CN101064771A - 基于分布式数据传输的高速摄像机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用分布式数据传输模式的高速摄像机系统，由镜头、分光棱镜、CMOS图像传感器、A/D转换单元、控制器、光纤传输系统、高速存储器、后台处理系统组成。镜头接收的图像光线首先由分光棱镜分为RGB三原色，每种单色光线经相应的CMOS图像传感器产生RAW单色图像数据，三原色RAW图像经过彼此独立的高速传输系统存储到相应的存储器，后台处理系统采用异步处理模式，通过适当的算法对三原色图片数据进行组合，根据用户要求生成相应格式的高速数字影像。在百万像素级别，本发明能够达到160帧/秒的记录速度。本发明提高数据传输速率，适用于高速摄像场合，尤其适合于高品质、高分辨率高速摄像场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速摄像技术，尤其涉及一种采用分布式数据传输模式的高速摄像机系统。
背景技术
高速摄像机在科研、运动等领域中有着广泛应用。是研究高速事件的利器。例如在做材料无损测试、流场、高速形变、汽车碰撞试验等方面的研究时，由于事件发生时间短，普通摄像机的拍摄速度不能达到研究的需要；在运动领域，为了得到精彩的动作瞬间、动人的慢动作重放，或是为了对运动员的训练而记录其运动的瞬间，高速摄像机发挥着不可替代的作用。市场上家用摄像机的主流产品拍摄速率大都在30帧/秒，分辨率也仅在80万到130万像素之间，无法清晰地再现所记录的场景，不能达到高速摄像的要求。
高速数字摄像机技术发展的瓶颈在于数据的传输速率限制和海量数据对存储空间的消耗。在摄像机快门速度基本都能达到1/3500秒的情况下，往往是短时间内拍摄的图像却要数倍的时间来进行传输和处理。由于光学元件传感器的缓存有限，能够存储的图像帧数也较少，因此限制了摄像机向高速化发展。当前的高速摄像机系统大多采用多芯片，延时曝光技术等提高速度。虽然缩短快门时间可以提高拍摄速度，但是在图像数据传输上还有进一步改进的可能。
目前，摄像机的关键光学元件有CCD和CMOS两种图像传感器。对于CCD，其工作时上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”。而CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，而且CMOS图像传感器具有体积小、重量轻、功耗小、集成度高、价格低、接口方便等优点；随着CMOS图像传感器技术日臻成熟，CMOS图像传感器正在赶超CCD的市场份额，渐赢得用户的青睐。
发明内容
为了解决高速摄像机系统数据的传输速率限制和海量数据对存储空间的消耗的问题，本发明的目的在于通过对图像数据传输方式的改进，为此，本发明提供一种能保证图像质量、又能提高图像传输速度、基于分布式数据传输的高速摄像机系统。
根据本发明基于分布式数据传输的高速摄像机系统，包括镜头、接口单元满足再次存储、网上传输，还包括分光棱镜、单色图像传感器、(A/D)模数转换器、控制器、高速光纤传输系统、高速SDRAM存储器、后台处理系统，分光棱镜位于镜头与单色图像传感器之间，使图像光线经镜头后被分光棱镜分成红绿蓝(RGB)三原色光线；三原色光线分别作用于单色图像传感器的输入端，单色图像传感器的输入端与控制器的控制端相连；由控制器统一控制图像传感器，图像传感器感光完成光电信息转换；(A/D)模数转换器的输入端和输出端分别图像传感器输出端和高速光纤传输系统的输入端连接，将高速光纤传输系统输出与高速SDRAM存储器输入连接，光电信息生成单色原始图像数据(RAW)存入高速SDRAM存储器中，高速SDRAM存储器输出与后台处理单元的输入端相连，后台处理单元对存储在高速SDRAM存储器中的单色原始图像数据进行组合处理并输出要求格式的图像。
