高速图像采集系统的设计与实现
图像处理系统的设计与实现
图像处理系统的设计与实现一、引言随着科学技术的不断进步，图像处理技术得到了广泛的应用，涵盖了领域众多。
比如医学影像、无人驾驶、智能安防等领域都离不开图像处理技术的支持。
图像处理系统是针对图像信息进行处理和分析的系统，其设计与实现的高效与稳定对应用场景的实现至关重要。
本文将探讨图像处理系统的设计与实现，包括系统架构设计、关键功能模块和算法选择等方面。
二、系统架构设计1.需求分析：在设计图像处理系统之前，首先需要明确系统的应用场景和具体需求。
系统要处理的图像类型、处理的精度要求、处理的速度要求等。
根据不同的需求，系统的架构设计也会有所不同。
2.架构设计：在进行系统架构设计时，可以采用分层架构设计的方式。
通常可以分为应用层、处理层和底层三层架构。
应用层负责用户交互与业务逻辑处理，处理层负责图像处理算法的实现，底层负责图像数据的读取与存储。
3.性能考虑：在进行系统架构设计时，需要充分考虑系统的性能要求。
在处理大规模图像数据时，需要考虑系统的并发能力、响应速度等。
三、关键功能模块1.图像采集模块：图像采集模块是系统的基础模块，负责接收外部输入的图像数据。
通常可以与摄像头、扫描仪等设备进行对接。
2.图像预处理模块：图像预处理模块可以对输入图像进行预处理，包括图像去噪、图像增强、图像分割等操作。
预处理能够提高后续处理的效果。
3.特征提取模块：特征提取模块是系统的核心模块，负责从图像中提取出有价值的特征信息。
可以提取出图像的边缘信息、纹理信息等。
4.图像识别模块：图像识别模块是系统的重要功能模块，负责对图像进行识别和分类。
可以采用机器学习、深度学习等技术实现。
5.结果展示模块：结果展示模块负责将处理后的图像结果展示给用户，可以采用图像显示、图像打印等方式。
四、算法选择1.滤波算法：滤波算法是图像预处理中常用的算法，可以移除图像中的噪声、增强图像的信息等。
常用的滤波算法包括均值滤波、中值滤波、高斯滤波等。
2.特征提取算法：特征提取算法是图像识别中的关键算法，可以从图像中提取出有价值的特征信息。
一种高速实时数据采集系统的设计与实现
（２位 总 线 ）２ ４Ｍ ／（４ 总 线 ）。 ３ ，６ Ｂｓ６ 位 １ ２ ］ Ｐ Ｉ 部 总线 一边 与处理 器和 存储 器总线 接 口 Ｃ 局
数据后置处理等功能 。用 以完成主机对数据采集前 端 送 出的 １ ６位并行数 据 的读取 ，和对传感 器数据 的读
取 、 式的转换 、 送｝ 格 发 ｌ 】 要 包 括 以下 几 个 功 能 模 块 ： 。主 Ｐ Ｉ 线 控 制 器 、ＩＯ缓 存 器 （ 片 Ｃ ７ ４ ７ ， 度 Ｃ 总 ＦＦ 一 Ｙ Ｃ ２５ 深
（ ｏｌｇ ｆＭａ ｎ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ，Ｎｏｔｗ ｓｅｎ Ｐ ｌｔｃ ｎｃ ｌ ｎｖ ｒｉ Ｃ ｌ ｅ ｏ ｒ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｒ ｅｔｒ ｏｙｅ ｈ ｉａ Ｕ ｉｅｓｔ ｈ ｙ，Ｘｉａ ０ ２，Ｃｈｎ ） ｎ ７１ ７ ０ ｉａ
【 ｂｔａｔ ｅｉ ｉ ｅ ｏ ｆ ｕ ｒ ｓｅｄｄｔ ａ ｑ ｉｔ ｎａ ｄｔ ｎｍｉ ｉｎｂ ｓｄ（ Ｃ （ｅ ｐ ｅａ Ｃ ｍ ｏ ｅｔ Ａ ｓ ｃ】Ａ ｄｓ ｎｎ ｍ ｔ ｄｏ ｓｐ ＝ ｐ ｅ ａａ ｃｕｓ ｉ ｎ ｒ ｓ ｓ ｏ ａｅ ｍ Ｐ ｌＰ ｆ ｈ ｒｌ ｏ ｐｎ ｎ ｒ ｇ ｇ ｈ ａ ｉｏ ａ ｓ ｉ
另一边 为外设扩展 提供 高带 宽通道 。这样便将 外设 Ｉ ／ Ｏ总线上 移下来 ， 不需 Ｃ Ｕ介 入就可进行数据 传输 Ｐ ＰＩ Ｃ 总线 具有 高性 能 、 使用 方便 、 高协 调性 、 数据 完型
基于USB2.0的高速图像采集实验设计
外公 司的产 品经 常转 产 、 级 换 代 ， 至 停 产 ， 国 内 升 甚 使
的研制 者受 到制 约 。因此 研制 开发具 有独 立 国外 产 品 的技 术 对 垄 断具 有 重要 的意义 。
与数 据通信 。ＵＳ ２ ０总线 协议 所 支 持 的高 速 模 式 ］ Ｂ． 传输 速率 为 ４ ０Ｍｂｔｓ 不仅 可 以满 足 目前项 目要 求 ， ８ ｉ ， ／
中 图 分 类 号 ： Ｐ ９ ； Ｐ ３ Ｔ ３１Ｔ ３６ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ — ９ ６ ２ １ ） ４ ０ １ — ５ ０ ２４ ５ （ ０ ２ ０ — １ ８ ０
