CN103702031A - 用于高速目标测量的大视场高帧频系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于高速目标测量的大视场高帧频系统，包括依次连接的前端成像单元、FPGA逻辑控制电路单元、DSP信号处理电路单元以及供电电路，供电电路分别与前端成像单元、FPGA逻辑控制电路单元、DSP信号处理电路单元连接。本发明用于高速目标测量的大视场高帧频系统及方法，用于高速目标捕获跟踪系统，特别适合高速飞行目标的高速成像和实时高精度测量。

Description

用于高速目标测量的大视场高帧频系统及方法

技术领域

本发明涉及一种新型高速目标测量的智能相机，特别是一种大视场捕获和超高频图像处理及采集的目标探测成像系统及方法。

背景技术

目前靶场应用于目标捕获跟踪、图像采集的光学测量设备主要是光电经纬仪，它由跟踪机架、成像系统、测角系统、微机控制与处理系统组成。光电经纬仪结构复杂并且具有很大的转动惯量，很难实现对高速目标的捕获跟踪。

反射镜目标跟踪器是在摄像机前适当处放置一面较小的平面反射镜，目标经过反射镜反射至摄像机中，通过对反射镜转动的控制，达到观测目标的目的。因为反射镜转动惯量小，可以具备高的角速度和角加速度，从而实现对高速目标的跟踪及图像采集。但是反射镜目标跟踪器需要高精度编码器、天幕靶、时统终端，数据采集及伺服控制系统等，结构复杂，成本较高。

当前CMOS图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化方向发展。多家图像传感器制造商已经生产出高达16M像元的高分辨CMOS图像传感器，为设计大视场、高分辨率CMOS相机提供了条件，但是高分辨也带来了低帧频的缺点。CMOS图像传感器在图像输出时设置了行和列开关，它们的选通是通过两个方向上的地址译码器控制的，因此我们可以通过它选择需要的区域进行高帧频目标图像输出

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种用于高速目标测量的大视场高帧频系统及方法，用于高速目标捕获跟踪系统，特别适合高速飞行目标的高速成像和实时高精度测量。

本发明的技术解决方案是：用于高速目标测量的大视场高帧频系统，其特征在于：包括依次连接的前端成像单元、FPGA逻辑控制电路单元、DSP信号处理电路单元以及供电电路，供电电路分别与前端成像单元、FPGA逻辑控制电路单元、DSP信号处理电路单元连接。

上述前端成像单元包括镜头、CMOS图像传感器以及其驱动电路，驱动电路按照CMOS图像传感器生产厂商推荐电路进行设计。

上述FPGA逻辑控制电路单元除了连接CMOS图像传感器还连接以太网控制器88E1111芯片以及多片Flash闪存芯片构成存储阵列，FPGA电路单元通过以太网控制器88E1111芯片连接PC机。

上述DSP信号处理电路单元通过EMIF总线接收FPGA发送图像数据、通过McBSP串口将位置信息回传给FPGA，另外还连接SDRAM用做图像数据缓存。

用于高速目标测量的大视场高帧频方法，包括以下步骤：

1）将镜头指向高速目标可能经过的区域，等待目标出现，此时CMOS图像传感器未开窗，采用全阵列输出，帧频较低，图像经过千兆以太网接口传输至PC机实时显示；

2）根据目标和背景特性设置CMOS的积分时间、开窗尺寸，PC机通过以太网接口将命令传输给FPGA进行控制。

3）FPGA逻辑控制电路单元采集图像数据，将采集到的图像数据通过EMIF接口发送给DSP，DSP图像处理寻找目标，当目标出现，DSP计算和预测其位置信息，并将信息发送给FPGA并触发相机开窗控制和图像记录；

4）FPGA根据位置信息调整开窗位置始终保持目标在图像中心；

5）将图像数据存储在存储阵列中，事后下载至PC机进行判读。

本发明的优点是：

1）本发明用于高速目标捕获跟踪系统，特别适合高速飞行目标的高速成像和实时高精度测量；

2）本发明利用大面阵、高分辨率CMOS图像传感器结合合适的光学系统可实现大视场目标捕获；

3）本发明利用CMOS图像传感器特有的开窗口模式，根据目标选定合适的开窗尺寸，可实现目标区域图像的超高帧频采集、记录和输出，有效分辨目标高速运动过程；

4）本发明对目标区域图像实现高帧频采集，可实现目标相关数据的超高频率测量，当用于控制系统的测量反馈数据输入，可有效提高系统控制精度；

5）本发明是一种将常规的目标跟踪系统和图像采集系统相结合的新技术，具有结构简单、体积小、成本低的特点。

附图说明

图1是本发明的技术方案原理图；

图2是本发明FPGA和DSP电路原理框图；

图3是本发明工作流程图；

具体实施方式

参见图1、图2，本发明用于高速目标测量的大视场高帧频系统，可分为三个单元：前端成像单元1、FPGA逻辑控制电路单元2和DSP信号处理电路单元3；供电电路4。

前端成像单元1主要有由镜头11、CMOS12及其外围电路13构成，根据CMOS像元尺寸和像元数选择合适焦距的镜头，可构成所需的大视场图像采集。FPGA逻辑控制电路单元2由闪存阵列21、FPGA配置电路22、以太网控制器23以及FPGA24构成，DSP信号处理电路单元3由DSP配置电路31、数据缓存32和DSP33构成，FPGA逻辑控制电路单元和DSP信号处理电路单元主要完成CMOS图像传感器的时序控制、图像信号的采集、存储与传输、目标的捕获、跟踪和处理等功能。供电电路4主要为各电路提供所需伏值的电源。

