李煊 王晶媛

引言：當相機與被拍攝場景在曝光時間內存在相對運動時，獲取的圖像就會出現(xiàn)運動模糊。圖像運動模糊包括相機抖動模糊和物體運動模糊。近來，由于圖像盲復原方法的突破。編碼曝光技術作為計算攝影[3]的具體應用，其核心思想是在相機曝光期間根據(jù)預先設計的二進制編碼序列（稱為碼字）快速地開關相機快門以保留高頻信息。由此，編碼曝光技術將病態(tài)的模糊圖像復原問題轉化為良態(tài)問題。

1 系統(tǒng)總體結構

整個系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，分別是圖像顯示系統(tǒng)，圖像傳輸和處理系統(tǒng)以及圖像采集

系統(tǒng)，其中圖像顯示系統(tǒng)采用PC電腦作為顯示器，在電腦上用MFC編程寫出圖像顯示軟件，上位機顯示軟件控制圖像采集的開始，停止以及回放，通過光纖將控制命令發(fā)送到下位機，在電腦主板的PCIE總線插槽處接入PCIE轉光纖轉接卡，采用光纖作為傳輸通路，可以保證圖像數(shù)據(jù)快速遠距離傳輸;圖像傳輸和處理系統(tǒng)采用FPGA作為主控芯片，F(xiàn)PGA一方面控制串并轉換芯片TLK2501以接收來自上位機的命令，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過串并轉換芯片經由光纖發(fā)送到上位機，F(xiàn)PGA與AD9923A通過總線方式連接以采集圖像數(shù)據(jù)，另外，SDRAM用于存儲圖像數(shù)據(jù);圖像采集系統(tǒng)選用索尼公司的ICX445CCD傳感器，外圍搭配AD9923A作為時序驅動電路，而AD9923A的配制則選用單片機C8051F340。

2 硬件設計

2.1 圖象顯示系統(tǒng)

圖象顯示系統(tǒng)采用PC電腦作為上位機，使用windows XP操作系統(tǒng)，在此基礎上使用MFC編寫了上位機顯示界面，界面如圖2所示，命令及圖像數(shù)據(jù)通過電腦的PCIE總線進行相互傳輸，在電腦的PCIE插槽上接入一個PCIE光纖轉接卡，系統(tǒng)框圖如圖3所示，通過光纖發(fā)送來的相機數(shù)據(jù)由SFP光模塊接收，經過串并轉換以后由FPGA接收，F(xiàn)PGA內部有一個PCIE硬核，當接收到的數(shù)據(jù)達到一定數(shù)值時（在這我們設定是到達12幀數(shù)據(jù)），F(xiàn)PGA便開啟與電腦內存之間的DMA傳輸，而MFC顯示程序則直接從電腦內存中讀取圖像數(shù)據(jù)并顯示圖像。

圖像顯示軟件采用VC++6.0開發(fā)的基于MFC的應用程序，功能包括開始、停止采集，設置曝光時間以及曝光次數(shù)等參數(shù)，實現(xiàn)了曝光的可控性?，F(xiàn)實程序采用多線程編程，不僅能夠實時顯示圖像，還可以存儲圖像，提高了程序的運行效率。在編程中使用了DirectDraw函數(shù)組，直接將圖像數(shù)據(jù)送人顯存，充分發(fā)揮顯卡性能，消除了圖像閃爍現(xiàn)象。

2.2 圖像傳輸和處理系統(tǒng)

圖像傳輸和處理系統(tǒng)采用FPGA作為主控制芯片，一方面從光纖端接收來自上位機的參數(shù)設置，進而配制AD9923A的相關寄存器，控制CCD的曝光時間及次數(shù)，另一方面FPGA接收到采集圖像的命令后，開始CCD的圖像采集及數(shù)據(jù)讀取的操作，CCD數(shù)據(jù)先進入AD9923A，然后AD9923A通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送到FPGA;數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進入FPGA以后，先經過delay_FV模塊過濾掉不用的行像素，然后再經過delay_LV模塊過濾掉無用的列像素，然后將有效的圖像數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中。系統(tǒng)結構如圖4所示。

CCD產生的圖像數(shù)據(jù)中包含很多無效的信號（簡稱OB信號），所以要在FPGA中判斷并去掉這些無用的行信號及水平信號。水平方向的OB信號用AD9923A中的CLPOB信號進行消除，而垂直方向的OB信號用HBLK信號消除，PBLK是可選參數(shù)，經常用于在無效CCD像素期間消隱數(shù)字輸出。

2.3 圖像采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的CCD傳感器為sony公司的ICX445，而驅動CCD的芯片采用Analog