Ｄ ｓ ｎ ｏ ｉｈ ｓ ｅｄｉ ｇ ｃ ｕｓ ｉｎ ｅ ｐ ｒ ｎ ａｅ ｎＵＳ ２ ０ ｅｉ ｆ ｇ －ｐ ｅ ｇ ｈ ｍａ ｅａｑ ｉ ｔ ｘ ｅｉ ｔ ｓｄｏ Ｂ ． ｉｏ ｍｅ ｂ
ＩＳ Ｓ Ｎ １００２
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４ ５ ９ ６
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与
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理
第 ２ 卷 ９
第 ４期
２１ ０ ２年 ４月
ＣＮ１ 一 ２ ３ ／ 】 ０４Ｔ
摘 要 ： 速 图像 采 集 技 术 广 泛 应 用 于 图像 信 号 传 输 与 处 理 、 式 识 别 和工 业 控 制领 域 。利 用 Ｆ ＧＡ 技 术 将 高 模 Ｐ
串 行 的 Ｌ Ｓ和 Ｈｏｌ ｋ格 式 的 图像 信 号 进 行 变 换 和 处 理 ， 换 为 标 准 的 １ ＶＤ ｔｎ ｉ 转 ６位 并 行 数 据 ， 由 ＵＳ 再 Ｂ接 口 控
嵌入式高速图像采集系统设计
传统的数 字图像处理通 常以 Ｐ Ｃ机为平台， 但 这 种方 法处理 速 度 较 慢 ， 够 灵 活 。随 着 固体 图像 不
传感 器 Ｃ Ｄ和 Ｃ Ｓ的 技 术 工 艺不 断 改进 以及 数 Ｃ ＭＯ
中的最 高性 能 的定 点 Ｄ ＰＣ ４Ｃ Ｕ， 有增 强 型 直 Ｓ ６ｘ Ｐ 具 接 存储 器存 取控 制器 （ Ｄ ） 可 以通过 ６ Ｅ ＭＡ ， ４个独 立 的通 道 提供 超过 ２ ｙ ／ｅ Ｇｂｔ ｓｅ的 ＩＯ带 宽 ； ｅ ／ 内部包 括 ６ ４个 ３ ２位字 长 的通用 寄存 器 以及 ８个 独立 的运 算 单元 ， 有两 个 专 用 硬 件 乘 法器 。Ｄ ６ ２还 具 有 ３ 具 Ｍ４
摘 要： 图像数据 的高速 采集在视觉检测 中具有重要意义 ， 提出了一种基于 Ｄ Ｐ Ｃ Ｓ图像传 感器的嵌 入式高速 图 Ｓ 、ＭＯ
像处理系统设 计方案。 以高性能数字信号处理器 Ｔ Ｓ２Ｄ ６２ 为硬件平 台 ， 了图像数据的高速获取 。介绍 Ｍ ３０ Ｍ ４ 作 实现 了系统 中图像传 感器 、 存储设备 与 Ｄ Ｐ的硬件接 口设计及系统的软件流程及传感器控 制方式 ， 出了利用 网络接 Ｓ 并提 口实现图像数据 向上位机传输 的方法 。 关键词 ： Ｓ ；Ｍ Ｓ图像采集 ；Ｄ Ａ ； Ｄ ＰＣ Ｏ ； Ｓ Ｒ Ｍ 网络传输
图 １ 系统设计框
供了每一个像 素 １ ０位的色彩分解力 ， 具有接 口简 单， 控制功能丰富和信噪比高等的特点。 在本系统中， 选择 Ｔ 公 司的 Ｄ ６２型 Ｄ Ｐ作 Ｉ Ｍ４ Ｓ
系 统 的 核 心 处 理 器 选 择 ， 公 司 的 兀
Ｔ Ｓ ２ Ｄ ４ 。Ｄ ４ Ｍ ３ ０ Ｍ６ ２ Ｍ６ ２是 基 于 Ｔ Ｓ ２ Ｃ Ｏ ｏ系列 Ｍ ３Ｏ ６ｏ
基于FPGA和USB3.0的高速视频图像采集处理系统设计
摘要随着机器视觉的广泛应用，以及工业4.0和“中国制造2025”的提出，在数字图像的采集、传输、处理等领域也提出了越来越高的要求。
传统的基于ISA接口、PCI接口、串行和并行等接口的图像采集卡已经不能满足人们对于高分辨率、实时性的图像采集的需求了。
一种基于FPGA和USB3.0高速接口，进行实时高速图像采集传输的研究越来越成为国内外在高速图像采集研究领域的一个新的热点。
针对高速传输和实时传输这两点要求，通过采用FPGA作为核心控制芯片与USB3.0高速接口协调工作的架构，实现高帧率、高分辨率、实时性的高速图像的采集和传输，并由上位机进行可视化操作和数据的保存。
整体系统采用先硬件后软件的设计方式进行设计，并对系统各模块进行了测试和仿真验证。
通过在FPGA 内部实现滤波和边缘检测等图像预处理操作，验证了FPGA独特的并行数据处理方式在信号及图像处理方面的巨大优势。
在系统硬件设计部分，采用OV5640传感器作为采集前端，选用Altera的Cyclone IV E系列FPGA作为系统控制芯片，由DDR2存储芯片进行数据缓存，采用Cypress公司的USB3.0集成型USB3.0芯片作为数据高速接口，完成了各模块的电路设计和采集卡PCB实物制作。
系统软件设计，主要分为FPGA逻辑程序部分、USB3.0固件程序部分和上位机应用软件部分。
通过在FPGA上搭建“软核”的方式，由Qsys系统完成OV5640的配置和初始化工作。
由GPIF II接口完成FPGA和FX3之间的数据通路。
通过编写状态机完成Slave FIFO的时序控制，在Eclipse中完成USB3.0固件程序的设计和开发。
上位机采用VS2013软件通过MFC方式设计，从而完成整体图像采集数据通路，并在上位机中显示和保存。
