CMOS图像传感器的FPGA逻辑设计解析

CMOS图像传感器是近些年发展较快的一种新型图像传感器。CMOS图像传感器具有体积小、成本低、重量轻、功耗低、易于控制等优点，已经广泛应用于各种图像采集系统中。机载CMOS成像系统是基于CMOS图像传感器的一种适用于机载应用环境的图像采集系统。可有效解决机载复杂环境下常规工业相机的各种缺陷和应用问题，满足市场的应用需求。FPGA逻辑设计是车载CMOS成像系统的关键设计，本文将探讨关于的CMOS图像传感器的FPGA逻辑设计。

什么是FPGA逻辑设计？

FPGA逻辑设计是本成像系统的工作重点，针对选用的CMOS传感器的技术特点，对各个功能模块进行了设计和优化。FPGA的逻辑设计实现了CMOS传感器的数据采集、图像处理、接口变换等逻辑功能。

FPGA逻辑设计的实现

（1）图像采集逻辑设计。图像采集逻辑设计主要包括CMOS图像传感器的驱动设计和传感器原始输出数据的采集与转换设计。图像采集逻辑设计流程框图如图1所示。

图1图像采集逻辑设计流程框图

SPI通讯模块Spi_fast_com完成对CMOS的初始化配置，选用了4000×3000矩阵的输出模式，输出10位的LVDS数据。通过Sensor_deser传感器数据采集模块，实现数据流的串行移位解码［3］，产生同步控制信号和8路的10bit数据流，数据采集部分包括了LVDS解码、解串训练、同步发生、通道变换等逻辑设计。数据转换中，Binning变换主要实现对传感器数据的均值处理和分辨率调整，图2为Binning算法的基本原理示意。

图2Binning算法原理示意图

Tap4to1变换主要实现4行数据（500点）到标准行长度（2000点）的合并。Bayer变换主要实现Bayer数据域到RGB数据域的转换。由于Bayer数据域中，每个像素单元仅采集单个颜色数据（R，B，Gr/Gb），Bayer变换过程中，使用临近像素单元的其他分量进行近似替代，根据不同的中心坐标，选用不同的替代模板。

（2）图像处理逻辑设计。图像处理逻辑设计主要完成对采集后数据的图像处理，涉及的图像处理算法包括：数字增益、色彩增强、自动白平衡、Gamma校正、颜色/灰度统计、中值滤波、亮度/对比度增强、图像裁剪、图像缩放。图3为图像处理逻辑设计流程框图。

图3图像处理逻辑设计流程框图

各个图像处理算法均采用流水线式设计，合理优化算法结构，降低资源占用，保证了图像处理算法的实时性。针对流程中的图像缩放需求，设计了不依托外部存储单元的图像缩放核（基于内部行buffer结构），有效缩小系统硬件规模。

（3）图像接口逻辑设计。图像接口逻辑设计包括高清数字DVI接口和标清模拟PAL接口的逻辑驱动设计，实现成像系统最终显示画面的输出。对于数字DVI接口，需要产生标准的1080P数字信号，逻辑设计包括DDR2的多端口桥接设计和DVI驱动控制设计［5］。图4（a）为DVI接口数据流发生示意图。

图4接口数据流设计流程框图

DVI的同步发生模块控制数据流的同步时序，从DDR2缓存区中读取相应区域的数据，数据流发生模块接收数据后，同步生成DE、HS、VS等同步信号，产生标准的DVI视频流。经DVI编码电路编码后，产生标准DVI输出。对于模拟PAL接口，需对逐行的RGB数据进行转换，按PAL制式输出视频流。采用DDR2缓存（P2I转换）+PAL数据处理的纯逻辑方案，实现输出数据流的重构。逻辑设计主要包括多端口DDR2读写桥接设计和PAL驱动控制设计。基本设计框图如图4（b）。相比数字视频输出显示的DDR2操作，PAL制式输出视频流在DDR2读出操作上有所差别。

（4）自动曝光逻辑设计。在不同环境照度下，成像系统需要控制不同的曝光时间并调节增益系数，以获取合适的图像数据。自动曝光与增益算法即系统对曝光和增益的控制算法，对算法进行了设计开发，对全场景进行了区域分割，分别进行信息统计，算法能够根据场景的统计结果自动完成调整。图5为自动曝光和增益的基本原理图。

图5自动曝光和增益的基本原理图

自动曝光、增益算法总的调节过程可描述为：需要降亮度时，先调增益，再调曝光时间；提高亮度时，先调曝光时间，再调增益。

小结：

将来些年内，基于CMOS图像传感器的影像产品将达到50%以上，很有可能到时CMOS图像传感器将取代CCD而成为行业市场的新宠。由此可见，CMOS摄像机的市场前景非常广阔。CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。