本发明的有益效果：本发明主要通过对图像光线的分光形成三原色图像数据后，各单色原始图像数据RAW分别传输，即采用分布式高速数据传输系统，分别存储来达到既保证图像质量又提高图像传出速度瓶颈问题，可以较大程度地提高现有CMOS图像传感器的传输速度。
本发明采用图像传感器，通过对图像数据传输方式的改进是提高摄像机摄影速度的重要方式。本发明把RAW单色原始图像数据分割成RGB三种单色RAW数据，然后采用分布式传输方式，使用三路传输通道分别对这三种单色RAW数据进行传输与存储。每路传输通道的数据传输量是所有图像数据的三分之一，提高了整体数据传输能力，
本发明采用三原色图像数据分别传输的分布式数据传输模式，每个传输通道仅传输一个颜色的图像数据，与先合成后整体传输方式相比，减少了每个传输通道的传输数据压力。本发明图像传感器同时曝光，利用控制器调整曝光时间调整了拍摄速率。这种方式增强了摄像机，提高了传输图像数据的能力，进而可以提高摄像速度和摄像品质，从而实现了高速摄像功能。特别是在百万像素级别，本发明能够达到160帧/秒的记录速度，是现有摄像机系统记录速度的5倍以上。本发明所涉及到的高速摄像机系统，提高了数据传输速率，适用于高速摄像场合，尤其适合于高品质、高分辨率的高速摄像场合。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见。附图中：
图1是本发明基于分布式数据传输的高速摄像机系统总体结构示意图。
图2是本发明基于分布式数据传输的高速摄像机系统中分光棱镜示意图。
图3是本发明基于分布式数据传输的高速摄像机系统中单色RAW原始图像(10)形成示意图。
图4是本发明基于分布式数据传输的高速摄像机系统三原色图像分别传输存储部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。
图1是本发明基于分布式数据传输的高速摄像机系统总体结构示意图。
图中包括镜头1、分光棱镜2、单色图像传感器3、控制器4、高速光纤传输系统5、高速存储器6、后台处理系统7，接口单元8、A/D模数转换器9；其中：
镜头1采用原有技术的光学镜头。
单色图像传感器3采用三个CMOS阵列、800×600(full frame)Active-Pixel Sensor(即50万象素)；
控制器4采用外围曝光控制单元及接口转换装置，采用莱迪思半导体公司LatticeSC系统芯片FPGA系列LFSC15，其具有8个SERDE信道数，最快速率可达3.4Gbps，制作成电接口2.5Gbps的接口电路；RGB三原色独立传输通道采用支持2.488Gb/s OC-48/STM-16光电转换器件；
高速光纤传输系统5组成传输能力达到2G的光纤传输系统；
高速SDRAM存储器6分别采用三个高速SDRAM存储器，存储速度达2Gbps。
A/D模数转换器9采用Atemel公司制造的12bit 500Msps AT84AS001；
本发明的分光棱镜2位于镜头1与单色图像传感器3之间，使图像光线经镜头1后被分光棱镜2分成RGB三原色光线；三原色光线分别作用于单色图像传感器3的输入端，单色图像传感器3的输入端与控制器4的控制端相连；由控制器4统一控制图像传感器3，图像传感器3感光完成光电信息转换；A/D模数转换器9的输入端和输出端分别与图像传感器3输出端和高速光纤传输系统5的输入端连接，将高速光纤传输系统5输出与高速SDRAM存储器6输入连接，光电信息生成RAW单色原始图像数据存入高速SDRAM存储器6中，高速SDRAM存储器6输出与后台处理单元7的输入端相连，后台处理单元7对存储在高速SDRAM存储器6中的RAW单色原始图像数据进行组合处理并输出要求格式的图像。
所述高速摄像机系统采用分布式数据传输模式，采用三个单色图像传感器3接收RGB三原色图像数据，每个传输通道仅传输一个颜色的图像数据，分别传输存储。
所述单色图像传感器3采用感红CMOS图像传感器、感绿CMOS图像传感器和感蓝CMOS图像传感器组成的图像传感器阵列，形成单色的RAW图像。