整体设计实现预期要求，各模块功能正常，USB3.0传输速度稳定在320MB/s，通过上位机保存至PC机硬盘的图像分辨率大小为1920*1080，与传感器寄存器设置一致，采集卡图像采集帧率为30fps，滤波及边缘检测预处理符合要求，采集系统具有实际应用价值和研究意义。
高速公路监控系统软件的设计与实现
高速公路监控系统软件的设计与实现一、需求分析高速公路监控系统软件的设计需求主要包括两个方面：一是实时监控高速公路上的交通情况，包括车流量、车速、车辆违章等信息；二是实时监控高速公路上的安全情况，包括交通事故、道路损坏等信息。
根据这些需求，我们需要设计一个具备数据采集、处理和显示功能的软件系统。
二、系统设计1. 数据采集高速公路上的数据主要通过传感器和监控摄像头来采集。
传感器主要用于采集车流量、车速、气象等数据，而监控摄像头用于采集车辆和交通情况的图像数据。
这些采集的数据需要通过网络上传到数据中心进行处理和存储。
2. 数据处理在数据中心，需要对采集到的数据进行处理，包括图像识别、数据分析等工作。
图像识别可以通过计算机视觉技术进行车辆和交通情况的识别，从而得到车辆的数量、车速等信息。
而数据分析可以通过统计和算法分析来得到公路上的安全情况。
3. 数据显示处理好的数据需要通过用户界面进行显示，以便相关人员对高速公路的情况进行监控和管理。
数据显示界面需要清晰直观地展示各项数据指标，并能够实时更新数据信息。
为了方便相关人员进行操作和管理，界面需要具备一定的交互性和可操作性。
三、系统实现高速公路监控系统软件的实现主要包括三个方面：数据采集系统、数据处理系统、数据显示系统。
数据采集系统需要采用传感器技术和监控摄像头技术进行数据采集和传输；数据处理系统需要具备图像识别和数据分析的算法技术；数据显示系统需要具备良好的用户界面设计和数据显示能力。
四、系统优化高速公路监控系统软件的优化主要包括两个方面：系统性能优化、用户体验优化。
系统性能优化需要不断优化数据采集、处理和显示系统的性能，提高系统的响应速度和稳定性。
用户体验优化需要不断改善用户界面的设计，提高用户对系统的使用舒适度和便利性。
1. 系统性能优化在数据采集系统中，可以采用更加先进的传感器和监控摄像头技术，以提高数据的采集速度和准确性。
在数据处理系统中，可以采用更加高效的图像识别算法和数据分析算法，以提高数据处理的速度和精度。
基于FPGA的高速图像采集系统设计.
基于FPGA的高速图像采集系统设计引言在低速的数据采集系统中，往往采用单片机或者DSP进行控制；而对于图像采集这种高速数据采集的场合，这种方案就不能满足需要。
因此这种方案极大浪费了单片机或DSP的端口资源且灵活性差；若改用串口方式收集数据，则一方面降低了数据采集的速度，另一方面极大地耗费CPU的资源。
本系统采用FPGA作为数据采集的主控单元，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、成本低、灵活性强。
为了增加缓冲功能，系统在FPGA外扩展了256Mb的RAM，不仅增大了缓冲区容量，而且极大地降低了读写频率，有效地减轻了上位机CPU的负担。
在图像数据接口中，比较常见的是VGA、PCI—Express，而这些接口扩展性差、成本高。
本系统采用高速的USB接口作为与上位机通信的端口，速度快、易安装、灵活性强。
1 系统框图系统框图如图1所示。
FPGA控制单元采用A1tera公司Cyclone II系列的EP2C5F256C6，主要由4个部分组成——主控模块、CMOS传感器接口、RAM 控制器以及EZ—USB接口控制器。
传感器接口负责完成SCCB时序控制，RAM控制器用于实现RAM读写与刷新操作的时序，USB接口模块完成主控模块与EZ—USB之间的数据读写；而主控模块负责对从EZ—USB部分接收过来的上位机命令进行解析，解析完命令后产生相应的信号控制各个对应模块，如CMOS传感器传输的图像格式、RAM的读写方式、突发长度等。
2 OV7620模块设计图像传感器采用OV7620，接口图如图2所示。
该传感器功能强大，提供多种数据格式的输出，自动消除白噪声，白平衡、色彩饱和度、色调控制、窗口大小等均可通过内部的SCCB控制线进行设置。
OV7620属于CMOS彩色图像传感器。
它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30fps；数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种。
图像采集系统的制作方法
