Camera Link[1]是工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)和連接協(xié)議，它由世界數(shù)碼相機(jī)供應(yīng)商和圖像采集公司在2000年10月聯(lián)合推出，旨在為數(shù)碼相機(jī)和PC機(jī)間的高速、高精度數(shù)字傳輸提供一種標(biāo)準(zhǔn)連接。本設(shè)計(jì)就是基于Altera公司的StratixTM II系列芯片中的FPGA EP2S30F484I5芯片和數(shù)碼相機(jī)CV-A10CL[2]設(shè)計(jì)的一個(gè)可以實(shí)時(shí)顯示的圖像傳輸系統(tǒng)。由于ADV202所能壓縮的每幅圖像最大樣本數(shù)為1.048 M，即1 024×1 024分辨率的圖像。對(duì)于本設(shè)計(jì)中的4 008×5 344分辨率的圖像進(jìn)行傳輸必須要對(duì)圖像進(jìn)行分割壓縮，然后在接收端合并恢復(fù)出完整的圖像。在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA的作用是對(duì)通信的所有過(guò)程進(jìn)行控制和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
1 高分辨率圖像拆分與合并傳輸原理
    由于ADV202[3]所能壓縮的每幅圖像最大樣本數(shù)為1.048 M，即1 024×1 024分辨率的圖像。所以4 008×5 344分辨率的圖像進(jìn)行傳輸必須要對(duì)圖像進(jìn)行分割壓縮，然后在接收端合并恢復(fù)出完整的圖像。
    按照ADV202的技術(shù)手冊(cè)，在采用低壓縮比對(duì)圖像進(jìn)行壓縮時(shí)，在解壓端可以不考慮圖像拆分時(shí)的邊界效應(yīng)，直接對(duì)圖像進(jìn)行合并。但是在本項(xiàng)目中，必須支持8~80倍的圖像壓縮。而在80倍圖像壓縮時(shí)，還是會(huì)明顯感覺(jué)出圖像間的拼接效果，所以必須要考慮圖像的邊界效應(yīng)。
    針對(duì)以上分析，將4 008×5 344分辨率的圖像水平方向拆分成4幅圖，垂直方向拆分成6幅圖，總共拆成24幅1 024×1 024分辨率的圖像進(jìn)行傳輸。拆分方法如圖1所示。

    為了解決圖像間水平方向的邊界效應(yīng)，水平方向上每幅圖都需要和相鄰的圖像有一定的圖像數(shù)據(jù)冗余。在接收端，通過(guò)冗余的圖像數(shù)據(jù)來(lái)覆蓋掉邊界圖像。例如Pic1和Pic2為水平方向相鄰的兩幅圖像，在它們之間引入水平方向24個(gè)像素的圖像冗余。在接收端，將Pic1每行的最后12個(gè)像素點(diǎn)用Pic2的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)替換，這樣就可以消除圖像間的水平邊界效應(yīng)。每幅圖像水平方向的起始像素點(diǎn)和結(jié)束像素點(diǎn)如圖1(a)所示。
    同理，也可以在垂直方向采用相同的方法，每幅圖像垂直方向的起始像素點(diǎn)和結(jié)束像素點(diǎn)如圖1(b)所示。
    采用以上方法就可以將4 008×5 344分辨率的圖像拆分成如圖1(c)所示的24幅具有冗余度的圖像。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
    圖像傳輸系統(tǒng)由數(shù)碼相片壓縮單元和數(shù)碼相片解壓縮單元組成[4-5]。數(shù)碼相片壓縮單元通過(guò)Camera Link接口連接數(shù)碼相機(jī)接收數(shù)碼相片原始數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)碼相片原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后將要測(cè)數(shù)據(jù)與壓縮數(shù)據(jù)合成為數(shù)碼相片數(shù)據(jù)流，最后將數(shù)碼相片數(shù)據(jù)流和碼同步時(shí)鐘通過(guò)RS422同步接口輸出到下一個(gè)設(shè)備；數(shù)碼相片解壓?jiǎn)卧邮盏綌?shù)碼相片數(shù)據(jù)流后，通過(guò)RS422同步接口傳送給解壓卡，解壓卡進(jìn)行解壓后，通過(guò)PCI總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等。壓縮與解壓縮單元組成框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)工作原理
3.1 圖像壓縮單元工作原理
    即使同時(shí)使用兩片圖像壓縮芯片ADV202，也僅僅能夠支持一路高清電視的分辨率的圖像，與4 008×5 344仍然存在較大差距。因此，考慮采用將一幅圖片進(jìn)行拆分，分為多幀壓縮傳送，保證整幅照片的數(shù)據(jù)傳送。工作邏輯框圖如圖3所示。

