1.2 系統(tǒng)組成
　　折反射全景成像系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：
　　(1)光敏元件，如CCD器件。本系統(tǒng)中采用IMPERX公司的IPX-4M15-LC型Camera Link接口的科學(xué)級高分辨率數(shù)字相機，分辨率為2 048×2 048，幀速率為15f/s。
　　(2)成像透鏡，如常規(guī)成像透鏡或遠心透鏡。本系統(tǒng)采用Nikon廣角近焦鏡頭。
　　(3)凸面反射鏡，其面形為二次曲面，如球面、圓錐面、拋物面、雙曲面等。本系統(tǒng)采用視場角為120°雙曲反射面。
　　(4)實時圖像處理平臺。本系統(tǒng)采用以Altera公司Cyclone II系列FPGA EP2C35為核心的圖像處理系統(tǒng)。
　　(5)顯示部件，本系統(tǒng)的顯示終端由LVDS接口的數(shù)字液晶顯示器構(gòu)成，分辨率為1 024×768，刷新頻率為60Hz。
2 嵌入式硬件設(shè)計
2.1 FPGA核心處理系統(tǒng)
　　FPGA核心處理系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone II 處理器EP2C35F484C8。在Cyclone系列低成本FPGA中，Cyclone II FPGA系列是第二代產(chǎn)品，采用TSMC的1.2V、90nm、低k絕緣工藝，具有比第一代產(chǎn)品更多的性能優(yōu)勢，密度功能進一步提高。具有33 216個邏輯單元(LE)，密度是第一代Cyclone FPGAs的三倍，每LE最低的成本；具有105個M4K的RAM，共組成483 840bit可用RAM，可達到250MHz的性能。有35個18×18bit或70個9×9bit嵌入式乘法器；跨越整個期間的16個低斜移、全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，有16個專用輸入時鐘引腳反饋；4個鎖相環(huán)（PLLs），每個具有3個輸出抽頭，具有可設(shè)置帶寬、可設(shè)置占空比、擴譜時鐘、鎖定探測功能，以及具有移相功能的頻率合成，可提供片內(nèi)和片外全面的系統(tǒng)始終管理。除FPGA之外，電源系統(tǒng)有由AMS1084-3.3構(gòu)成的3.3V供電，由AMS1084-adj調(diào)整出來的1.2V供電部分。配置芯片為EPCS16，時鐘晶振為50MHz。
2.2 高速存儲系統(tǒng)設(shè)計
　　圖像處理系統(tǒng)對存儲設(shè)備要求很高，不僅需要有大的存儲容量，還要有非常高的存儲速度。針對本系統(tǒng)中的處理要求，每幀圖像的大小為4MB，所以要想實時、連貫地對圖像做想要的處理，存儲系統(tǒng)的最低容量應(yīng)為能存儲一幀圖像的容量4MB。存取速度可以通過計算得出，相機數(shù)據(jù)總量：15f/s×2 048×2 048×8＝480Mb/s，單路LVDS=總量×7/12＝280Mb/s，單路TTL=單路LVDS/7=40Mb/s。通過計算可知，系統(tǒng)數(shù)字前端的通信速率是40MHz，已經(jīng)屬于高速電路信號的范疇。為了增加圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，Camera Link接口采用雙通道傳輸模式，每通道數(shù)據(jù)為8bit，共16bit。在圖像實時采集及顯示的要求下，可采用兩組RAM乒乓讀寫操作的方式，但這樣會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性；也可以使用雙口RAM，但如此大容量的雙口RAM的成本非常高?；谶@兩點考慮和系統(tǒng)的實際需求，本系統(tǒng)使用對單存儲體分時復(fù)用讀寫的機制，可簡化硬件設(shè)計和降低成本。系統(tǒng)中選用4片SRAM，型號為IS61LV51216，其單片容量為1MB，在硬件連接上擴展成1M×32bit的靜態(tài)RAM存儲體，總共4MB，為一幀圖像的存儲容量，而32bit的數(shù)據(jù)寬度可極大限度地增加系統(tǒng)的通信速率。
　　如圖2所示，使用AVALON總線支持的8級流水線的方式不連續(xù)讀取SRAM和SDRAM中的數(shù)據(jù)。當讀SRAM中數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)有效標志一直處于高電平有效狀態(tài)，故可以在CLK的每一個周期返回一個有效數(shù)據(jù)；而讀SDRAM時，數(shù)據(jù)有效標志大部分周期為低電平無效狀態(tài)，所以實際的讀取速度大打折扣，不及SRAM速度的1/3。這里簡單分析一下原因：首先SDRAM的行列地址線是復(fù)用的，降低了總線速率；其次SDRAM的讀寫操作過程中需要多個額外的總線周期進行precharge和active操作，導(dǎo)致效率低下，尤其在不連續(xù)讀寫時更加嚴重。而SRAM完全不存在這個問題，可以完全隨機讀寫，本系統(tǒng)選用的SRAM讀和寫都可以在10ns完成。