本技术涉及一种图像采集系统，其能够适用于对不同分辨率、不同图像输出接口的相机，并且具备自检功能，实现对自身系统误差进行检测，大大提高了图像采集工作的工作效率和可靠性。
该系统包括相机和上位机；还包括分别与相机和上位机相互通讯的相机通用检测设备；相机通用检测设备包括子板以及母板；子板包括第一基板、设置在第一基板上的N个相机接口、N个接口芯片、N个电平转换芯片以及第一电连接器；母板包括第二基板、设置在第二基板上的电源模块、第二电连接器、FPGA芯片、SDRAM芯片、串行UART接口以及数据传输接口；第一电连接器和第二电连接器是板间电连接器，通过这两个电连接器将第一基板和第二基板互联起来。
技术要求1.一种图像采集系统，包括相机和上位机；其改进之处在于：还包括分别与相机和上位机相互通讯的相机通用检测设备；相机通用检测设备包括子板以及母板；子板包括第一基板、设置在第一基板上的N个相机接口、N个接口芯片、N个电平转换芯片以及第一电连接器；母板包括第二基板、设置在第二基板上的电源模块、第二电连接器、FPGA芯片、SDRAM芯片、串行UART接口以及数据传输接口；第一电连接器和第二电连接器是板间电连接器，通过这两个电连接器将第一基板和第二基板互联起来；相机图像输出接口与第一基板上的接口芯片、相机接口、电平转换芯片电连接，用于对图像数据进行传输和处理；第二基板上的SDRAM芯片、串行UART接口以及数据输出接口均与FPGA芯片电连接；串行UART接口与上位机电连接用于接收上位机发送的控制指令，数据输出接口与上位机通过千兆以太网实现物理连接，通过标准的UDP协议实现相互通讯；电源模块用于给相机供电。
2.根据权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于：所述FPGA芯片上运行的模块包括：图像接口控制模块、图像数据缓存模块、虚拟相机控制模块、以太网数据打包模块、以太网发送模块、SDRAM控制模块以及UART模块；图像接口控制模块针对不同的接口的相机产生不同的时序接口波形，控制接口芯片完成相机图像数据的正确采集；图像数据缓存模块将采集到的图像数据缓存到FPGA内部的FIFO中，并在缓存到特定FIFO深度的时候，通知以太网数据打包模块读取FIFO内部的数据，并按照协议进行打包；虚拟相机控制模块根据上位机的指令设置，产生不同分辨率的15个虚拟相机图像，且在同一时刻，只产生一种虚拟相机图像用于对相机自身进行检测；以太网数据打包模块根据上位机的指令设置，选择“图像数据缓存模块”或者“虚拟相机控制模块”的其中一个，读取其中的数据进行以太网数据打包；以太网发送模块依据千兆以太网接口的RGMII接口时序，将打包后的数据，通过RGMII接口发送出去；SDRAM控制模块在FPGA内部的FIFO有限的情况下，将部分要缓存的数据缓存到SDRAM芯片中；UART模块用于实现与上位机或者其他UART接口之间的数据通讯，实时回报相机通用检测设备的工作状态。
高速CCD图像采集存储系统的硬件设计
第30卷 第6期2007年12月电子器件Ch inese Jou r nal Of Elect ro n DevicesVol.30 No.6D ec.2007Design of High 2Speed CCD Ima ge D a ta A cquisition H ar d w ar e SystemL I A i 2li n g1,2,Z H A N G Bo 2heng 1,B IA N Ch ua n 2p in g11.Xi ’an Ins ti t ute of Opt ics an d P recisi on Mechanics ,S haanx i Xi ’an 710068,Chi na;2.Gra duate School of Chi nese Academy of Science ,B ei J i n g 100039,Chi naAbstract :A hi gh 2speed ima ge dat a acquisit ion system wa s propo sed .Because of t he large amount of CCD i mage dat a ,t he syst em adopt ed fi bre channel hard di sk to store t he data and fi nally achieve a hi gh speed of850MB/s.Now It ha s been well applied i n t he course of CCD image dat a acquisition.K ey w or ds :CCD Ca mera ;LVDS ;Camlink ;CL FC ;Fi bre Channel EEACC :7220高速CCD 图像采集存储系统的硬件设计李爱玲1,2,张伯珩1,边川平11.