所述单色RAW原始数据图像，每单色采用12bit存储，每像素采用RGB三原色组合表示，每个像素由36bit表示。
所述三组图像传感器3由控制器4控制开启时间并同时曝光，通过调整曝光时间来调整拍摄速率。
所述RGB三原色CCD感光的原始数据RAW图像分别传输并存储到高速SDRAM存储器6，后台处理单元7从高速SDRAM存储器6中读取图像数据，采用异步处理模式对三原色图片数据进行组合，复原图像。
所述三原色图像分布式传输存储由A/D模数转换器9、光纤传输系统5、高速SDRAM存储器6完成。
系统在全帧工作条件下，一幅图像480000个像素，每个像素以3×12bit大小RAW格式存储，对应RGB单色图像信息，每个像素存储大小为12bit，则一幅图像大小为16.48Mb，RGB单色图像大小5.49Mbit。12bit500Msps ADC采样每秒最大可以采集像素500M，采集图像约1041幅。传输单元遵守OC-48/STM-16标准，传输速率约为2Gbps，则系统能达到300fps以上的速度，ADC在正常工作范围内；同时由于直接存储的三原色RAW格式数据，最大程度保存了图像信息，具有较高的质量。
仍采用上述的传输系统，在使用更高分辨率的CMOS图像传感器时，例如采用100万像素级别，能够达到160fps的速度。即使在400万像素的条件下，也能够达到40fps的拍摄速度，比目前市场上的数码摄像机速度提高了10倍以上。
基于分布式数据传输的高速摄像机系统的组成和功能说明如下：
(1)分光棱镜2的主要作用是光线在棱镜中通过折射反射把自然光线分成RGB单色光线。之后三原色光线分别作用于相应CMOS感光阵列，经A/D转换后，形成单色RAW原始图像。直接保存RAW图像，最大程度上保存了图像的信息。同时把图像分为RGB三原色图像减少了图像大小，减少了每路数据传输通道所要传输的数据量，降低了数据传输的压力。
(2)三原色图像分别传输存储部分，包括A/D转换器、光纤传输系统、高速存储器。A/D转换器在CMOS图像传感器后，主要作用是把CMOS图像传感器感光形成的电信号，转化成数字信号进行传输和存储，在A/D转换器之后，由FPGA制作的接口适配器，进行必要的接口转化。在接口适配器之后，通过光纤传输系统进行传输。最后，以高速大容量SDRAM作为存储介质，对图像数据进行存储，应对海量数据存储的要求。接口适配控制器部分控制数据高速存储和后台处理系统对SDRAM中数据的读写操作。
(3)后台处理系统7。后台处理系统主要由PC机担任。与三原色图像相应的传输、存储系统进行连接。主要任务是在后台根据用户要求读取已经存储到SDRAM中的RGB三原色RAW原始图像，采用适当的算法进行拼接，同时转换成为用户所需要的图像格式。图像还原过程有两种模式可供选择，在拍摄同时实时处理，或拍摄完成后再进行处理。
(4)各种接口8部分。后台处理单元(PC机)的各种接口，如USB接口、网络接口等。以满足再次存储、网上传输等任务需要。
如图1是系统总体结构示意图，图像光线经镜头1后被分光棱镜2分成RGB三原色光线。图像的RGB三原色光线分别作用于相应的单色CMOS图像传感器3，即分别对应感红CMOS图像传感器、感绿CMOS图像传感器和感蓝CMOS图像传感器。CMOS图像传感器由CMOS图像传感器控制器4统一控制，同时曝光。单色CMOS图像传感器3感光完成光电转换后，经A/D模数转换器9采样，生成RAW单色原始图像数据。单色原始图像数据分别经过高速光纤传输系统5传输。最后，分别储存在各自相应高速SDRAM存储器6中。根据用户需要，经过一定的算法后台处理单元7(一般由PC机担任)对存储在高速SDRAM存储器6中的原始RAW单色图像数据进行组合处理，输出要求格式的图像。同时，系统带有各种接口单元8，如USB接口、网络接口等。以满足再次存储、网上传输等任务需要。
图2是分光棱镜示意图。分光棱镜2实施例包括：直角棱镜和多角棱镜组成。
