高动态科学级CMOS相机系统的设计

为了满足全局曝光模式下对高动态范围CMOS相机需求,基于CIS-2521sCMOS器件设计出一个相机系统,通过研究CIS-2521芯片像素读出结构特点和全局曝光模式下驱动时序特点,选用FPGA搭载DDR3作为处理架构,在FPGA内部完成了成像参数控制,sCMOS驱动时序,图像数据采集,图像预处理等SOPC片上一体化设计,并对各个模块功能进行了介绍。设计的相机系统进行成像测试,实现了连续输出50帧/s,2 560×2 160像素,14bit有效深度的高清晰度高动态范围图像,基本满足科学级成像条件的需求。

高动态科学级CMOS相机设计与成像分析

为了满足高动态范围高灵敏度的全局曝光模式下成像系统的需求,基于CIS-2521科学级CMOS图像传感器设计了一个相机系统,通过分析CIS-2521芯片像素读出结构特点,通过芯片内部模拟相关双采样与FPGA片内数字域相关双采样完成相关四采样算法,列向噪声去除效果明显。通过设计曲线拟合双增益通道图像数据合成输出,保证了系统成像有较高输出动态范围。相机常温下输出图像峰值信噪比达62.9dB,采用半导体制冷后输出图像峰值信噪比74.3dB。根据EMVA1288标准实测相机动态范围达到78.2dB,设计的相机系统实现了每秒50帧2 560×2 160像素,16bit深度高清晰度高动态范围图像的实时全局曝光成像输出,能够满足低照度条件下的高帧频高动态范围成像的需求。

基于最小二乘拟合的科学级CMOS传感器非均匀性校正

鉴于图像传感器普遍存在非均匀性问题,本文提出了一种基于最小二乘法的分段线性插值的非均匀校正算法。该算法结合了最小二乘拟合法以及分段线性校正方法的优点,在大场景动态范围内都可实现良好的校正效果。采用科学级CMOS为实验对象,经本文提出的算法校正后,在整个工作照度范围下非均匀度相比原始图像可降低约42%。并与几种经典校正算法进行对比分析,结果表明该校正算法可适应的场景动态范围更大,在整个工作照度环境下可得到更好的平均校正效果。

基于FPGA的高分辨率科学级CMOS相机设计

针对高分辨率科学级相机应用广泛,国内需求量大的背景,设计了基于长光辰芯公司GSENSE400图像传感器的国产化高分辨率科学级CMOS(Complementary Metal Qxide Semiconductor)相机。该相机系统包括基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的数据采集、控制与Camera-Link输出设计。FPGA主要包含SPI(Serial Peripheral Interface)配置模块、CMOS时序驱动模块、数据采集模块、Camera-Link数据转换模块以及串口通信模块。根据CMOS的时序逻辑,在FPGA中实现了CMOS驱动时序的设计。根据相机输出HDR(High-Dynamic Range)图像的数据量,同时为了简化FPGA数据传输模块的设计,通过使用1片DS90CR287芯片,选用Camera-Link的base模式进行图像数据的传输,并实现串口对相机的控制。对该相机系统进行成像测试,实现了HDR模式下连续输出24帧,2 048×2 048像素,低读出噪声、高灵敏度、高动态范围图像,基本满足科学级成像条件的需求。

sCMOS相机系统设计

为了满足天文和科学应用领域对高动态范围、高灵敏度、低噪声成像系统的需求,文中选用背照式、科学级CMOS(sCMOS)图像传感器GSENSE6060BSI,开发了一套以FPGA为核心处理器的相机系统。针对该传感器的特性,设计了相机的电路结构,用VHDL语言编写了FPGA的逻辑控制代码,实现了对传感器的驱动和对图像数据的后续处理;用MFC编写了相机的控制软件,完成了对相机系统的控制。经实际验证,该相机系统各部分功能正常,相机在标准(STD)模式和高动态范围(HDR)模式下均已顺利成像。