    從Camera Link接收的數(shù)據(jù)在SDRAM[6-7]中緩存，當(dāng)數(shù)據(jù)存滿一張完整照片時(shí)，采用連續(xù)發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送入ADV202壓縮，ADV202返回的數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)混合成幀，然后發(fā)送到AHA4501[8]芯片完成信道編碼編碼的數(shù)據(jù)，在FPGA控制下，采用同步方式從RS422數(shù)據(jù)口輸出。
3.2 圖像解壓縮單元工作原理
    在接收端，采用如圖4的結(jié)構(gòu)。接收到的信道數(shù)據(jù)，首先在FPGA內(nèi)部進(jìn)行信道解碼恢復(fù)成圖像數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)幀，將遙測(cè)數(shù)據(jù)從RS422接口輸出，完成遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理。

    對(duì)于接收的圖像數(shù)據(jù)，則通過(guò)ADV202進(jìn)行解壓縮，解壓縮之后的數(shù)據(jù)在SDRAM中緩存，一張照片的數(shù)據(jù)完整后，通過(guò)PCI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)主機(jī)。
4 圖像傳輸演示
    由于4 008×5 344分辨率的Camera Link接口數(shù)碼相機(jī)價(jià)格十分昂貴，因此本設(shè)計(jì)無(wú)法采用該相機(jī)來(lái)進(jìn)行演示驗(yàn)證。為了證明設(shè)備的工作狀態(tài)，可以首先采用RS422串口來(lái)傳遞高分辨率(4 008×5 344)圖像的方法來(lái)驗(yàn)證圖像壓縮和解壓縮的功能和效果，如圖5(a)所示；然后再利用低分辨率(782×582)的Camera Link接口相機(jī)來(lái)演示驗(yàn)證Camera Link接口功能，如圖5(b)所示。

4.1 串口高分辨率圖像傳輸演示方法
    目前圖像壓縮模塊除了Camera Link接口，只有RS422接口可用來(lái)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。因此，可以利用接收遙測(cè)數(shù)據(jù)的RS422接口來(lái)進(jìn)行高分辨率圖像數(shù)據(jù)的接收，具體連接關(guān)系如圖5(a)所示。
    如圖5(a)所示，利用電腦的RS232串口向圖像壓縮模塊發(fā)送4 008×5 344分辨率的BMP格式圖像，經(jīng)RS232/RS422轉(zhuǎn)換器變?yōu)镽S422接口數(shù)據(jù)由圖像壓縮模塊接收。接收后，圖像壓縮模塊對(duì)圖像進(jìn)行分割壓縮，然后通過(guò)另一個(gè)RS422接口傳遞給圖像解壓模塊。圖像解壓模塊將接收到的圖像進(jìn)行解壓，然后通過(guò)PCI接口傳遞給電腦。最終由電腦進(jìn)行圖像的合并及儲(chǔ)存顯示。圖6為圖像傳輸效果圖，其中圖6(a)為原始圖像，圖6(b)為接收端解壓后拼接恢復(fù)的圖像。

4.2 Camera Link接口圖像傳輸演示方法
    采用串口進(jìn)行高分辨率圖像傳輸大約需要30 min，而且不能驗(yàn)證Camera Link接口的功能是否正常。所以在通過(guò)串口完成高分辨率圖像演示驗(yàn)證后，需要利用低分辨率(576×768)的Camera Link接口相機(jī)進(jìn)行Camera Link接口的功能驗(yàn)證。具體連接如圖5(b)所示。
    如圖5(b)所示圖像壓縮模塊通過(guò)控制Camera Link接口相機(jī)的參數(shù)和快門(mén)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該相機(jī)的操作。相機(jī)在響應(yīng)快門(mén)操作后，可以利用Camera Link接口將圖像數(shù)據(jù)傳遞給圖像壓縮模塊。然后圖像壓縮模塊進(jìn)行圖像壓縮和傳輸；圖像解壓模塊在完成圖像解壓后將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)PCI接口傳遞給電腦，并由電腦進(jìn)行圖像存儲(chǔ)和顯示。圖7為圖像傳輸效果圖，其中圖7(a)為原始圖像中拆分后的第一張圖(分辨率1 024×1 024)，圖7(b)為經(jīng)過(guò)8倍壓縮/解壓后合并回復(fù)后的圖像(分辨率4 008×5 344)。

      本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Altera公司的StratixTM II系列FPGA EP2S30F484I5芯片和數(shù)碼相機(jī)CV-A10CL的高分辨率數(shù)碼照片的圖像傳輸系統(tǒng)。通過(guò)FPGA對(duì)數(shù)碼相機(jī)CV-A10CL、壓縮/解壓縮芯片ADV202、信道編碼芯片AHA4501、存儲(chǔ)芯片SDRAM和PCI總線的控制和數(shù)碼照片圖像數(shù)據(jù)的處理，完成數(shù)碼照片的壓縮、傳輸、解壓縮及顯示的全過(guò)程。高分辨率圖像的拆分和合并技術(shù)解決了高分辨率數(shù)碼照片傳輸難和芯片處理能力有限的問(wèn)題，也利用冗余的圖像數(shù)據(jù)消除了圖像在拼接時(shí)的邊界效應(yīng)。串口高分辨率圖像傳輸演示和Camera Link接口圖像傳輸演示結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。
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