CN104967783A - 面向微纳星的多路微图像采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向微纳星的多路微图像采集系统，用于解决现有图像采集系统功耗高的技术问题。技术方案是包括FPGA控制模块、多路微型相机模块、存储模块和图像后续处理模块。所述FPGA控制模块采用FLASH型FPGA结构，所述多路微型相机模块由多个微型相机组成，以采集全方位的环境信息。所述存储模块用于相应图像数据的缓存及程序的存储。所述图像后续处理模块，用于采集到图像的存储，显示或传输。相比于背景技术，本发明选取的FPGA、微型相机等器件可以降低功耗，且本发明针对微纳卫星中功耗的不同要求设计了三种工作模式，包括单相机工作、多相机工作和轮循工作模式，用户可根据功耗要求及环境信息需求权衡选择工作模式。

Description

面向微纳星的多路微图像采集系统

技术领域

本发明涉及一种图像采集系统，特别是涉及一种面向微纳星的多路微图像采集系统。

背景技术

微纳卫星(NanoSat)是指质量小于10千克、具有实际使用功能的卫星。相较大卫星具有体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂空间任务等优势，更利于军事侦察、监视、复杂环境下的探测等任务。在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。

星载微图像采集系统是微图像采集技术在空间环境下的应用，负责在空间飞行器上完成相应的图像采集任务。由于空间环境的恶劣，对星载微图像采集系统从性能、可靠性及成本等方面都提出了巨大的挑战。设计出一个稳定可靠的星载微图像采集系统对人类对未知空间的探索来说意义重大。

参照图5，文献“授权公告号是CN203405206U的实用新型专利”公开了一种全景影像无人机采集系统，用于无人机的全景影像采集。该系统包括无人机、全景相机，其中全景相机包括相机控制系统、GPS定位装置、存储器和多组镜头。该系统主要应用于地面全景地图的采集，系统采用的控制系统及多组CCD鱼眼镜头，成本高、体积大，不满足微纳卫星质量体积等方面的要求，且多组CCD镜头同时工作采集图像，功耗高，不适于微纳卫星领域的图像采集。

发明内容

为了克服现有图像采集系统功耗高的不足，本发明提供一种面向微纳星的多路微图像采集系统。该系统包括FPGA控制模块、多路微型相机模块、存储模块和图像后续处理模块。所述FPGA控制模块采用FLASH型FPGA结构，在低功耗工作情况下，完成图像数据采集与处理的整体控制。所述多路微型相机模块，由多个微型相机组成，安装时分别朝向不同方位以采集全方位的环境信息。所述存储模块，由两片SDRAM和EPCS组成，用于相应图像数据的缓存及程序的存储。所述图像后续处理模块，由DA转换器、SD卡接口、无线传输模块和VGA接口组成，用于采集到图像的存储，显示或传输。相比于背景技术，本发明选取的FPGA、微型相机等器件可以降低功耗，且本发明针对微纳卫星中功耗的不同要求设计了三种工作模式，包括单相机工作、多相机工作和轮循工作模式，用户可根据功耗要求及环境信息需求权衡选择工作模式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向微纳星的多路微图像采集系统，其特点是包括FPGA控制模块、多路微型相机模块、存储模块和图像后续处理模块。所述FPGA控制模块内部用HDL硬件描述语言写一个I2C控制器，通过查表的方式将参数写入相机寄存器，利用I2C控制器对多路相机进行初始化配置。初始化完毕后，设置图像采集模式，通道切换逻辑选择多路微型相机模块中多个或单个相机进行工作，未被选中的相机进入休眠状态。单相机、多相机或者轮循拍照由选择采集通道实现，通道选择由多选一选择器和2-4译码器构成，用于选择多路PCLK信号和控制多路PWDN信号。根据相机接口电路设计，控制相机的待机选择管脚PWDN使其处于工作状态或掉电状态。根据相机输出数据的时序，对数据总线进行采样，利用两个计数器分别对图像的列和行进行计数，确定每个像素点的位置，逐个对RAW格式的图像数据进行采集，然后向FPGA控制模块输出RAW格式的图像数据信号。将采集到的RAW图像格式转换成显示需要的RGB格式。所述图像后续处理模块由DA转换器、VGA接口、SD卡和无线传输模块组成。FPGA控制模块中的VGA显示控制模块同时通过输出FIFO读出SDRAM1里的图像数据，驱动DA转换器转换成模拟信号，通过VGA接口实时显示图像。SD卡通过NiosⅡ处理器保存拍摄到的图像，当系统上电后，FPGA从外部配置芯片EPCS自动加载程序到SDRAM2中运行，软件先执行中断初始化，在FATFS模块上注册一个工作区，等定时时间结束后，将当前相机在SDRAM1中的RGB图像转换成位图格式，并保存至SD卡中。将拍摄到的图像通过压缩芯片ADV212压缩，然后通过无线传输模块传输到接收设备。

