式ＣＭＯＳ数字影像系统的研究 ［Ｄ］．复旦大学，２０１３． ［４］ 陈武奇．基于ＵＳＢ３．０高分辨率视频图像高速处理系统设计［Ｄ］． 宁波大学，２０１４． ［５］吴轩．探讨三线阵立体测绘卫星的精度［Ｊ］．建材与装饰，２０１３， （２２）：２３１—２３２． ［６］ 吴琦．基于ＣＭＯＳ图像传感器的数字影像系统［Ｄ］．苏州大 学，２０１０． ［７］佟泊萱，梅炜炜，刘志健等．基于Ａｐｔｉｎａ ＡＳＸ３４０的倒车影像系统设 计与实现［Ｊ］．价值工程，２０１４，（１４）：２７—２９． ［８］ 张宝龙，李丹，郭艳艳等．基于０Ｖ７９６２的车载全景摄像头设计 ［Ｊ］．液晶与显示，２０１５，３０（４）：６３４—６４０． ［９］ 王鹏程．基于多图像传感器融合的全景泊车辅助系统研究［Ｄ］．长 春理工大学，２０１３． ［１Ｏ］德国研制出高速ＣＭＯＳ图像传感器［Ｊ］．生命科学仪器，２０１２，１０ （１）：５３—５３． ［１１］赵文怡．基于ＴＭ影像对ＨＪ一１ ＣＣＤ影像几何校正的ＡｕｔｏＧＣｓ软件 的性能评估［Ｄ］．西南交通大学，２０１５． ［１２］王欣听，杨丰，田野等．ＣＭＯＳ图像传感器技术在医疗领域的应用 ［Ｊ］．自动化与信息工程，２０１４，（３）：４２—４５． ［１３］高岑．基于混合域累加的ＴＤＩ型ＣＭＯＳ图像传感器关键技术研究 ［Ｄ］．天津大学，２０１２． ［１４］程春泉，张力，燕琴等．多源航天光学影像的定位模型［Ｊ］．同济大 学学报（自然科学版），２０１４，４２（７）：１１２７一ｌ１３２，１１４６． ［１５］张维斌，高帅华，杨成等．综述当前新型摄影测量传感器的特点 ［Ｊ］．地球，２０１５，（１２）：１５０—１５１． ［１６］程春雨，李荣桓，吴雅楠等．ＣＭＯＳ影像传感器的信噪比分析［Ｊ］． 影像技术，２０１４，（５）：５２—５４． ［１７］徐雅薇，谢晓竹．多传感器图像融合方法及应用综述［Ｊ］．四川兵工 学报，２０１５（１０）：１１６—１１９．
