多模式兼容的彩色高清ccd前端視頻采集模塊及實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于可見光成像技術(shù)，特別是多模式兼容的彩色高清CCD前端視頻采集技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著CCD和CMOS技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展的日漸成熟，攝像機(jī)視頻采集技術(shù)有了彌足的進(jìn)步。從黑白到彩色，從普通槍式攝像機(jī)到一體式攝像機(jī)，寬動(dòng)態(tài)、低照度、分辨率、信噪比等技術(shù)指標(biāo)迅速提升。從2009年開始，視頻監(jiān)控從標(biāo)清監(jiān)控到高清監(jiān)控的發(fā)展速度加快。視頻監(jiān)控圖像的分辨率從標(biāo)清時(shí)代的4CIF或Dl的分辨率，約44萬像素，清晰度540電視線，發(fā)展為高清監(jiān)控時(shí)代分辨率達(dá)到1080i或720p，像素達(dá)百萬以上。隨著數(shù)字高清監(jiān)控時(shí)代的來臨，國外廠商雖然有能力做出數(shù)字高清攝像機(jī)的成品方案，卻無法也不方便針對(duì)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)合開發(fā)與之對(duì)應(yīng)的高清NVR、混合DVR、高清解碼器等一系列后端方案。國外網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)廠商的解決方案在配套與低照度方面的欠缺，導(dǎo)致應(yīng)用與銷量受限，力口上人工成本高，所以價(jià)格居高不下。針對(duì)此類現(xiàn)象，國內(nèi)廠商一直在探尋與研制“低成本高品質(zhì)”的創(chuàng)新產(chǎn)品。除了要將高清攝像機(jī)單價(jià)大幅度降低、更加貼近消費(fèi)者外，高清監(jiān)控還能在多方面為工程商與用戶節(jié)省費(fèi)用。
[0003]盡管國內(nèi)外視頻監(jiān)控廠商研究并提供了一些較成熟的數(shù)字高清攝像機(jī)系統(tǒng)的解決方案，但是隨著前端CCD和CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，圖像傳感器推陳出新速度不斷提升。一些新研發(fā)出來的圖像傳感器并未得到很好的市場(chǎng)推廣。其中CMOS圖像傳感器在低照度下的成像表現(xiàn)不盡如人意，使其無法在某些特定場(chǎng)合的使用，如醫(yī)療檢測(cè)和夜間監(jiān)控等，相比之下，(XD圖像傳感器更適合承擔(dān)視頻監(jiān)控的任務(wù)。Truesense Imaging公司(原Kodak公司)在2009年推出了 200萬像素的全高清逐行掃描行間轉(zhuǎn)移型CXD圖像傳感器一KA1-02150，其在低照度下的高靈敏度、高幀率輸出速度和低噪聲結(jié)構(gòu)使得它在安防視頻監(jiān)控，工業(yè)控制和醫(yī)療成像等領(lǐng)域中可以大展身手。隨后，該公司又相繼推出了同系列的400萬和800像素CCD圖像傳感器:KA1-04050和KA1-08050。目前，針對(duì)這三款高速高清CCD圖像傳感器的視頻采集技術(shù)的研究幾乎空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種多模式兼容的彩色高清CCD前端視頻采集模塊及實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)200萬像素、400萬像素及800萬像素同系列CCD圖像傳感器前端視頻采集模塊軟硬件的兼容，從而實(shí)現(xiàn)不同像素級(jí)別的傳感器的圖像采集。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種多模式兼容的彩色高清CCD前端視頻采集模塊，包括探測(cè)器控制模塊、上電時(shí)序控制模塊、A/D控制模塊、探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊、供電模塊、A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊、CCD圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊；探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊分別與探測(cè)器控制模塊、供電模塊和CCD圖像傳感器連接，A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊分別與A/D控制模塊供電模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，供電模塊再與上電時(shí)序控制模塊、CCD圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，CXD圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，探測(cè)器控制模塊通過FPGA產(chǎn)生CXD圖像傳感器所需的驅(qū)動(dòng)時(shí)序和積分信號(hào)并送至探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊，使之產(chǎn)生具體驅(qū)動(dòng)信號(hào)及電平并送至CCD圖像傳感器，使其正常工作；上電時(shí)序控制模塊控制供電模塊依次向各模塊供電；A/D控制模塊通過FPGA產(chǎn)生合適的配置信號(hào)及增益信號(hào)并送至A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊，A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)芯片接收配置信號(hào)及增益信號(hào)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力放大，傳輸至A/D轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動(dòng)其中的A/D芯片正常工作；(XD圖像傳感器正常工作產(chǎn)生四路模擬視頻信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)該模擬視頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣及模-數(shù)轉(zhuǎn)換，最終輸出4路12位視頻信號(hào)；其中，探測(cè)器控制模塊包括模組-同步模式選擇模塊、200萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊、400萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊、800萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊和探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，200萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊、400萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊、800萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊分別與模組-同步模式選擇模塊和探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊連接，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊再與探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊連接，模組-同步模式選擇模塊根據(jù)上位機(jī)指令判斷當(dāng)前探測(cè)器模組及內(nèi)/外同步工作模式，并輸出相應(yīng)使能信號(hào)至200萬、400萬或800萬探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊，接收到有效使能信號(hào)的相應(yīng)模組探測(cè)器驅(qū)動(dòng)模塊通過FPGA產(chǎn)生該模組所需探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即驅(qū)動(dòng)時(shí)序及積分信號(hào)，送至探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，完成將正確模組、正確同步模式的驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)及積分信號(hào)輸出至探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊；上電時(shí)序控制模塊通過FPGA產(chǎn)生符合要求的兩組使能信號(hào)，這一前一后的使能信號(hào)輸出至供電模塊，通過供電模塊完成對(duì)各模塊上電時(shí)序的控制；A/D控制模塊包括模組選擇模塊、200萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊、400萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊、800萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊和A/D驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，200萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊、400萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊、800萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊分別與模組選擇模塊和A/D驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊連接，A/D驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊再與A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊連接，模組選擇模塊根據(jù)上位機(jī)指令判斷當(dāng)前探測(cè)器模組，輸出相應(yīng)使能信號(hào)至200萬、400萬或800萬A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊，接收到有效使能信號(hào)的相應(yīng)模組A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊通過FPGA產(chǎn)生該模組所需A/D芯片的寄存器配置信號(hào)及增益信號(hào)，并送至A/D驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，完成將對(duì)應(yīng)模組探測(cè)器工作時(shí)所需的A/D驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出至A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊。
[0006]其中200萬CXD圖像傳感器、400萬CXD圖像傳感器和800萬CXD圖像傳感器采用焊盤重疊結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了三種不同像素CCD圖像傳感器視頻采集模塊的硬件兼容性。
[0007]—種多模式兼容的彩色高清CCD前端視頻采集模塊的實(shí)現(xiàn)方法，方法步驟如下: 步驟1、開機(jī)上電，接收上位機(jī)指令，探測(cè)器控制模塊中的模組-同步模式選擇模塊通過FPGA對(duì)當(dāng)前模組及同步模式做出判斷，輸出對(duì)應(yīng)使能信號(hào)。
[0008]步驟2、上電時(shí)序控制模塊通過FPGA產(chǎn)生上電時(shí)序控制信號(hào)輸入至供電模塊的各電源芯片使能端:EN1、EN2，上電的第一步首先要對(duì)CXD圖像傳感器的VSUB電子快門端和ESD靜電保護(hù)端提供直流偏置:用ENl控制產(chǎn)生此兩個(gè)電壓的電源芯片，待穩(wěn)定后再對(duì)VCLK垂直驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘直流偏置、HCLK水平驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘直流偏置進(jìn)行供電:用EN2控制產(chǎn)生這些電壓的電源芯片。
[0009]步驟3、探測(cè)器控制模塊中的相應(yīng)模組探測(cè)器驅(qū)動(dòng)程序模塊使能端被置‘ I’，通過FPGA產(chǎn)生符合相應(yīng)模組探測(cè)器工作所需的各路驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)和積分信號(hào):水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)P5、P6、P7 ;垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)PlB (T)?P4B (T);積分信號(hào)VSUB，這些信號(hào)通過探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊將此組驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送至探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊；同時(shí)，A/D控制模塊中的相應(yīng)模組A/D驅(qū)動(dòng)模塊使能端被置‘ I’，通過FPGA產(chǎn)生A/D芯片配置信號(hào)SL、SDATA, SCK,鉗位電平信號(hào)CLPOB，消隱信號(hào)PBLK，數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)DATACLK，經(jīng)由A/D驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊傳送至A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊。
[0010]步驟4、由供電模塊正常穩(wěn)定供電后，探測(cè)器硬件驅(qū)動(dòng)模塊中對(duì)步驟3產(chǎn)生的水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)P5、P6、P7進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力放大及驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換；同時(shí)對(duì)進(jìn)入的垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)PlB(T)?P4B (T)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力放大及驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)入CXD圖像傳感器，同時(shí)，A/D硬件驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)步驟3產(chǎn)生的配置信號(hào)SL、SDATA、SCK，鉗位電平信號(hào)CLP0B，消隱信號(hào)PBLK，數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)DATACLK進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力放大及驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊。
[0011]步驟5、由供電模塊提供穩(wěn)定電壓后，CCD圖像傳感器接收步驟4產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和積分信號(hào)，正常工作，四通道輸出模擬視頻信號(hào)至A/D轉(zhuǎn)換模塊。
[0012]步驟6、由供電模塊提供穩(wěn)定電壓后，A/D轉(zhuǎn)換模塊接收步驟4產(chǎn)生的配置信號(hào)、鉗位電平信號(hào)、消隱信號(hào)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，正常工作，對(duì)來自步驟5的4路模擬視頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣及模-數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生4路12位數(shù)字視頻信號(hào)。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(1)三種CXD圖像傳感器模組可兼容，200萬、400萬、800萬模組可選，內(nèi)同步、外同步模式可選；(2)所選CXD圖像傳感器靈敏度高、幀頻快、噪聲低，最高可實(shí)現(xiàn)64幀/秒的圖像輸出；(3)垂直驅(qū)動(dòng)電平達(dá)到-9V到12V的范圍，可實(shí)現(xiàn)三電平變化，水平驅(qū)動(dòng)上升沿短，瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)能力大，水平驅(qū)動(dòng)芯片可工作在40MHz ；(4)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光、自動(dòng)增益功能，A/D轉(zhuǎn)換芯片能工作在40MHz，增益范圍:6?40dB可調(diào)控；(5)所選用芯片易操控、工作性能穩(wěn)定，整個(gè)模塊噪聲小、功耗小，電路板尺寸小、制板成本低。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的CCD前端視頻采集模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的探測(cè)器控制模