随着制造工艺和集成电路技术水平的提高，CMOS图像传感器得以快速发展。CMOS图像传感器的集成度高、控制灵活、功耗低、成本低的优点是CCD无法比拟的。尤其是直接输出数字信号的特性，使CMOS图像传感器在高速数字成像领域占据着越来越重要的地位。基于CMOS图像传感器的高速相机在1s内可以获得速度为1000帧以上图像，有利于对瞬态现象的研究，已经成为研究、军工、医疗、体育等诸多领域中不可或缺的研究工具。本文基于CMOS图像传感器LUPA1300-2的特点设计了相应的驱动及信息获取电路，实现了一套高速、小型化、低功耗的相机系统。本文所做的工作主要有：（1）介绍了CMOS图像传感器的发展历程、工作原理以及关键技术，分析了CMOS图像传感器应用于高速相机的优势及前景，并对CMOS和CCD进行了性能比较。（2）通过对相机的设计需求分析，选取了合适的逻辑器件、数据处理、数据传输、电源等芯片，并介绍了各种芯片的主要特点和功能。（3）以FPGA作为系统时序控制核心，采用Verilog HDL设计了驱动时序、通信以及数据处理等模块，详细描述了各个模块的设计原理。（4）搭建了成像系统的硬件平台，描述了硬件电路中各个模块的电路设计；根据高速电路的技术特点和设计原则，完成了PCB设计、调试与测试，实现了相机的整体功能。经验证，本设计中的高速CMOS相机硬件平台工作稳定、功耗低，获取的图像效果较好。（5）阐述了多斜率积分的原理，研究了多斜率复位位置对图像结果的影响，并进行动态范围优化试验验证。试验结果表明，多斜率积分能够显著提高动态范围，并根据实验结果提出了针对单幅图像的优化策略。（6）总结了本文提出的CMOS相机系统的不足之处和改进方法，为进一步研究奠定了良好的基础。