《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FULL型Camera Link的高清彩色圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
韓帥1,2,馬游春1,2, 秦麗1,2,丁寧1,2,南雪莉1,2
1. 中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,， 山西 太原030051,； 2. 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育
摘要： 提出一個(gè)基于Full型Camera Link的高清彩色圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,采用在Full工作模式下的Camera Link作為了相機(jī)與采集卡之間的數(shù)據(jù)傳輸總線,可以確保大量數(shù)據(jù)的快速,、準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳輸,。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)思路和軟件設(shè)計(jì)流程,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)能夠更清晰、更直觀地對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行觀測,，可以采集到高分辨率的彩色圖像,。
關(guān)鍵詞： CameraLink 彩色圖像 像素
中圖分類號： TN919.82
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)06-0089-04
Design of high-definition and color image acquisition system based on full mode of Camera Link
Han Shuai1,，2, Ma Youchun1,2, Qin Li1，2, Ding Ning1,，2, Nan Xueli1,，2
1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China;2. Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract： In this paper, a design scheme of high resolution color image acquisition system is presented based on Full Camera Link. Camera Link in the Full mode was used as a transmission-bus of data between the camera and capture card, that can rapidly, accurately and real-time transmit large amounts of data. Each part of the hardware and software designed method are described in detail. Practice has proved that the system can more clearly, more intuitive observe the experimental target and collect to color images of high resolution.
Key words : Camera Link; color image; pixel

       隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,，人們開始在海洋探測,、航空航天,、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,、分析。目前市場上大多數(shù)視頻圖像采集卡都使用以太網(wǎng)或USB等作為數(shù)據(jù),、命令的傳輸接口,，雖然滿足了人們便捷的需求，但要采集一些大容量的數(shù)據(jù)時(shí),，只能通過增大系統(tǒng)的體積,、增加功能模塊的辦法，這樣不僅造成系統(tǒng)體積過大,，還會造成數(shù)據(jù)傳輸過慢,、耗用過多計(jì)算機(jī)資源、開發(fā)成本過高等問題的出現(xiàn),。

        目前人們開始在Channel Link和LVDS等接口的基礎(chǔ)上制定新的工業(yè)視覺產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),，如Camera Link標(biāo)準(zhǔn),。該標(biāo)準(zhǔn)主要是為數(shù)字視頻圖像應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,，具有高速率、高精度,、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn),。在數(shù)字圖像的采集中使用Camera Link接口[1]進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸,，并提高了系統(tǒng)對瞬態(tài)信號測量的精確度與準(zhǔn)確度,，同時(shí)很好地解決了高分辨率、高采樣率圖像的傳輸問題。因此,，本文提出一個(gè)基于Camera Link的高清彩色圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,。該系統(tǒng)可以使觀測者清晰地觀測到被測物，為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)追蹤提供了重要的依據(jù),。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

        圖像采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該系統(tǒng)主要分為三大部分：視覺相機(jī),、圖像采集卡和PC。該系統(tǒng)的工作原理：首先，通過Camera Link完成采集卡與相機(jī)之間的連接后,，系統(tǒng)開始上電進(jìn)行初始化,，然后，相機(jī)開始進(jìn)行圖像采集,。在相機(jī)內(nèi)部把采集到的光信號轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，通過串行總線Camera Link把信號傳輸?shù)紽PGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,、處理,，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽lash中進(jìn)行數(shù)據(jù)保存,。而上位機(jī)軟件通過PCI-E總線實(shí)現(xiàn)對圖像采集的控制,，把Flash存儲單元中數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上處理,，還原捕捉到的圖像[4],。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Camera Link總線接口模塊

        Camera Link協(xié)議規(guī)范并簡化了圖像采集卡和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)之間的接口，只要存在滿足標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī)和圖像采集卡就可以實(shí)現(xiàn)物理上互聯(lián),。采用低壓差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向的串行通信,，這樣可以使數(shù)據(jù)傳輸速率和距離大大提高，減少電磁對數(shù)據(jù)信號的干擾,，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與精確度,。