中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068;2.中国科学院研究生院,北京100039收稿日期22作者简介李爱玲(832),女,博士研究生,主要研究方向为遥感D 相机图像数据的采集与处理,@;张伯珩(2),博士生导师,主要研究方向为遥感D 相机电路设计摘 要:针对某高速CCD 相机图像数据量大的特点,设计采用L VDS 格式信号输出,转换成Camlink 格式后实现海量数据的高速、稳定传输,提出了一种新型的高速数据采集存储系统的设计方案,该方案采用Fibre Cha nnel 接口硬盘实现对图像数据的高速存储,最高存储速度可达850Mbyte/s ,现已在CCD 相机系统图像采集实验中得到应用.关键词:CCD 相机;LVDS ;Camlink ;CL FC ;Fibr e Channel 中图分类号:TN 911.73 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)0622145203 CC D 相机被广泛应用于光电扫描、空间遥感、非接触工业控制、天文星体跟踪、光学图象处理等领域,CC D 相机所获取的目标信息,是我们所需要的宝贵信息,对其所获取的图像数据进行实时采集、存储和处理,高速、高精度的大量获取目标数据并进行实时信号处理,对目标的检测和识别非常重要.目前国内已有很多科研机构具备自行开发基于PCI 总线采集卡的实力,但在海量数据采集卡的开发方面还有待发展.当前有一种发展趋势是利用成熟的F P G A 技术和大规模集成芯片技术组合,通过高速大容量的FIFO 或者双端口RAM 作为数据缓存器,从而实现数据的高速采集.这种采集卡一般都通过PCI 接口与计算机系统连接,卡上带有PCI 桥控制器,使得使用者能够通过计算机对采集卡方便的进行控制.还有一些采集卡甚至将DMA 控制器和SCS I 控制器等设备都集成在其中,可以将采集到的数据不经过计算机总线而直接存储到SCSI 接口或其他接口的高速硬盘中,真正实现了采集与存储的结合,并且不受计算机系统的限制[1].1 采集系统的设计实现CCD 图像数据的采集与普通视频信号的采集相比,其最大的特点是数据传输速率高,传输通道多.通用的CCD 图像数据采集方法是在计算机中插入高速数据采集卡,采集卡与CCD 相机之间通过点对点物理层接口(如RS 2422、RS 2485)以及其他的数据传输标准进行数据传输,高速数据采集卡接收到数据通过PCI 总线将数据写入计算机内存,然后利用采集卡的存储功能将数据通过IDE (电子集成驱动器)接口写入计算机硬盘.首先,物理层接口无法满足数据的传输速度;其次,传输通道的增多,引起传输导线数量增加,系统功耗、噪声也随之增大;再次,采用通过IDE:20070422:19CC lal op 1942CC .接口来存储数据的方式无法满足数据高速存储的要求,容易引起数据帧的丢失.因此采用新的技术解决多通道、高速CCD图像数据采集成为必然趋势[2].C amlink接口技术为解决这一瓶颈问题提供了可能.本文通过应用Camlink接口技术,提出了一种适用于高速、海量CCD图像数据的采集系统.通过调试,该系统运行正常,完全能满足图像数据稳定、高速传输的要求,并实现图像数据的高速存储.在本系统中,CCD相机输出的数字信号为4通道8bi t并行同步L VDS格式数据,数据时钟为25 MHz,每通道的数据量58.01～87.46Mbyt e/s,如此高的数据吞吐量要求系统设计具有高速传输的特性.根据以上分析要求,设计了采集系统的硬件结构框图如图1所示.图1 采集系统结构框图如图2所示,CCD视频处理电路差分输出采集系统所需的像元时钟DCL K、行同步LVAL等2路信号和4路8bit图像数据,经由MLC(LVDS2Cam2 Li nk信号转换器)转换成符合采集卡接口标准的CamLink Medi um信号格式.然后在CL FC采集卡接口处,该CamLi nk格式的输入数据经过CL FC接收后可以不经过PCI总线,而是直接在磁盘控制器的控制下,存储到Fi ber Cha nnel接口硬盘,使得存储和实时显示同时进行成为可能.通过应用程序可以实现实时显示图像功能,也可以将已存到F C硬盘中图像数据导出到计算机硬盘进行处理和应用.图2 输出信号时序图1.1 数据传输设计Camlink接口采用美国Nat io nal Semiconduc2 tor公司的Cha nnel li nk技术作为基础,Channel 技术是低电压差分信号LVDS技术在数字领域的最新成果,它使用并行2串行的发送和串行2并行的接收,数据传输率可以达到38G如图3所示,发送端将28bit的CMO S/TTL数据转换成4路L VDS数据流,第五路LVDS数据流传送稳定的锁相时钟信号.