文献综述
- 选题背景
信息化时代下，由于信息技术的迅速发展，人们的日常生活发生了巨大的变化。图像传感器越来越多的应用到我们日常生活之中，例如手机上的照相机，遍布社区和道路上的监控探头等。这些应用成果都功归于对图像传感器技术的不断研究。现阶段中CCD图像传感器的研究已经相当成熟，应用相比较其他的更加广泛【11】。
数字化时代下，CCD相机发挥着越来越多的的作用。CCD是近年来发展出来的以电荷为参数的新型半导体器件，具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点，能够广泛应用于图像扫描仪、打印机、数码相机、光谱分析仪及工业中非接触检测、控制等领域【5】。线阵CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）图像传感器具有分辨率高、噪声低和感光性好等特点，其应用范围越来越广，然而目前传统的CCD驱动和数据处理方法已经不能满足发展需求，难以解决数据采集过程中的高速实时问题。
近年来，随着半导体制造工艺的进步， FPGA的设计技术也发展的越来越好，FPGA数字硬件系统在图像处理方面逐渐显示出它的优越性【1】。使用FPGA来完成CCD的时序驱动和图像采集，相机的速度和数据吞吐率上将无障碍，且FPGA内部也能实现一些图像的预处理算法，完成简单的识别和检测【2】。
CCD相机采集的是原始格式的视频，它需要对视频进行重构和算法处理，作为数字化核心组件，视频图像处理越来越重要，特别是针对CCD相机图像的处理已成为研究的重点 。为了保证图像的实时性以及完成复杂的运算，我们可以采用DSP FPGA的架构, DSP具有强大的运算能力，可实现复杂的视频去雾算法【3】。
综上所述，对基于FPGA的面阵CCD相机图像输出接口的研究具有非常重要的现实意义。
2.文献调研
CCD信号采集器具有灵敏度高、精度高、视场大等特点被广泛应用在非接触测量、监测等当中，它正常工作需要准确的脉冲信号来驱动，一般传统的方法采用分立式和单片机两种驱动方式，目前这两种方式已不能满足实际应用需求【4】。基于单片机和 FPGA的CCD数据采集与处理系统的整体设计思路是:对激光照射到物体两面的双面光路标记,不同物体对光的反射程度不同,从而反射回来的光强也不同,这样CCD输出的模拟电压峰值就会在所要求的范围内,然后进行数据分析与处理,得到要求的测量结果【7】。然而单片机驱动方式具有调试困难、驱动频率低等缺点，不能满足实际需求。
CCD图像传感器是一种应用集成电路工艺制造的光电转换器件，CCD图像传感器主要工作原理可以分为四个部分:光电荷的产生、存储、转移以及输出，当光照射传感器表面，在内部光电效应的栅极附近产生电子-空穴对，在正向偏压的作用下，形成反型层。电子被半导体表面收集，形成电荷信号，信号强度与注入光强成正比【15】。即把光敏区接受到的光强信息转换为按时序串行输出的电信号，其中电信号在器件内部都是以电荷包的形式储存和转移，然后到了输出阶段，经过检测后以电压的形式传出【12】。
早期的图像采集系统是通过千兆网、PCIE或其他高速数据传输接口将采集到的数据传输至PC机或工控机进行数据的处理、算法特征提取和识别处理﹐识别结果通过计算机并口或串口输出。该方法实时性较差,造成产量过低，主要原因是图像采集的传输通信以及算法的各种累加迭代计算需要足够的时间。目前﹐越来越多的技术利用嵌入式系统或可编程逻辑等芯片直接完成图像采集和算法处理【10】。如今的现状就是大多数的线阵CCD信号采集系统多数采用了USB接口，不能远距离传输数据，但USB3.0传输速度极高。可使CCD以高速度、高质量的状态进行实时图像的采集和运输。传输电路的设计利用集成在FPGA上的USB3.0芯片来传输采样数据，USB3.0理论上的传输速度能够达到5Gbps，而它的实际传输速度也能够达到450MB/s左右，这样的传输速度对于CCD传感器采集到的图像数据的传输完全够用【8】。可设计一款彩色线阵CCD实时图像采集系统﹐选用FPGA作为主控芯片。该系统完成了线阵CCD传感器﹑模数转换芯片的驱动、数据采集与转换。转换后的数据通过FPGA预处理后,由USB3.0传输至上位机实现图像实时成像【10】。