本发明的有益效果是：该系统包括FPGA控制模块、多路微型相机模块、存储模块和图像后续处理模块。所述FPGA控制模块采用FLASH型FPGA结构，在低功耗工作情况下，完成图像数据采集与处理的整体控制。所述多路微型相机模块，由多个微型相机组成，安装时分别朝向不同方位以采集全方位的环境信息。所述存储模块，由两片SDRAM和EPCS组成，用于相应图像数据的缓存及程序的存储。所述图像后续处理模块，由DA转换器、SD卡接口、无线传输模块和VGA接口组成，用于采集到图像的存储，显示或传输。相比于背景技术，本发明选取的FPGA、微型相机等器件降低了功耗，同时缩小了系统的体积，且本发明针对微纳卫星中功耗的不同要求设计了三种工作模式，包括单相机工作、多相机工作和轮循工作模式，用户可根据功耗要求及环境信息需求权衡选择工作模式。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明面向微纳星的多路微图像采集系统的工作流程图。

图2是本发明面向微纳星的多路微图像采集系统的结构框图。

图3是本发明系统一次循环多路微型相机采集到的图像。

图4是将本发明系统搭载于六旋翼飞行器于飞行中采集到的图像(一次循环拍照)。

图5是背景技术全景影像无人机采集系统的结构框图。

具体实施方式

以下实施例参照图1-4。

本发明面向微纳星的多路微图像采集系统包括FPGA控制模块、多路微型相机模块、存储模块、图像显示模块、图像存储模块及图像无线传输模块、按键、LED灯及电源模块。

本发明首先需要根据系统的技术指标需求进行相关器件选型，并基于FPGA平台设计硬件电路。由FPGA控制模块统筹控制其余各个模块。系统上电工作后，FPGA从外部配置芯片(EPCS)自动加载配置程序。首先通过I2C控制器对四路相机进行初始化配置，并选择相机工作模式，设置相机进入工作或休眠状态-处于激活状态的相机按时序向FPGA输出RAW格式视频数据信号，同时FPGA将RAW格式的数据转换成RGB格式并将其通过输入FIFO存入SDRAM1中，缓存在SDRAM1中的图像根据不同的系统工作模式选择相应的后续处理方式，包括VGA接口显示、SD卡存储、无线传输模块传回接收端设备。

具体实施过程如下：

(1)FPGA对微型相机的初始化配置。

在FPGA内部用HDL硬件描述语言写一个I2C控制器，通过查表的方式将参数写入相机寄存器。系统上电后，FPGA从外部配置芯片(EPCS)自动加载配置程序，利用I2C控制器对多路相机进行初始化配置。

(2)多路微型相机模块工作模式设计。

初始化完毕后，设置图像采集模式，通道切换逻辑选择多个或单个相机进行工作，未被选中的相机进入休眠状态。单相机、多相机或者轮循拍照由选择采集通道实现，通道选择主要由多选一选择器和2-4译码器构成，主要任务是选择多路PCLK信号和控制多路PWDN信号。根据相机接口电路设计，控制相机的待机选择管脚PWDN使其处于工作状态或掉电状态。相机输出的数据与控制信号除PCLK外都是并联的，所以只需要对多路PCLK信号进行选择。

(3)多路微型相机模块图像采集实现。

①通过处于激活状态的相机采集图像；

根据相机输出数据的时序，对数据总线进行采样，利用两个计数器分别对图像的列和行进行计数，确定每个像素点的位置，逐个对RAW格式的图像数据进行采集，然后向FPGA输出RAW格式的图像数据信号。