每一个时钟周期,完成一次28bi t数据的采样和传输.在接收端,数据流被还原为28bi t 的CMO S/TTL数据,接收和发送完全同步.图3 Channel link标准接口模块电路图Camli nk采用数据线复用的方法,实实在在地减少了传输电缆的导线数目.这样可以使电缆加工容易,屏蔽要求降低,电缆接插件体积减小、强度增加,电缆价格也随之降低.单个的Ca mli nk芯片组可以传送高达2.38Gbit/s数据带宽,Camli nk标准允许采用两个这样的芯片组,如此高的数据传输能力不仅能满足目前应用,而且在将来相当长时间内不会落后.在本系统中,为了实现图像数据的高速稳定传输,我们充分利用了Camli nk的以上优点,设计了L VDS2Camlink信号转换器.在本系统中,转换器MLC的结构图如图4所示,ML C首先接收来自信号模拟源的LVDS输出图4 转换器硬件结构图信号,经过LVDS接收器件DS90C032,还原为TTL 信号.Camli nk驱动芯片选用National Semic onductor 公司的DS90CR287,它的输入信号和电源的电压要求均为3.3V,为了做到两种信号的电平匹配,在中间增加了多片IDT74LVCC4245A总线驱动器.I DT74LVCC4245A有两个电源输入端,一端只能加5 V电源,另一端可以加5V或33V,因此当它一端的输入电平是5V信号时,另一端可以是5V或33V 信号I D T LV5是双向器件,在接收端也可6412电 子 器 件第30卷link2.bit/s... .74CC424A以再转换成5V 电平的信号.经过DS 90CR287后,输出的Channel link 信号,最终通过符合Camlink 标准的MDR26接口连接到采集卡.1.2 数据的采集与存储为了保证CCD 图像数据在不出现丢帧现象的同时以更高速度被存储到硬盘,我们采用了I O Indus 2t ries 公司最新的采集卡DVR Express CLFC ,它的突出特点是采用FC 接口硬盘对图像进行存储,最高可以达到850Mbyte/s.其硬件结构如图5所示.图5 CL FC 采集卡结构框图通过符合Camli nk 标准的MDR26接口,Cam 2link 格式的图像数据在接口处被还原为T TL 信号,F PGA 集成了缓存、电平转换、DMA 控制器等功能,完成和PCI 总线之间的数据和控制命令传递.图像数据直接在磁盘控制器的控制下,存储到Fi ber Channel 接口硬盘,这样可以大大的节省图像数据对PCI 总线的占有率,从而提高整个采集系统的速度.FC 技术的应用,使得本系统的采集速度与以往的采集系统相比较得到很大提高.Fiber Channel 光纤通信(FC )是一种通过光纤实现的基于块的数据流传输方式,传输率可达1G bit/s ,多模光纤传输距离为500m ,单模光纤距离为1km.Fiber Channel 技术的最大特点是将网络和设备或服务器和设备的通信协议与物理传输介质隔离开,这样多种协议可以在同一个物理连接上同时传送.FC 传输速度快,它可以提供接近于设备处理速度的吞吐量,提供从266Mbit/s 到4G bit/s 的传输带宽,支持超过10km 的传输距离;它是一种通用传输机制,支持HIPPI\IPI\SCSI \IP\ATM 等多种高级协议.FC 技术对于视频图像和海量数据的存储及传输极为理想,现已成为视频传输与存储领域具有强大生命力的新技术.与SCSI 硬盘接口相比较,FC 接口硬盘有以下优点:Fiber Channel 通道比SCSI 总线有更巨大的存储容量;与SCSI 接口相比,Fiber Channel 接口允许使用更长的电缆,而接口体积更小[6] 根据以上分析,我们对存储部分的设计最终采用了FC 接口技术和RAID3磁盘阵列技术.根据数据量需要,采用了4块日立公司最新推出的FC 接口硬盘组成磁盘阵列,实验证明,存储部分设计很好地满足了整个系统的需要.图6 辨别率靶的采集图像2 结论本系统通过调试,已成功地应用于某高速CCD 相机系统的图像数据采集,如图6所示为该系统采集到的CC D 相机室内拍摄辨别率靶的图像.通过软件对存储数据的恢复分析,数据正确,无丢帧现象,无数据错误.系统通用灵活,稳定可靠,能满足多种CCD 图像数据的实时采集,为多通道高速CC D 图像数据的实时采集提供了解决方案,因而有着广泛的应用前景.参考文献:[1] 李爱玲.数字图像信号的模拟与采集技术研究.中国科学院西安光学精密机械研究所,硕士毕业学位论文,2006.[2] 王琳琅,张伯珩,边川平.多通道、高速CCD 图像数据的实时采集,中国有线电视.2004.12.22224.[3] 达选福,张伯珩,边川平.高速CCD 图像数据存储技术.光子学报,2003.32.139321395.[4] 王冰,靳学明.LVDS 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基于Nios Ⅱ的高速图像采集系统的设计