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2.3 Camera Link采集接口與LVDS顯示接口
　　科學(xué)級高分辨率數(shù)字相機IPX-4M15-LC使用Camera Link接口傳輸圖像。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，此相機內(nèi)部處理系統(tǒng)也是由一片一百萬門的FPGA和一個32位處理器組成，最后由美國國家半導(dǎo)體公司的DS90CR287MTD轉(zhuǎn)換成LVDS信號，由Camera Link接口將圖像傳輸出去。與DS90CR287MTD配套使用的芯片為DS90CR288AMTD，所以本系統(tǒng)使用DS90CR288AMTD作為Camera Link協(xié)議的解碼芯片。具體使用中，在板級布線時，尤其應(yīng)注意差分走線等長、平行、結(jié)成對耦等原則，這樣會使信號的高頻特性達到最好。
　　在顯示終端方面，沒有選擇XGA接口的顯示器，因為所有模擬接口的液晶顯示器都是為了兼容以前的陰極射線管（CRT）顯示器，而模擬信號傳輸存在一些缺點，如信號衰減、易受干擾，清晰度和細節(jié)表現(xiàn)力不高等。液晶顯示器本身就可以由數(shù)字信號進行控制，所以本系統(tǒng)選用LVDS接口的液晶顯示器，型號為上廣電的SVA150XG04BT，分辨率為1 024×768。控制芯片為上廣電推薦的平板液晶顯示器LVDS接口芯片DS90C385A。
3 AVALON總線IP核設(shè)計
3.1 Avalon總線規(guī)范
　　在采集IP核設(shè)計上，采用具有可變等待周期的突發(fā)傳輸，在展開顯示IP核設(shè)計上，采用具有可變等待周期和可變延遲的流水線傳輸。下面分別介紹這兩種傳輸模式。Avalon接口可使用突發(fā)傳輸屬性。該傳輸方式將多次傳輸作為一個單元來執(zhí)行，而不是將每個數(shù)據(jù)單元作為一次獨立的傳輸。當每次處理來自主端口的多個數(shù)據(jù)單元時，突發(fā)傳輸是從端口能達到最高效率的數(shù)據(jù)吞吐量。流水線傳輸使得主外設(shè)可以發(fā)起一次讀傳輸，轉(zhuǎn)而執(zhí)行一個不相關(guān)的任務(wù)，等外設(shè)準備好數(shù)據(jù)后再接收數(shù)據(jù)。這個不相關(guān)的任務(wù)可以是發(fā)起的另一次讀傳輸，盡管上一次讀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)還沒有返回。在取指令操作和DMA操作中，流水線傳輸非常有用。在這兩種狀態(tài)下，CPU或DMA主外設(shè)會預(yù)取期望的數(shù)據(jù)，從而使同步存儲器處于激活狀態(tài)，并減少平均訪問時間。
3.2 Camera Link接口協(xié)議分析
　　Camera Link是從Channel Link技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，以LVDS作為物理層。Channel Link包括一個發(fā)送和接收對。發(fā)送端接收28路單端的數(shù)據(jù)信號和一個單端的時鐘信號，數(shù)據(jù)被以7：1的方式串行化為4路雙端數(shù)據(jù)流，接收端接收這四路串行數(shù)據(jù)流和一個同步時鐘，并解串成為28路單端數(shù)據(jù)信號。
　　Camera Link信號要求圖像數(shù)據(jù)和圖像使能信號必須包含在Channel Link總線中。四個使能信號被定義如下：
　　FVAL：幀有效（Frame Valid）； LVAL：線有效（Line Valid)； DVAL：數(shù)據(jù)有效(Data Valid)；Spare：Spare作為以后使用的信號。保留了4個LVDS對用于實現(xiàn)對通用相機的控制，他們被定義為相機的輸入和圖像采集卡的輸出。相機生產(chǎn)商設(shè)定這些信號來滿足特殊產(chǎn)品的需要。這4個信號是：Camera Control 1～4。2個LVDS對已經(jīng)被分配為實現(xiàn)相機和圖像采集卡之間的異步串行通信，相機和圖像采集卡應(yīng)至少支持9 600b/s的波特率，這兩個信號是SerTFG和SerTC。
3.3 圖像采集存儲IP核設(shè)計
　　高分辨率數(shù)字相機的像素為400萬，幀率為15f/s，數(shù)據(jù)輸出時鐘為40MHz，數(shù)據(jù)寬度為16bit。如此大數(shù)據(jù)量的采集及寫入RAM是使用CPU操作難以完成，所以編寫了Avalon總線主外設(shè)，將采集到的數(shù)據(jù)以DMA的方式寫入SRAM。Avalon總線傳輸支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，在這個主外設(shè)中，為了使數(shù)據(jù)傳輸能力達到最大，使用突發(fā)傳輸模式，突發(fā)長度為一行圖像的數(shù)據(jù)1 024B，以16bit數(shù)據(jù)寬度進行傳輸，突發(fā)長度為512，使用狀態(tài)機控制突發(fā)傳輸?shù)膸讉€狀態(tài)，如圖3所示。由于圖像數(shù)據(jù)的時鐘為40MHz，Avalon總線傳輸時鐘為120MHz，涉及到異步時鐘域同步問題，使用512個16bit寫入32bit讀出的FIFO進行數(shù)據(jù)同步。

