基于DSP的數碼望遠相機的研究與設計

　　近年來，隨著半導體制造技術的發展和計算機體系結構等方面的改進，數字信號處理技術得到了迅速的發展和運用，DSP芯片的功能越來越強大，數字信號處理已成為信號處理技術的主流。結合光學儀器向光、機、電、算一體化和智能化現代光學儀器發展的趨勢，設計了一款基于高性能DSP芯片的同步可調式雙筒望遠數碼相機。

　　1 設計的基本思路與基本原理

　　分立采光，按照望遠物鏡與數碼照相鏡頭的入瞳直徑相匹配的原則，設計計算出數碼鏡頭與望遠鏡對3 m～無窮遠目標望遠數碼相機的數碼照相系統與望遠系統相對獨立，進行成像的離焦對應曲線，采用中調手輪轉動帶動望遠鏡和數碼鏡頭實現同步調焦，使遠方同一景物目標通過望遠物鏡和數碼鏡頭的成像同時同步清晰，使望遠鏡真正成為數碼相機的光學取景器，再通過數碼鏡頭像面位置處的CMOS影像傳感器實現觀察目標圖像信息的獲取、存儲、壓縮以及數字圖像的轉換、顯示和傳輸過程。

　　2 數碼成像系統的設計與研究

　　根據要求，采用了基于高性能DSP芯片的數字圖像信號處理技術，以實現對實時圖像信息的獲取、存儲、轉換和數字圖像的傳輸與顯示。選擇美國德州儀器公司(TI)的高性能多媒體處理芯片TMS320DM642作為主處理器； SDRAM選用Micron公司T48LC4M32B-6；視頻采集芯片則是Micron的300萬像素的CMOS圖像傳感器MT9T001；采用高效、穩定、可靠的嵌入式計算平臺，數碼照像系統結構框圖如圖1所示。

　　由于CMOS APS圖像傳感器在價格、性能和功耗等各方面都優于CCD圖像傳感器，而且集成了很多圖像處理功能，因此在本系統的視頻采集模塊設計中，選用了Micron公司生產的CMOS APS圖像傳感器芯片MT9T001。

　　MT9T001是一款OxGA格式(有效像素為2 048×1 536)的CMOS數字圖像傳感器。芯片上集成了模擬及數字自動增益調整、電平偏置調整，以及視窗大小切換、行列調整和閃光模式等功能，這些功能都可通過 I2C總線接口進行編程控制。該傳感器可以工作在默認模式或者通過寄存器編程設置的用戶模式。默認模式將以12幀／s的速度輸出QxGA格式圖像。芯片上的APC轉換器為每個像素提供10 b的數據流，并伴隨有行、場同步信號輸出。

　　DM642和cMOS圖像傳感器的連接如圖2所示。為了接收視頻數據，DM642的視頻端口必須配置成原始數據采集模式。在這種模式下，DM642對接收到的數據不做任何選擇或插值處理。這種操作模式適合接收CMOS圖像傳感器等特殊格式的數據。由于是傳輸原始數據，DM642和MT9T001之間的連線也相對簡單，不需要行、場同步信號。當CAPENA信號被使能后，VPID數據總線將開始接收數據；采集速率由CMOS傳感器的PIXCLK時鐘決定。 DM642通過I2C總線CSCL和SDA控制CMOS圖像傳感器的工作模式。

　　3 樣機試驗與檢測

　　對試制樣機進行性能檢測、數碼鏡頭鑒別率檢測，對3 m遠的相機分辨率標板(ISO Resolution Chart for Electronic Still Cameras)進行拍照后，讀取分辨率數值。實驗測得產品垂直分辨率達到8組，水平分辨率達到9組，分辨率達到設計要求。采用400萬像素佳能相機與樣機對同一地點、同一時問對同一景物(箭頭所指為拍攝目標)的進行拍攝，結果如圖3、圖4所示。該設計實現了數碼望遠功能。

　　4 結 語

　　該研究立足于傳統雙筒望遠鏡，應用先進的數碼成像技術，創造性地解決了通過結構的準確同步傳動，實現對同一物體的觀察和拍攝問題，使望遠鏡真正成為數碼相機的取景器，實現了真正的所拍即所望。設計的專用攝遠鏡頭，消除了望遠系統的成像畸變，增加了成像圖片的景深效果。望遠系統和攝遠系統實現同步調焦，保證了望遠鏡像面和數碼照相攝錄系統感光芯片上成像清晰度改變的一致性，遠處景物的成像在望遠系統中的比例和在照片中的比例相同。目前，該研究已經在某些電子望遠設備上實現應用。