Devices公司的AD9923A。在上電初始，單片機C8051F340通過SPI總線配置AD9923A，當配制完成以后，會將對AD9923A的控制權交給FPGA，AD9923A在配置好以后，內部的驅動時序發(fā)生器向傳感器ICX445提供水平時序、垂直時序以及各種控制信號，使ICX445能夠正常工作;當FPGA發(fā)出開始采集的命令以后，圖像的模擬信號先傳輸?shù)紸D9923A，經過模擬前端的放大增益，相關雙采樣以后，得到圖像數(shù)據(jù)，然后經過12位的模數(shù)轉換得到數(shù)字量化的圖像數(shù)據(jù)，最后將并行圖像數(shù)據(jù)，時鐘，以及控制時序發(fā)送到FPGA。ICX445是1/3寸CCD傳感器，全像素為1348（H）× 976（V），有效像素1296（H）×966（V），VΦ1 A ，VΦ1 B ，VΦ2 A ，VΦ2B ，VΦ3 A ，VΦ3B ，VΦ4 A ，VΦ4 B 是垂直移位寄存器的控制時序脈沖，他們的組合控制電荷在垂直移位寄存器的移動;HΦ1 A ，HΦ1 B ，HΦ2 A ，HΦ2B 是水平移位寄存器的控制時序脈沖，他們的組合控制電荷在水平移位寄存器的移動;SUB是襯底選通信號，接通垂直移位寄存器和水平移位寄存器之間的通道，使得垂直移位寄存器中的電荷信號能夠順利轉移到水平移位寄存器中;RG是重置門信號，在輸出一個電荷信號之前，清除水平移位寄存器中的殘余電荷，將輸出放大器的電荷探測端復位到參考電平，其頻率直接決定CCD電荷信號輸出的頻率。對AD9923A進行配置時，以垂直序列為例，首先確定垂直時序的起始極性以及跳變位置，然后確定此脈沖的重復次數(shù)，當所需要的8個垂直時序全部設置完畢時，便組成了一個垂直圖樣組，而相對于ICX445傳感器的一幀數(shù)據(jù)，需要三組不同的垂直圖樣組：高速清除階段，正常傳輸階段，讀出階段。每個階段都有自己的垂直圖樣組，因此在一幀中確定三個垂直圖樣組每個的起始位置，持續(xù)時間，以及重復次數(shù)便形成了不同的垂直序列。而不同的垂直序列再組成一個場，因為ICX445并沒有奇偶場之分，所以本系統(tǒng)只需要單場循環(huán)即可。

曝光時間的控制：CCD電子快門原理是由光照產生的電荷在光敏二極管下的勢阱積分，

而周期性的SUBCK 信號則用于清除勢阱中的電荷，VSG信號用于將電荷從勢阱中轉移到垂

直移位寄存器。AD9923A有三種電子快門模式：普通快門模式、精確快門模式、慢速快門模式。在普通快門模式下，當場同步信號VD有效后，就產生一個VSG有效信號。SUBCK有效信號在行同步信號有效產生，一場內SUBCK信號產生個數(shù)由寄存器SUBCKNUM決定。普通曝光模式時序控制如圖6。設場頻為f v ，行頻為f h ，快門時間為t，則快門時間由式（1）確定：

根據(jù)式（1），可以推導出根據(jù) t 計算 SUBCKNUM 的方法，推導結果如式（2）：SUBCKNUM=f h×（1/ f v?t ）（2） 因此FPGA在接收到上位機的曝光時間參數(shù)以后，通過配制AD9923A的SUBCKNUM寄存器，可以更改SUBCK脈沖數(shù)，從而更改CCD的曝光時間。

3 算法設計

圖像融合的算法對系統(tǒng)的資源要求很高，因為采用的FPGA作為處理芯片，算法的處理時間不宜過長，復雜度不能太高，所以要采用高效簡單的處理算法。本文中使用實際工程中廣泛應用的加權融合算法[10]，假設曝光次數(shù)設置為N，則有M1 ，M2 ，…，Ms（S≤N）幅圖像，而每幅圖像中對應像素點的數(shù)值為XL/Fi，i∈{1，2，…，S}，L∈{1，2，…，1280}， F∈{1，2，…，960}，其中i表示第幾幅圖像，L表示行像素位置，F(xiàn)表示列像素位置。加權融合算法的核心思想是：兼顧每幅圖像的相同像素位置的數(shù)值，按照一定的原則給每幅圖像定制加權因子，最后加權綜合所有的圖像數(shù)據(jù)得到一副新的圖像。設各幅圖像M1 ，M2 ，…，Ms 的加權因子分別為W1 ，W2 ，…，Ws ，則融合后的值和加權因子滿足式（3）。而在實際應用中，加權因子不容易確定，通常選用數(shù)字平均的方式，即每幅圖像的加權因子近似相等，此時融合后的^x值為式（4）所示。整個加權融合算法流程圖如圖7所示，作為圖像傳輸和處理系統(tǒng)的FPGA接收到曝光次數(shù)的參數(shù)設置以及開始采集的命令以后，先采集一幀的圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲在外圍的SDRAM中，并判斷是否按要求采集完所有的圖像，當采集完以后，從每一幀的第1行第1個像素開始讀出數(shù)據(jù)，然后利用公式（4）計算出融合后的像素的數(shù)值，并存儲在FPGA中，同時行像素計數(shù)加1，當行像素計滿1280時，表示一行數(shù)據(jù)已經讀取完畢，此時列像素計數(shù)加1，當列像素計滿960時，表明所有圖像的數(shù)據(jù)都已經融合完畢，F(xiàn)PGA將處理完的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機予以顯示。

4 結論

系統(tǒng)測試使用手在鏡頭前快速劃過，設置曝光次數(shù)為2次，曝光時間為30毫秒，經過編碼相機的多次曝光處理以后的圖像如圖8所示。由圖8可以看出，圖像傳輸幀率為13Frame/S，圖像信號的輸出的速率為116Mbps，圖像模糊尺度為54個像素，屬于典型的物體運動模糊，本系統(tǒng)所做相機可以作為編碼曝光技術所用相機。