图像原始光线通过镜头1后，照射到分光棱镜2。光线在分光棱镜2中经反射、折射把图像原始光线分成RGB三原色，分别作用于单色CMOS图像传感器3，即感红CMOS图像传感器、感绿CMOS图像传感器和感蓝CMOS图像传感器，将光信号转变成为电信号。
图3是单色RAW原始图像形成示意图。在图像光线经过分光棱镜2分成RGB三原色之后，单色光线作用于相应的单色CMOS图像传感器3。三个单色CMOS图像传感器3由CMOS图像传感器控制器4统一控制，同时曝光。在CMOS图像传感器3光信号转变成为电信号，电信号经过A/D模数转换器9后，形成数字单色原始图像RAW数据10。
图4是三原色图像分别传输存储部分。图像光线经过分光棱镜2之后，形成的图像RGB三色光线11，作用于各自相应的单色CMOS图像传感器3，经过A/D模数转换器9转换之后形成单色原始图像数据10。由FPGA制作的接口适配器12，进行必要的接口转化完成A/D模数转换器9同高速光纤传输系统5的接口适配。在接口适配器12后连接高速光纤传输系统5，高速光纤传输系统5之后连接接口适配控制器13完成光线传输系统和高速SDRAM存储器14的接口适配，并控制数据高速存储和后台处理系统7对SDRAM中数据的读写操作。接口适配器12、高速光纤传输系统5和接口适配控制器13一起构成了RGB单色图像数据高速传输系统。
上面描述是用于实现本发明及其实施例，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定多种实现方式，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。
Claims (7)
1.一种基于分布式数据传输的高速摄像机系统，包括镜头、满足再次存储、网上传输的接口单元，其特征在于：还包括分光棱镜、单色图像传感器、控制器、高速光纤传输系统、高速SDRAM存储器、后台处理系统、模数转换器，分光棱镜位于镜头与单色图像传感器之间，使图像光线经镜头后被分光棱镜分成红绿蓝三原色光线；红绿蓝三原色光线分别作用于单色图像传感器的输入端，单色图像传感器的输入端与控制器的控制端相连；由控制器统一控制图像传感器，图像传感器感光完成光电信息转换；模数转换器的输入端和输出端分别图像传感器输出端和高速光纤传输系统的输入端连接，高速光纤传输系统输出与高速SDRAM存储器输入连接，将光电信息生成单色原始图像数据存入高速SDRAM存储器中，高速SDRAM存储器输出与后台处理单元的输入端相连，后台处理单元对存储在高速SDRAM存储器中的单色原始图像数据进行组合处理并输出要求格式的图像。
2.根据权利要求1所述的基于分布式数据传输的高速摄像机系统，其特征在于：所述高速摄像机系统采用分布式数据传输模式，采用三个单色图像传感器接收红绿蓝三原色图像数据，每个传输通道仅传输一个颜色的图像数据，分别传输存储。
3.根据权利要求2所述的基于分布式数据传输的高速摄像机系统，其特征在于：所述单色图像传感器采用感红CMOS图像传感器、感绿CMOS图像传感器和感蓝CMOS图像传感器组成的图像传感器阵列，形成单色的CCD感光的原始数据图像。
4.根据权利要求3所述的基于分布式数据传输的高速摄像机系统，其特征在于：所述单色CCD感光的原始数据图像，每单色采用12比特存储，每像素采用红绿蓝三原色组合表示，每个像素由36比特表示。
5.根据权利要求1所述的基于分布式数据传输的高速摄像机系统，其特征在于：三组图像传感器由控制器控制开启时间并同时曝光，通过调整曝光时间来调整拍摄速率。
6.根据权利要求1所述的基于分布式数据传输的高速摄像机系统，其特征在于：所述红绿蓝三原色RAW图像分别传输并存储到高速SDRAM存储器，后台处理单元从高速SDRAM存储器中读取图像数据，采用异步处理模式对三原色图片数据进行组合，复原图像。
7.根据权利要求1所述的基于分布式数据传输的高速摄像机系统，其特征在于：所述三原色图像分布式传输存储由模数转换器、光纤传输系统、高速SDRAM存储器完成。
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