在国防与航天等领域中,为了观测弹丸与航天器等目标的高速瞬态变化过程,必须使用高速相机采集记录高速过程,事后进行回放和处理。随着科学技术的发展,研究对象的运动速度大幅提升,对高速相机的分辨率、拍摄帧频以及成像质量提出了更高的要求。当前具备实时传输功能的高速相机很少具备图像预处理功能,且成像分辨率和帧频需要进一步提升,因此文章选用LUXIMA公司生产的LUX13HS传感器,提出一种能够对图像进行预处理并实时传输的高帧频成像系统设计方案。依据所选择CMOS传感器的输出特点,相机具备两种工作方式:在半画幅模式下,图像分辨率为864×640,成像帧频可以达到3513 fps;全画幅模式的分辨率为1280×864,成像帧频为2054 fps。在对比当前主流的几种数据传输接口特点以后,选择以Camera Link接口作为图像测试和控制接口,以Coa XPress接口进行图像实时传输。本文将高帧频成像系统分为硬件设计和软件设计来实现。首先对CMOS成像、系统控制和接口传输三大部分进行硬件设计,其次通过FPGA程序设计实现CMOS传感器控制、DAC控制、图像数据接收解码、图像数据预处理、图像缓存与图像发送,对各个模块的输入输出进行了功能仿真。本设计为高帧频成像系统引入基于移位运算的直方图均衡化算法,与常规实现方法相比,能够保证运算精度同时降低延时与FPGA逻辑资源占用。在此基础上,实现了基于直方图分析的自动调光算法。通过对高帧频成像系统进行功能测试,验证了整体设计方案的可行性,经过直方图均衡化后的图像对比度增强,自动调光使得高速相机能够根据环境亮度条件实时调整曝光时长。在拍摄高速运动物体时,采集图像清晰无拖影,满足高帧频成像系统设计要求。