[发明专利]一种实时高动态范围数字图像获取装置及方法

权利要求书

1.一种实时高动态范围数字图像获取装置，包括FPGA可编程逻辑器件、CCD成像阵面、视频专用A/D芯片、协处理器DSP及静态随机存储器SRAM，其特征在于：所述的CCD成像阵面、视频专用A/D芯片和FPGA可编程逻辑器件依次相连，所述的FPGA可编程逻辑器件通过静态随机存储器SRAM与协处理器DSP之间相互传输信息，所述的FPGA可编程逻辑器件分别通过USB适配器和以太网适配器将视频输出。

2.一种使用权利要求1所述的实时高动态范围数字图像获取装置的方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)由FPGA可编程逻辑器件产生精密像素读出时序和各种控制信号，实现CCD曝光时间控制和图像数据的有序读出；控制视频专用A/D芯片转换和协处理器DSP进行图像分析与相关参数计算；并最终生成标准数字视频输出；

(2)在FPGA可编程逻辑器件对图像进行分层后，通过协处理器DSP对图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的噪声，并对层次图像信息分析，为FPGA进行图像融合提供参数，保证合成高质量高动态范围图像；

(3)利用协处理器DSP提供的参数，对同一视场多帧不同曝光的图像按照算法进行融合处理，并采用直方图均衡的方法，对融合的图像进行调整，并转换成标准的数字视频信号；

(4)对FPGA可编程逻辑器件融合的图像数据进行相应的数字视频信号编码，并且采用TCP/IP通信协议，对数字视频进行输出。

3.根据权利要求2所述的一种使用权利要求1所述的实时高动态范围数字图像获取装置的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的CCD曝光时间控制包括两种不同获取曝光序列图像模式：一种模式是由以FPGA可编程逻辑器件为核心的中央控制部件控制CCD成像阵面的曝光时间，获取不同曝光的图像序列；另一种模式是在保持CCD成像阵面曝光时间不变的条件下，通过系统引出控制接线端口，同步控制成像过程外接光源的发光强度，实现图像序列的不同曝光。

4.根据权利要求2所述的一种使用权利要求1所述的实时高动态范围数字图像获取装置的方法，其特征在于：所述的步骤(2)以FPGA可编程逻辑器件为核心控制与运算部件，DSP为协处理器，采用两条流水线工作方式，实现对图像数据的并行操作，实现图像数据采集、图像分析、处理和图像融合；其中，FPGA可编程逻辑器件为中央控制器实现高动态范围图像的最终融合，DSP为协处理器，实现图像分析和相关参数计算。

5.根据权利要求4所述的一种使用权利要求1所述的实时高动态范围数字图像获取装置的方法，其特征在于：所述的FPGA可编程逻辑器件与协处理器DSP的并行操作时，以SRAM为存储堆，构成图像数据的缓存池结构，并配合静态随机存储器SRAM访问逻辑控制单元，实现FPGA可编程逻辑器件与协处理器DSP的并行操作。

6.根据权利要求2所述的一种使用权利要求1所述的实时高动态范围数字图像获取装置的方法，其特征在于：所述的步骤(3)的图像融合方法，是将CCD连续采集的同一场景四帧不同曝光强度的输出图像进行信息融合；直接采用硬件描述语言实现拉普拉斯金字塔算法，先对图像帧进行分层，再对层次图像进行信息分析和相关参数计算，并确定不同曝光图像的层次图参与图像融合的权重系数，最后采用拉普拉斯金字塔逆算法实现高动态范围图像合成。

7.根据权利要求2所述的一种使用权利要求1所述的实时高动态范围数字图像获取装置的方法，其特征在于：所述的步骤(1)～(4)包括系列步骤：

(a)根据曝光成像模式，连续生成同一视野不同曝光的4帧模拟图像，由FPGA可编程逻辑器件控制其专用的A/D进行转换，并依次对图像快速分层后，分别读入不同四片静态随机存储器SRAM；

(b)在完成一帧图像的存储后，启动协处理器DSP依次对同一场景4帧不同曝光强度的图像序列采用改进的均值滤波和改进的中值滤波对图像进行处理，实现滤除噪声、强化图像的细节特征，并进行层次图像分析和参数计算；

(c)FPGA可编程逻辑器件对图像的分层与储存、协处理器DSP对图像的分析与参数计算分别为不同的流水线进行并行操作；

(d)协处理器DSP分别采用梯度与信息熵联合的决策算法评定层次图像的质量，并决定各层次图像参与融合的权重系数；

(e)对协处理器DSP处理完的4帧图像，由FPGA可编程逻辑器件进行融合处理，其方法是：对协处理器DSP将处理好的图像数据和相关计算参数载入静态随机存储器SRAM，FPGA可编程逻辑器件根据预先指定的算法，对图像数据进行融合处理；

(f)对融合后的像素，采用直方图均衡的方法，对宽范围的图像灰度级进行影射处理，使其转换成能在普通显示器显示的图像格式；

(g)处理后的图像数据，再加上混合同步，混合削隐信号和像素时钟进一步合成数字视频信号，并通过TCP/IP协议由FPGA输出合成高动态图像f(x，y)。