        Camera Link接口[1]含有Base模式(基本配置)、Medium模式(中等配置),、Full模式(完全配置)三種傳輸模式,，每種模式都配有一組控制相機(jī)的信號(CC1、CC2,、CC3,、CC4)和一組串口通信信號(SerTFG、SerTC),。為實(shí)現(xiàn)高幀頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，Camera Link總線在Full模式[6]下的工作原理如圖2所示,，該模式下使用3對驅(qū)動器/接收器,，8個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)三組數(shù)據(jù)同步信號的同時(shí)傳輸,，一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度可達(dá)64 bit，實(shí)現(xiàn)680 Mb/s圖像數(shù)據(jù)的吞吐量,。

        由于相機(jī)采用Camera Link接口作為數(shù)據(jù)的傳輸總線,，所以采集卡選用DS90CR288A芯片作為數(shù)據(jù)的接收裝置。該芯片的工作電壓為3.3 V,，支持20～85 MHz的工作時(shí)鐘頻率,。當(dāng)時(shí)鐘頻率為85 MHz時(shí)，每個(gè)LVDS通道傳輸28位數(shù)據(jù)的傳輸速率是595 Mb/s,。Camera Link接口在Full模式下工作的部分電路原理圖如圖3所示,。使用DS90CR288A芯片作為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的接收器，將LVDS信號分別還原成4位數(shù)據(jù)同步信號(FVAL,、LVAL,、DVAL、Spare),、24位圖像數(shù)據(jù)信號和1路時(shí)鐘信號,。

2.2 圖像的處理模塊

2.2.1圖像存儲格式簡介

        常見視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲格式主要有RGB和YUV兩種。它們都是多媒體數(shù)據(jù)存儲的主流格式,，但是YUV格式所需的存儲空間是RGB格式所需的一半,。

        RGB色彩模式基于R(Red)、G(Green),、B(Blue)三原色相加混色的原理,，即使用三種不同強(qiáng)度的電子束照射在含有紅、綠,、藍(lán)三種顏色的材料上,，使材料因發(fā)光而產(chǎn)生色彩。

        YUV色彩模式：把采集到的圖像經(jīng)過處理得到亮度信號Y和兩個(gè)色差信號R-Y(即U),、B-Y(即V),，然后在發(fā)送端完成對亮度、色差三個(gè)信號的編碼,，再用同一個(gè)信道把數(shù)據(jù)發(fā)送出去,。

        使用YUV色彩空間的好處在于完全把亮度信號和色度信號進(jìn)行分離?？梢酝ㄟ^屏蔽信號的方法,，完成彩色與灰度圖像之間的轉(zhuǎn)換。例如只有亮度信號而沒有色度信號,，從而得到黑白色的圖像,。

2.2.2 圖像處理的方法

　　為滿足高分辨率彩色圖像的數(shù)據(jù)處理[2-3]，本系統(tǒng)選用性能可靠、邏輯門資源多的XC6SLX100T芯片作為系統(tǒng)的邏輯控制單元,，該芯片具有200多個(gè)RAM,、多個(gè)DSP48A1 Slice等功能特點(diǎn)，確保得到完整的,、精確的數(shù)據(jù)結(jié)果,。集成度高，可有效解決因數(shù)據(jù)量過大而造成傳輸速度緩慢,、丟失數(shù)據(jù)等問題的出現(xiàn),。且通過在FPGA中設(shè)置RGB to YCrCb的IP核來完成RGB轉(zhuǎn)換為YUV的功能，實(shí)現(xiàn)降低傳輸數(shù)據(jù)帶寬,、提高數(shù)據(jù)傳輸速度的目的,。

　　系統(tǒng)完成一系列的準(zhǔn)備工作以后，相機(jī)把采集到的圖像信號經(jīng)過放大處理后得到RGB格式的圖像,，最后通過FPGA中的RGB轉(zhuǎn)換YUN模塊把信號轉(zhuǎn)換成含有一個(gè)亮度信號和兩個(gè)色差信號,，分別對這三個(gè)信號進(jìn)行編碼，用同一個(gè)低壓差分信號線把數(shù)據(jù)傳輸出去,。RGB向YUV的轉(zhuǎn)換如式(1)所示,， 相互關(guān)系的仿真結(jié)果如圖4所示。

