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高速相机可以实时准确的记录高速目标的瞬态过程，它能将高速场景中观测目标流逝的经过以后期处理回播方式放慢到人眼可分辨的程度，这一性能使得高速相机成为研究瞬态现象的重要工具。目前，高帧频高分辨率图像在工业生产、科学实验以及国防军事等领域都有着广泛的应用需求。世界各国也都在高清高速相机领域投入大量精力进行探索研究并取得了良好成果。但是，相较于西方发达国家，国内在高清高速相机领域的研究受限于国外高速相机进口限制，这使得国内的相关研究水平相对滞后，因此，开展高清高速相机的研制工作具有重大的实用价值和研究意义。本文所设计的高清高速相机系统是基于美国ALEXIMA公司所研发的一款高性能CMOS图像传感器AM41V4进行的研究，详细介绍了AM41V4的功能与特点，阐述了高清高速相机的工作原理、分析了高清高速相机的关键技术。在此基础上，使用Xilinx公司的Virtex-6型FPGA作为系统的控制核心，DDR3动态存储器作为成像暂存器，配合DVI显示接口进行图像抽帧显示，采用Camera Link接口作为系统相机接口来进行图像数据传输。在设计过程中进行了工程技术的积累，为后期其他相关研究奠定了基础。本文所做的主要工作有：首先，制定高清高速CMOS相机系统的设计方案。通过分析高清高速相机的关键技术（如采集、控制、存储、显示、传输等），对比高清高速相机系统所需各种器件类型，最终决定以CMOS图像传感器为感光元件、FPGA为系统控制核心、高速大容量DDR3SDRAM为图像数据暂存器、DVI为图像显示接口及Camera Link接口为相机图像数据传输接口的系统设计方案。其次，搭建了高清高速CMOS相机系统的硬件平台。完成了系统高速采集模块的CMOS图像传感器电路设计；控制模块中FPGA控制单元和DDR3图像数据暂存的电路设计；接口模块中的DVI图像抽帧显示和Camera Link图像输出的电路设计。在此基础上，完成了相机采集模块的PCB设计。最终，对高清高速CMOS相机系统进行逻辑设计。完成了系统采集模块CMOS图像传感器的行时序和帧时序控制；DDR3暂存器的读写控制；DVI接口图像抽帧显示的逻辑控制；Camera Link接口图像数据输出的逻辑控制。本文将CMOS图像传感器AM41V4应用于高清高速相机中，可在分辨率和速度两方面达到高速高清标准，同时AM41V4芯片通过FPGA的灵活设计可由面阵转换为随意间隔多线阵，根据不同的拍摄场景需求，进行可编程开窗，使得本系统更具灵活性，能满足更高帧频下的姿态测量需求。系统通过引入DDR3存储器对图像数据进行缓存进而减小了相机接口输出带宽对采集模块CMOS图像传感器高速采集带宽的限制，配合DVI接口可在高速记录同时进行实时监控。