②将采集到的RAW图像格式转换成显示需要的RGB格式。

相机配置模块初始化相机时，相机输出图像格式设置为RAW(也叫Raw RGB)格式。该格式与一般的RGB格式不同，其单个像素只有一种颜色(R、G、B中的一种)，灰度值介于0～255之间。Raw RGB格式输出的传感器将每个感光点感应到的RGB数值传送到FPGA，FPGA对该数据进行进一步处理。

(4)图像后续处理方案设计。

主要负责SDRAM中缓存的RGB图像的处理。将数据按照VGA时序输出，经ADV7123高速视频DA转换器，通过VGA接口进行显示，或直接保存到SD卡中，或经压缩芯片ADV212压缩后传输到无线传输模块，具体设计为：

①图像显示设计，即FPGA中的VGA显示控制模块同时通过输出FIFO读出SDRAM1里的图像数据，驱动高速视频DAC芯片转换成模拟信号，通过VGA接口实时显示图像。

②图像保存设计，即将拍摄到的图像转换成位图文件存储到SD卡中，该设计通过NiosⅡ处理器实现。当系统上电后，FPGA从外部配置芯片(EPCS)自动加载程序到SDRAM2中运行，软件先执行中断初始化，在FATFS模块上注册一个工作区(文件系统对象)，等定时时间结束后，将当前相机在SDRAM1中的RGB图像转换成位图格式，并保存至SD卡中。

③图像传输设计，即将拍摄到的图像首先通过压缩芯片ADV212压缩，然后通过无线传输模块传输到接收设备。

(5)其他模块。

按键作为FPGA的输入，用于图像采集系统的硬件复位和相机拍照按钮。LED灯用于本系统的状态显示。电源模块负责为整个系统提供供电和电源管理。

本发明对系统的图像采集功能进行了测试与数据分析，图3为多路微型相机置于不同场景中采集的一组轮循图像，可以从图中看出四路相机采集到了系统周边不同方位的环境信息。表1为单个相机模块的电流测试结果以及计算的实际功率，表明单个相机工作时的实际功率只有135.63mW，适于微纳卫星低功耗的设计要求。

表1 单个相机模块电流测试

除此外，本发明还将系统搭载到小型六旋翼飞行器上，在飞行过程中进行图像采集，以验证系统的性能，飞行中一次循环采集的图像数据如图4所示，可从图中看出系统搭载于小型飞行器上采集到的周边环境信息，测试表明，本系统在低功耗条件下性能稳定可靠，同样适用于小型飞行器上图像的采集。

Claims (1)

1.一种面向微纳星的多路微图像采集系统，其特征在于：包括FPGA控制模块、多路微型相机模块、存储模块和图像后续处理模块；所述FPGA控制模块内部用HDL硬件描述语言写一个I2C控制器，通过查表的方式将参数写入相机寄存器，利用I2C控制器对多路相机进行初始化配置；初始化完毕后，设置图像采集模式，通道切换逻辑选择多路微型相机模块中多个或单个相机进行工作，未被选中的相机进入休眠状态；单相机、多相机或者轮循拍照由选择采集通道实现，通道选择由多选一选择器和2-4译码器构成，用于选择多路PCLK信号和控制多路PWDN信号；根据相机接口电路设计，控制相机的待机选择管脚PWDN使其处于工作状态或掉电状态；根据相机输出数据的时序，对数据总线进行采样，利用两个计数器分别对图像的列和行进行计数，确定每个像素点的位置，逐个对RAW格式的图像数据进行采集，然后向FPGA控制模块输出RAW格式的图像数据信号；将采集到的RAW图像格式转换成显示需要的RGB格式；所述图像后续处理模块由DA转换器、VGA接口、SD卡和无线传输模块组成；FPGA控制模块中的VGA显示控制模块同时通过输出FIFO读出SDRAM1里的图像数据，驱动DA转换器转换成模拟信号，通过VGA接口实时显示图像；SD卡通过NiosⅡ处理器保存拍摄到的图像，当系统上电后，FPGA从外部配置芯片EPCS自动加载程序到SDRAM2中运行，软件先执行中断初始化，在FATFS模块上注册一个工作区，等定时时间结束后，将当前相机在SDRAM1中的RGB图像转换成位图格式，并保存至SD卡中；将拍摄到的图像通过压缩芯片ADV212压缩，然后通过无线传输模块传输到接收设备。