        

3 軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示,，通過上位機(jī)軟件編寫C++程序[5-7],，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作的智能控制。同時(shí),，由于有很多因素可以影響圖像的清晰度,例如白平衡,、光補(bǔ)償、圖像增益和幀速率等,，所以,，為了簡化系統(tǒng)的操作步驟，可以方便快捷地運(yùn)行系統(tǒng),使用Pylon view軟件編寫DCF文件,在圖像進(jìn)行采集時(shí)FPGA只需根據(jù)不同情況對程序進(jìn)行簡單的調(diào)用,。

3.1 像素格式設(shè)置

        只有視覺傳感器的位深度達(dá)到10位或12位時(shí),，相機(jī)才能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的抓取，而傳輸數(shù)據(jù)的位深度卻取決于像素格式的選擇,。因此,，在編寫程序時(shí)需要對這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，像素格式與視覺傳感器位深度的關(guān)系如表1所示,。

3.2 上位機(jī)控制程序

        為了能夠?qū)崿F(xiàn)彩色圖像的采集,，使用C++語言完成上位機(jī)程序的編寫。在程序中使用MilSystem,、MilImageDisp,、SizeX分別代表采集系統(tǒng),、圖像顯示、X方向大小等參數(shù),，通過程序調(diào)用不同函數(shù),、參數(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制系統(tǒng)完成對圖像數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測。上位機(jī)部分程序如下：

int MosMain(void)

{

　 MdigAlloc(MilSystem,M_DEV0,"300fps.dcf",M_DEFAULT,&MilDigitizer);

      //調(diào)用Dcf文件,，并對系統(tǒng)進(jìn)行初始化

　 MbufAllocColor(MilSystem, SizeBand, SizeX, SizeY, 8L+

M_UNSIGNED,M_IMAGE+M_DISP+M_NON_PAGED, 

&MilImageDisp);

　 MbufClear(MilImageDisp, M_BLACK);

　 MdispSelect(MilDisplay, MilImageDisp);

　　                                  //指定圖像顯示緩沖單元

　 … …

　 for(i = 0; i < 2; i++)

　　MbufAllocColor(MilSystem, SizeBand, SizeX, SizeY, 8L+

M_UNSIGNED,M_IMAGE+M_GRAB, &MilImage[i]);

　　      //完成圖像的抓取

　 &hellip; &hellip;

　 MbufAllocColor(MilSystem, SizeBand, SizeX, SizeY, 8L+

M_UNSIGNED,M_IMAGE+M_DISP+(SizeBand==M_

YUV16+M_PACKED:0)+M_NON_PAGED,&MilImage

WindowedDisp);

　　      //完成彩色圖像的轉(zhuǎn)換

　 &hellip; &hellip;

}

3.3系統(tǒng)檢測

        使用PCI-E總線將采集卡與計(jì)算機(jī)連接，在PC上運(yùn)行軟件,，使系統(tǒng)完成對周圍環(huán)境的采集與監(jiān)測,。不同參數(shù)設(shè)置對圖像的影響如圖6所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),，圖6(a)在是缺少白平衡參數(shù)的情況下拍攝的,，顯示效果較差，圖像有點(diǎn)發(fā)黑,；圖6(c)是在曝光率過高時(shí)拍攝的,，圖像的視覺感偏白，有較強(qiáng)白光,；圖6(d)是在相機(jī)為灰度時(shí)拍攝的,，圖像可以正常顯示，但不能像真彩圖像那樣更加直觀,、真實(shí)地顯示出被測物的真實(shí)情況,。綜上所述，圖6(b)中的顯示效果最好,，可以清楚地顯示被測物體的特征,。

        文中提出了一個(gè)可以采集高清彩色圖像的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在Full工作模式下Camera Link總線可以對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸,，確保傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的精度,，降低了丟幀現(xiàn)象的出現(xiàn)，通過軟件控制可以簡單快捷地實(shí)現(xiàn)對圖像的采集,、遠(yuǎn)程控制,。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，本系統(tǒng)可以很好地完成對試驗(yàn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測,，體現(xiàn)出較高的實(shí)用價(jià)值與參考價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

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