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)碼相機和PC機間的高速、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CV-A10CL[2]設(shè)計的一個可以實時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。對于本設(shè)計中的4 008×5 344分辨率的圖像進行傳輸必須要對圖像進行分割壓縮，然后在接收端合并恢復(fù)出完整的圖像。在本設(shè)計中，F(xiàn)PGA的作用是對通信的所有過程進行控制和對數(shù)據(jù)進行處理。
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分辨率的圖像進行傳輸必須要對圖像進行分割壓縮，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，在采用低壓縮比對圖像進行壓縮時，在解壓端可以不考慮圖像拆分時的邊界效應(yīng)，直接對圖像進行合并。但是在本項目中，必須支持8~80倍的圖像壓縮。而在80倍圖像壓縮時，還是會明顯感覺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，通過冗余的圖像數(shù)據(jù)來覆蓋掉邊界圖像。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個像素的圖像冗余。在接收端，將Pic1每行的最后12個像素點用Pic2的對應(yīng)像素點替換，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和結(jié)束像素點如圖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和結(jié)束像素點如圖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Camera Link接口連接數(shù)碼相機接收數(shù)碼相片原始數(shù)據(jù)，并對數(shù)碼相片原始數(shù)據(jù)進行壓縮，然后將要測數(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)流和碼同步時鐘通過RS422同步接口輸出到下一個設(shè)備；數(shù)碼相片解壓單元接收到數(shù)碼相片數(shù)據(jù)流后，通過RS422同步接口傳送給解壓卡，解壓卡進行解壓后，通過PCI總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上，最后進行數(shù)據(jù)顯示、存儲和網(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，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)部進行信道解碼恢復(fù)成圖像數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)幀，將遙測數(shù)據(jù)從RS422接口輸出，完成遙測數(shù)據(jù)的處理。

    對于接收的圖像數(shù)據(jù)，則通過ADV202進行解壓縮，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PCI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機主機。
4 圖像傳輸演示
    由于4 008×5 344分辨率的Camera Link接口數(shù)碼相機價格十分昂貴，因此本設(shè)計無法采用該相機來進行演示驗證。為了證明設(shè)備的工作狀態(tài)，可以首先采用RS422串口來傳遞高分辨率(4 008×5 344)圖像的方法來驗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接口相機來演示驗證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接口可用來接收圖像數(shù)據(jù)。因此，可以利用接收遙測數(shù)據(jù)的RS422接口來進行高分辨率圖像數(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，圖像壓縮模塊對圖像進行分割壓縮，然后通過另一個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行解壓，然后通過PCI接口傳遞給電腦。最終由電腦進行圖像的合并及儲存顯示。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
    采用串口進行高分辨率圖像傳輸大約需要30 min，而且不能驗證Camera Link接口的功能是否正常。所以在通過串口完成高分辨率圖像演示驗證后，需要利用低分辨率(576×768)的Camera Link接口相機進行Camera Link接口的功能驗證。具體連接如圖5(b)所示。
    如圖5(b)所示圖像壓縮模塊通過控制Camera Link接口相機的參數(shù)和快門，可以實現(xiàn)對該相機的操作。相機在響應(yīng)快門操作后，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PCI接口傳遞給電腦，并由電腦進行圖像存儲和顯示。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)計實現(xiàn)了基于Altera公司的StratixTM II系列FPGA EP2S30F484I5芯片和數(shù)碼相機CV-A10CL的高分辨率數(shù)碼照片的圖像傳輸系統(tǒng)。通過FPGA對數(shù)碼相機CV-A10CL、壓縮/解壓縮芯片ADV202、信道編碼芯片AHA4501、存儲芯片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題，也利用冗余的圖像數(shù)據(jù)消除了圖像在拼接時的邊界效應(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)果驗證了本設(shè)計的可靠性和實用性。
參考文獻
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