将镜头11指向高速目标必经区域等待高速目标出现，此时CMOS图像数据以全阵列模式输出，视场大帧频低。当目标出现时，FPGA逻辑控制电路单元和DSP信号处理电路单元会捕获到目标，并计算和预判其位置，FPGA根据此位置信息对CMOS进行开窗输出时序控制，始终控制目标处于所开图像窗口范围内并使目标处于图像中心，实现目标所在小范围区域图像的高帧频图像采集，从而实现视场内高速目标的大视场捕获和超高帧频跟踪、成像和记录。

下面对本发明能实现大视场捕获跟踪和超高频图像采集进行进一步说明：

本发明在设计的时候首先要根据CMOS图像传感器的像元尺寸和分辨率选择合适焦距的镜头，从而构成大的成像视场，保证系统足够的目标搜索范围，从而实现目标在视场范围内的景象跟踪和记录。

本发明能实现高速目标捕获、跟踪、记录的核心在于FPGA逻辑控制电路单元2和DSP信号处理电路单元3，参见图2。FPGA采用Altera公司的StratixII GX系列型号为EP2S60F672I4的FPGA，其主要功能包括：CMOS图像传感器时序控制和图像采集、实现与DSP的数据交互、实现千兆以太网数据传输。FPGA通过控制以太网控制器88E1111芯片23实现与PC机的通信，将图像传输至PC机显示，并且可以通过PC机设置CMOS图像传感器的积分时间、开窗尺寸、工作频率等配置参数，以及图像存储。FPGA外接多片Flash闪存芯片构成存储阵列21，当目标被捕获时触发图像记录，将含有目标的高帧频图像存放在Flash闪存芯片构成存储阵列21中，掉电不会丢失数据，事后可下载图像进行判读。DSP采用TI公司型号为TMS320C6713的DSP，外挂一片SDRAM用做图像数据缓存，它通过EMIF（外部存储器接口）总线接收FPGA发送的图像数据，经图像处理捕获目标并计算和预测目标位置，将位置信息发送给FPGA。

本发明的系统首先工作在大视场成像状态，将镜头指向高速目标必经区域等待高速目标出现，此时CMOS图像数据以全阵列模式输出，视场大但帧频低。当目标出现时，FPGA逻辑控制电路单元和DSP信号处理电路单元会捕获到目标，并计算和预判其位置，FPGA逻辑控制电路单元根据此位置信息对CMOS进行开窗输出时序控制，始终控制所开图像窗口包围目标并使目标处于图像中心，实现目标所在小范围区域图像的高帧频图像采集，从而实现视场内高速目标的大视场捕获和超高帧频跟踪、成像和记录。利用这种系统结构实现从大视场捕获目标后切换到小视场跟踪目标，并且输出高帧频图像。

参见图3，本发明实现大视场捕获跟踪和超高频图像采集的过程如下：

1）将镜头指向高速目标可能经过的区域，等待目标出现。此时CMOS图像传感器未开窗，采用全阵列输出，帧频较低，图像经过千兆以太网接口传输至PC机实时显示。

2）根据目标和背景特性设置CMOS的积分时间、开窗尺寸等参数，PC机通过以太网接口传输给FPGA进行控制。

3）FPGA不断地将采集的图像数据通过EMIF接口发送给DSP，DSP通过图像处理寻找目标。当目标出现，DSP将计算和预测的位置信息发送给FPGA并触发相机开窗控制和图像记录。

4）FPGA根据位置信息不断地调整开窗位置始终保持目标在图像中心，此时CMOS输出的图像数据量较全阵列输出小很多，因此可以获得更高帧频的图像输出。

5）任务结束后，将存储在电路板上的图像数据下载至PC机进行判读。

Claims (4)

1.用于高速目标测量的大视场高帧频系统，其特征在于：包括依次连接的前端成像单元、FPGA逻辑控制电路单元、DSP信号处理电路单元以及分别与前端成像单元、FPGA逻辑控制电路单元、DSP信号处理电路单元连接的供电电路；前端成像单元包括镜头、CMOS图像传感器以及其驱动电路。

2.根据权利要求1所述的用于高速目标测量的大视场高帧频系统，其特征在于：所述FPGA逻辑控制电路单元还连接以太网控制器88E1111芯片以及多片Flash闪存芯片构成存储阵列，FPGA电路单元通过以太网控制器88E1111芯片连接PC机。

3.根据权利要求1所述的用于高速目标测量的大视场高帧频系统，其特征在于：上述DSP信号处理电路单元通过EMIF总线接收FPGA发送图像数据、通过McBSP串口将位置信息回传给FPGA，另外还连接SDRAM用做图像数据缓存。

4.用于高速目标测量的大视场高帧频方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）将镜头指向高速目标可能经过的区域，等待目标出现，此时CMOS图像传感器未开窗，采用全阵列输出，帧频较低，图像经过千兆以太网接口传输至PC机实时显示；

2）根据目标和背景特性设置CMOS的初始积分时间、开窗尺寸，PC机通过千兆以太网接口进行控制；

3）FPGA采集图像数据，将采集到的图像数据通过EMIF接口发送给DSP，DSP通过图像处理寻找目标，当目标出现，DSP计算和预测的位置信息，并将信息发送给FPGA并触发图像记录；

4）FPGA根据位置信息调整开窗位置始终保持目标在图像中心；

5）将图像数据存储在电路板上，下载至PC机进行判读。

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