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3.4 圖像顯示原理分析
　　使用FPGA控制顯示器顯示所要的圖像，主要是控制時序，就是將圖像數(shù)據(jù)依據(jù)顯示器需要的顯示順序送出，即正確的數(shù)據(jù)放到正確的顯示器像素點上。本系統(tǒng)選用的顯示器的現(xiàn)實時序控制比較簡單，只需以CLK的上升沿為觸發(fā)控制使能信號DE與數(shù)據(jù)信號DATA同步即可。DE為數(shù)據(jù)使能信號，高電平有效，在所有的顯示周期該信號為高電平，在行消隱與場消隱期間為低電平。顯示時序如圖4所示。

3.5 圖像顯示IP核設(shè)計
　　在圖像顯示IP核設(shè)計上，讀取SRAM內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)時不宜采用突發(fā)傳輸模式，因為全景視覺系統(tǒng)圖像顯示需要先對環(huán)形的全景圖像進行非線性還原，這涉及到大量的非連續(xù)地址圖像數(shù)據(jù)讀取，因而不適合使用突發(fā)傳輸。而Avalon總線協(xié)議支持多達8級流水線的讀傳輸，可以很好地解決這一問題。流水線傳輸時序如圖5所示。

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4 全景圖像展開算法設(shè)計與實現(xiàn)
4.1 全景圖像柱面展開原理
　　以雙曲面焦點F′為投影中心建立虛擬像機，將實際全向圖像投影到虛擬像面上的過程稱為系統(tǒng)成像的逆投影。如圖6所示，F(xiàn)，F(xiàn)′分別為雙曲線的兩個焦點，OP為入射光線，PQ為反射光線，O為三維空間中的任一點，坐標為(x₀，y₀)，Q為O點經(jīng)反射鏡反射后在像平面上的成像點，c為雙曲面的焦距，f為攝像機焦距。根據(jù)逆投影模型可得已知三維空間中物點O坐標，由式2、式3可確定像點Q的坐標。
　　

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　　式中a、b為雙曲線的參數(shù)，θ為入射光線與Z軸夾角。
　　當虛擬像面為圓柱面，且圓柱面的對稱軸為成像系統(tǒng)的對稱軸時，可以得到柱面全景圖像。
4.2 展開算法的簡化原理
　　全景圖像展開原理和公式推倒是嚴謹、規(guī)范的，雖然展開圖像的失真度最小，但復(fù)雜性也是最高的。它不僅需要不斷地用到正弦余弦運算，還要知道雙曲面反射鏡的多個參數(shù)以及拍攝時的實時焦距參數(shù)。這對實時處理系統(tǒng)來說是無法容忍的。下面介紹全景圖像簡化展開算法。
　　為了滿足進一步的圖像視覺應(yīng)用和人眼的觀察習(xí)慣，需要將壓縮的全景圖像投影到柱面上。簡化算法的思想是在不考慮雙曲面反射鏡自身參數(shù)的情況下，利用直角坐標和極坐標之間的坐標變換(如圖7所示)，將柱面展開圖上像素點的值一個一個地從全景圖中找到，然后根據(jù)顯示效果調(diào)整R′的大小，使顯示的寬高比例滿足實際比例，從而達到滿意的觀察結(jié)果。

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4.3 FPGA實現(xiàn)展開
　　如圖8設(shè)計的Avalon總線系統(tǒng)，在對全景圖像數(shù)據(jù)進行采集顯示以及非線性展開處理時，為了達到15f/s的實時顯示采集性能，全部使用Verilog HDL編寫，這樣就可以做到所有功能模塊都并行處理。Verilog屬于硬件描述語言，優(yōu)點是執(zhí)行效率高，缺點是無法進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，如展開公式中用到的三角函數(shù)、除法運算等?？紤]到FPGA內(nèi)部有高速的SRAM，所以查表可以很好地解決這一問題。除法運算轉(zhuǎn)換成移位運算。在FPGA內(nèi)部調(diào)用宏功能模塊，生成ROM，并用正弦和余弦表來對其進行初始化。本系統(tǒng)中使用7 200點的正余弦表，精度為16位，足以滿足要求。用Visual C++生成表，并作乘以1 024的處理。因為Verilog只能處理整數(shù)，最后處理時將處理結(jié)構(gòu)右移10位，即可將結(jié)果還原回真實值。

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