编码芯片 Ａ Ｖ １３ Ｄ ７２ 实现 了图像 的高速 Ａ Ｄ Ｄ Ａ转换 、 ／ 、／ 存储和 回放 等功能 ． 由于采用 了 Ｓ Ｐ Ｏ Ｃ和 Ｄ ＭＡ 控制技 术 ， 该系统具
和 Ｓ Ｒ Ｍ． Ｄ Ａ 实现 了图像的高速 Ａ Ｄ Ｄ Ａ转换和 ／、／ 存储等功能［． ２ ］
式 高速 图像采 集控 制 系统 ． ＯＰ （Ｓ ｓｅ ＯｎＰ ｏ Ｓ Ｃ ｙｔｍ ｒ—
ｇａ ｒｍｍａ ｌ Ｃ ｉ） 术 是 Ｓ （Ｓ ｓｅ Ｏ ｈｐ 技 ｂｅ ｈｐ 技 ０Ｃ ｙｔｍ ｎＣ ｉ）
ＥＥＡＯＣ： ４ Ｃ ６１ ０
基 于 ＮｉｓＩ ｏ Ｉ的高 速 图像 采 集 系统 的设 计 ＊
袁海林
（ 湖北 民族学院 计算机科学与技术 系 湖北 恩施 ４ ５ ０ ） ４ ０ ０
摘 要 ： 研究了一种基于 Ｓ Ｐ Ｏ Ｃ技术的嵌入式高速图像采集控制系统的设计方案． 该系统通过在 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ芯片上配置 ＮｏＩ ｉ Ｉ ｓ
数字图像处理技术在 电子通信和信息处理领域 的应用十分广泛． 而如何实现数字 图像 的高速采集 是 数字 图像处 理 的关 键 技 术 之 一． 文 利 用 现 代 电 本
子 设计 的最新 技术 —— Ｓ Ｃ技 术 设计 了一 个 嵌 入 ｏＰ
功能 视频 解 码 芯 片 ＡＤＶ７ ８ 、 码 芯 片 ＡＤ １ ３ １１编 Ｖ７ ２
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Ｋｅ ｗ ｏ ｄ ： ｙ ｒ ｓ ＣＣＤ； ＰＧＡ ； ａ ｅａ ｑ ｉｉｉｎ； Ｆ Ｉ ｇ ｃ ｕ ｓｔｏ Ｅｍｂｅ ｄ ｄｌｎ ｘ ｍ ｄ ｅ ｉｕ
硬件 电路 设 计 本 设计 的硬件系 统 由嵌 入式 ＡＭ处理器 、 Ｃ Ｒ ＣＤ图像传 感器 、 ／ ＡＤ 转 换器 、ＦＧ ＰＡ电路 、ＪＥ ＰＧ编码器等 组成 ，其 中， Ｃ Ｃ Ｄ图像 传感器 将 光 信号转 换为 模拟 电子信号 ，传送给 ＡＤ转换器 ，ＡＤ转换器将 模 ／ ／ 拟 电子信 号转换 为 Ｂｙ ｒ数字信 号 ，传送 给 ＦＧ ，Ｆ Ｇ ａｅ ＰＡ Ｐ Ａ将 Ｂｙ ｒ ａ ｅ 数 字信号 转换 为 Ｙ Ｖ 号 ， Ｕ信 传送 给 ３ Ｅ 编码 器 ， 由 ＡＭ控制 Ｊ Ｅ ＰＧ 再 Ｒ ＰＧ 编 码器生 成 Ｊ Ｅ Ｐ Ｇ图像 ，通过 网络传送 给 Ｐ Ｃ机保存 或显示 。 对 各 部分 电路 的详 细介 绍 如下 ： （ ）Ｃ Ｄ 控 制 电路 。Ｃ Ｄ 控 制 电路 采 用 索尼 公 司 生产 的 一 Ｃ Ｃ ＩＸ０ ，其主 要作 用是 将像 素 的光信 号转 换 为 电信 号 Ｃ２５ ＩＸ０ 是 ～款 １２英 寸、有 效 像素 为 １５ 的 ｃＤ传感 器 ， Ｃ２５ ／ ４万 ｃ 每 秒 可 输 出 图 像 ７ ５ 帧 。 其 关 键 参 数 如 下 ： 水 平 驱 动 频 率 ． １． １Ｍ ｚ ４ ３ ８Ｈ ，感光 区尺 寸 ０ ５英寸 ，有 效 像素 １９ ．０ ０ ． ３２ １４ ，可 满足 大 多数 应用 的 需求 。 （ ） ／ 转 换电路 。 ／ 转换 电路 的主 要功能是 将 ＣＤ － ＡＤ ＡＤ Ｃ 传感 器 输 出的模拟信 号转换 为数字信号 。本设计选用 Ａａ ｏ ｅ ｉｅ公司 ｎ ｌｇＤｖ ｃ 生产 的 Ａ ９２Ａ作为 ＡＤ 换电路 ， Ｄ９３ ／转 它具 有 １ 位 ３Ｍ ｚ ／ 转换器 ， ２ ６Ｈ Ｄ Ａ 内含 ６ ４ ｄ 可变增 益放大器 ，是针对 数字 图像采 集设备 的前端设 －２Ｂ 备 。ＡＭ微 处理器 通过 串行接 口控制 ＡＤ转换 电路将 Ｃ Ｄ电路输 出 Ｒ ／ Ｃ 的模 拟信号转 换为数字 Ｂ ｙｒ 号，并将其输 送到 ＦＧ ａｅ 信 ＰＡ电路 。 （ ）Ｆ Ｇ 控 制 电路 。Ｆ Ｇ 三 ＰＡ ＰＡ控制 电路 的主 要功 能是 将 Ｂ ｙｒ ａｅ 信 号转 换 为 ＲＢ信 号 再将 ＲＢ 号 转换 生成 ＹＶ视频 信 号 。 Ｇ Ｇ信 Ｕ （ ） Ｐ Ｇ 码 电路 。 