隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們開始在海洋探測(cè)、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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析。目前市場(chǎng)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(huì)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(duì)瞬態(tài)信號(hào)測(cè)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(cè)者清晰地觀測(cè)到被測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，通過串行總線Camera Link把信號(hào)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(duì)圖像采集的控制，把Flash存儲(chǔ)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(jiǎn)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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)(CC1、CC2、CC3、CC4)和一組串口通信信號(hào)(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(duì)驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)分別還原成4位數(shù)據(jù)同步信號(hào)(FVAL、LVAL、DVAL、Spare)、24位圖像數(shù)據(jù)信號(hào)和1路時(shí)鐘信號(hào)。

2.2 圖像的處理模塊

2.2.1圖像存儲(chǔ)格式簡(jiǎn)介

        常見視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式主要有RGB和YUV兩種。它們都是多媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主流格式，但是YUV格式所需的存儲(chǔ)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(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)R-Y(即U)、B-Y(即V)，然后在發(fā)送端完成對(duì)亮度、色差三個(gè)信號(hào)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(hào)和色度信號(hào)進(jìn)行分離。可以通過屏蔽信號(hào)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(hào)而沒有色度信號(hào)，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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成含有一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)，分別對(duì)這三個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼，用同一個(gè)低壓差分信號(hào)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(duì)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(jiǎn)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(duì)程序進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)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(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)。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(duì)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(cè)

        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(duì)周圍環(huán)境的采集與監(jiān)測(cè)。不同參數(shù)設(shè)置對(duì)圖像的影響如圖6所示。通過對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，體現(xiàn)出較高的實(shí)用價(jià)值與參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 電子發(fā)燒友. 圖像采集系統(tǒng)的Camera Link標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)[DB/OL].2010.http://www.elecfans.com/yuanqijian/jiekou/20100728221010.html.

[2] 熊偉,曾巒,趙忠文.彩色實(shí)時(shí)圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,12(6):72-75.

[3] 韓曉微.彩色圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2005.

[4] 楊會(huì)玲,楊會(huì)偉,王軍.基于PCI Express總線的高幀頻CMOS相機(jī)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009,35(4):91-93.

[5] 張成遷.高速數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[6] 呂耀文,王建立,曹景太.Base型Camera Link脫機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電子技術(shù)，2012,32(4):242-245.

[7] Hui Xiaowei,Shen Qinglei,et al. Acquisition board design of high-speed image data based on ARM and FPGA[C].International Conference on Computer Design and Applications,2010:1720-1732.