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基于大面阵CCD图像传感器的数字高清成像技术研究

作　者: 陈庆辉
导　师: 曹剑中
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 通信与信息系统
关键词: CCD图像传感器 高清成像 FPGA+AFE HDSDI接口 自动白平衡
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 528次
引　用: 2次
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内容摘要


论文以某航天图像监视系统预研项目为背景进行展开,设计了一个符合当前发展需要的数字高清摄像机系统。摄像机为图像监视系统的重要组成部分,将外部场景通过光电成像,形成图像视频信号后返回至监视设备,进行实时监控。论文以大面阵CCD图像传感器为基础,结合当前先进的数字高清视频标准,研究了数字高清成像技术。系统采用输出信号符合SMPTE 274M标准的大面阵CCD——KAI-2093CM为光电转换器件,以FPGA+AFE为架构,以HDSDI为传输接口,进行数字高清摄像机的设计。系统采用AFE与FPGA联合为CCD提供驱动信号的方式,驱动CCD进行光电转换,产生模拟视频信号;在FPGA的全局控制下,利用AFE对模拟视频信号进行相关双采样、箝位、自动增益等处理,最后完成模数转换;FPGA作为核心处理器完成数字视频信号的彩色插值、彩色空间转换、自动曝光、自动白平衡等算法,从而完成对原始图像信号的一系列处理;最终FPGA将处理后的视频信号流组合成符合高清标准的并行视频信号,采用LMH0030进行并串转换后,由HDSDI接口送入高清监视器实时显示。论文针对传统的驱动时序产生方法进行了简化设计;对自动曝光和自动白平衡算法提出了新的思想,利用FPGA内部RAM和DSP成功完成视频图像的处理,并利用AFE的内部寄存器巧妙地完成了图像的白平衡;成功地将视频信号转换为符合SMPTE 292M的高清数字分量串行信号,实现了高清摄像,将摄像机的分辨率提高到1920×1080,成功实现了1920×1080/25/P的视频格式的输出。实验结果证明,该高清摄像系统能很好实现高清摄像,画面比传统的摄像系统更清晰,更容易进行实时显示,并且摄像机在整体方面达到小型化、彩色、高分辨率等要求,适合用于航空航天等领域的高清摄像。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第一章 引言  7-13
  1.1 摄像机概述  7-8
  1.2 国内外研究现状  8-9
  1.3 本课题研究意义  9-10
  1.4 论文的研究内容和结构安排  10-13
第二章 数字高清成像技术  13-27
  2.1 数字高清成像原理概述  13-15
  2.2 CCD图像传感器的介绍  15-20
    2.2.1 CCD图像传感器的基本原理  15-17
    2.2.2 KAI-2093CM简介  17-20
  2.3 高清成像相关技术介绍  20-27
    2.3.1 高清视频信号  20-22
    2.3.2 高清晰度串行数字分量接口  22-23
    2.3.3 高清亮度方程和色域  23-25
    2.3.4 高清存储与视频压缩  25-27
第三章 系统硬件设计与实现  27-43
  3.1 系统总体设计  27-30
    3.1.1 光学系统  28
    3.1.2 结构系统  28-29
    3.1.3 电路系统  29-30
  3.2 硬件电路工作原理  30-31
  3.3 CCD外围电路板的设计  31-32
  3.4 驱动信号电压转接板的设计  32-34
  3.5 系统主控板设计  34-40
    3.5.1 系统主控板功能介绍  34-35
    3.5.2 FPGA及其电路设计  35-37
    3.5.3 AFE电路设计  37-39
    3.5.4 接口电路部分  39-40
  3.6 电源电路设计  40-43
第四章 系统软件设计与实现  43-63
  4.1 KAI-2093CM驱动时序的设计  43-45
  4.2 色彩还原模块的设计与实现  45-49
    4.2.1 彩色插值算法原理  45-48
    4.2.2 彩色插值算法的实现  48-49
  4.3 图像处理模块的设计与实现  49-58
    4.3.1 RGB到YCrCb的色度空间转换  49-51
    4.3.2 自动曝光  51-54
    4.3.3 自动白平衡  54-58
  4.4 高清视频数据模块的标准与设计  58-63
    4.4.1 高清串行视频数据流标准  58-61
    4.4.2 高清串行数据合成  61-63
第五章 系统实现及实验结果分析  63-69
  5.1 实验仪器与设备  63
  5.2 CCD性能测试  63-65
  5.3 摄像机调试过程及结果  65-69
第六章 总结与展望  69-71
  6.1 总结  69-70
  6.2 未来工作展望  70-71
参考文献  71-75
发表文章目录  75-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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