Ｐ Ｇ 码 电路 的主 要功 能是 对输 入 的 四 ＪＥ 编 ＪＥ 编 Ｙｖ视频 信 号进 行编 码 ， Ｕ 生成 常用 的 Ｊ Ｅ Ｐ Ｇ图像本 设计 选用 的 ＪＥ ＰＧ 编 码 芯 片 是 Ｔ ｙｏ ｌｃｒ ｎ ｅ ｉｅ Ｌ ｍ ｔｄ 公 司 生 产 的 ｏｋ Ｅｅ ｔｏ Ｄｖ ｃ ｉ ｉｅ Ｔ ３ １ＲＦ Ｅ ３０ Ｐ （以 下 简 称 Ｔ ３ １）芯 片 。 Ｔ ３ １ 是 基 于 Ｅ ３０ Ｅ３ ０ Ｉ Ｏ ＩＣ０ １— Ｃ ｅｕ ｎ ｉｌ 方式 的 ３ Ｅ 编码 芯 片 ，可对 Ｓ／ Ｅ １９８ １Ｄ Ｔ ｓｑ ｅｔ ａ ＰＧ ６ ０４ ０Ｖ Ａ４ ：２ 的 图像进 行最 大 １５ｐ ４ｘ ８ （Ｇ／ ：２ ） ３ ｆｓ的高速 压缩 。 （ ）Ａ 控制 电路 。 Ｒ 整 个系 统 的中心控 制 部件 ，负 责 五 Ｍ Ｒ ＡＭ是 控 制 Ｃ Ｄ电路 的输 出 、／ 换 电路 的输 入 输 出， 制 Ｆ Ｇ Ｕ ＡＤ转 控 Ｐ Ａ将 Ｙ Ｖ Ｕ 信 号输 送 给 Ｊ Ｅ Ｐ Ｇ编码 芯片 ， 并将 ＪＥ ＰＧ编码 芯 片输 出 的 ＪＥ ＰＧ图像 数 据通 过 网络 传送 给 Ｐ 机达 到 显示和 保 存 的 目的 。本 设计 选 用 ｃ
ｓ ａｔ ｃ ｖ ｄ ｅ ｏ ｒ ｉ ｔ ｒ ｕ ｔ ｉ ｔ ｉ ｑ ｖ ｉ ＊ ｅ — ｄ ｔ ｉ ｏｉ ｎｃ ｄｅ ｎ ｅ ｒ ｐ （ｎ ｒ ， ｏ ｄ ｄ ｖ ｉ ，
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Ａ ｍ ｌ 司生 产 的 Ａ９ Ｒ ９０ ｔｅ 公 Ｔ １Ｍ ２０微控 制器 。 二 、驱 动程 序设 计 与实 现 （ ）驱动 程序 的 各模块 的功 能。在 Ｌ ｎｘ操 作系 统下 ，设 一 ｉｕ 备 驱动 程序 是 系统 内核 与机 器硬 件 之 间的接 口，它 为应 用程 序屏
计 算机 光盘 软件 与 应用
２ １ 年第 ２ 期 ０１ ３
Ｃｍ ｕ ｅ ＤＳ ｆ ｗ ｒ ｎ ｐ ｌｃ ｔ ｏ ｓ ｏ ｐ ｔｒＣ ｏ ｔａ ｅａ ｄＡ ｐ ｉ ａ ｉ ｎ 软 件 设 计 开 发
高速图像采集系统的设计与实现
何 宇矗
（ 四川大学，成都
６０６ ） １ ０４
摘 要 ： 图像 采 集及传 输技 术在 公共 安 全 、工业 控制 、科 学研 究等 领域 得 到 了广泛 的应 用 ，这 些应 用对 系统 的采 集 、 传 输速 度提 出 了越 来越 高 的要 求。针 对这 些应 用 ，提 出了一种基 于 Ａ Ｉ ＲＮ 处理 器 和嵌入 式 Ｌｎ ｘ系统的 高速视 频 图像 采 集 ｉｕ 系统 的硬件 结 构及软 件设 计 方案 ， 给 出 了关键 问题 的解 决方 法 。实验 结果表 明 ， 设计 方案 能够 以每 秒 １ 并 该 Ｏ帧的 速率 采 集 并传输 图像 ，且 生成 的图像 质量 较好 ，能 够 满足 大 多数 应 用的要 求。
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关键 词 ：Ｃ Ｄ；Ｆ Ｇ Ｃ Ｐ Ａ； 图像 采 集 ；嵌 入 式 ｌ ｕ ｉ ｘ ｎ
中图分类号：Ｔ ３ １ ２ Ｐ １． ５
文献标识码 ：Ａ 文章编号：１０ — ５９（ ０ １ ３ ０９— ２ ０７ ９９ ２ １ ）２— １３ ０
Ｈｉ ｈ ｓ ｅ ｄ Ｉ ａ ｅＡｃ ｕ ｓｔ ｎ Ｓ ｓｅ Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｉ ｐ ｅ ｎ ａ ｉ ｎ ｇ － ｐ ｅ ｍ ｇ ｑ ｉｉ ｏ ｙ ｔ ｍ ｓｇ ｎ ｍ ｌｍｅ ｔ ｔｏ ｉ
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一
、
蔽 了具 体硬 件 的细节 ，使 应用 程 序可 以像 操作 普通 磁盘 文 件一 样 操作 硬件 设 备 。 系 统 中的驱 动程 序用 于控 制 Ｆ Ｇ ＰＡ模 块及 ＪＥ ＰＧ编 码器 模 块 ， 主要 完成 以下六 项工 作 ： 始化 Ｔ ３ １ 控 制 寄存器 ；申请 内存 空 初 Ｅ ３０ 间暂 存 Ｊ Ｅ Ｐ Ｇ数据 ；实现异 步通 知机 制 便于 与应 用层 进行 通信 ； 响 应应 用层 发 出的控 制 Ｔ ３１ 启停 及设 置工 作方 式 的命 令 ； 实现 Ｅ ３０ ｍ ａ 函数 把 内核 空 间 映射 到 用户 空 间便 于 大量 数 据 在 内 核和 应 ｍｐ 用层 之 间的传 送 ； 申请 中断并 实现 中 断处理 程序 ，用 于 通 知应 用 层保 存 图像数 据 。 （ ） ｆ ｌ ｏ ｅａ ｉｎ 二 ｉ ｅ ｐ ｒｔ ｏ ｓ结构 的 实现 。其 ｆ ｌ— ｐ ｒｔ ｏｓ ｉｅ ｏｅ ａ ｉｎ 结构 的成 员如 下 ：