樊 輝 ，鄭力新

（1.華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén)361021；2.華僑大學(xué) 工學(xué)院，福建 泉州362021）

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像信號(hào)的質(zhì)量很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性。上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體光電成像器件 CCD（Charge Coupled Device）以其高集成度、高靈敏度、大分辨率等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于圖像成像系統(tǒng)。CCD分為線陣CCD與面陣CCD，而線陣CCD更適于高精度測(cè)量和運(yùn)動(dòng)物體成像系統(tǒng)，因此線陣CCD在工業(yè)檢測(cè)中大量使用。隨著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)及微電子行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)檢測(cè)中需要更大分辨率、更高靈敏度的線陣CCD相機(jī)，以滿足日益發(fā)展的需要。但現(xiàn)在市場(chǎng)上成品線陣相機(jī)價(jià)格高昂，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者[1-3]進(jìn)行了研究探索，本文在吸收前人經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于Cameralink接口的線陣CCD的高速高精度工業(yè)相機(jī)，以期為機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)提供可使用的穩(wěn)定圖像。

1 相機(jī)方案設(shè)計(jì)

相機(jī)以Altera的EP3C25Q240C8為主控芯片，完成對(duì)各個(gè)芯片的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)、圖像預(yù)處理及各接口控制實(shí)現(xiàn)。CCD、AD在FPGA對(duì)應(yīng)模塊產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下工作。線陣CCD圖像傳感器KLI2113采集并輸出模擬圖像信號(hào)，經(jīng)AD9945轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號(hào)。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA進(jìn)行預(yù)處理后經(jīng)過(guò)傳輸接口準(zhǔn)備傳送。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速可靠并且大容量的傳輸，相機(jī)采用了Cameralink接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，同時(shí)，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了UART接口部分，完成對(duì)上位機(jī)控制信號(hào)的接收，同時(shí)該模塊還負(fù)責(zé)針對(duì)接收到的控制指令，產(chǎn)生相應(yīng)的FPGA內(nèi)部各相應(yīng)模塊的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該相機(jī)的控制。相機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 相機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

2 相機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

CCD芯片是整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的核心器件。本相機(jī)采用柯達(dá)公司的KLI-2113[4]作為系統(tǒng)的圖像傳感器。KLI-2113是一款彩色三基色線陣CCD，其最高頻可達(dá)20 MHz，有效像元為 2 098個(gè)，總計(jì)像元為 2 128個(gè)，因此以此為圖像傳感器的系統(tǒng)最高頻率可達(dá)9 kHz。CCD的原理決定了其需要嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。KLI-2113正常工 作 必 須 的 幾 個(gè) 信 號(hào) ：φ1、φ2、φ2s、φR、TG1、TG2、LOGn，其中φ1、φ2是像元間寄存器的移位時(shí)鐘信號(hào)，φ2s設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出方式控制，可將輸出方式調(diào)節(jié)為單像元信號(hào)或雙像元信號(hào)，φR為像元輸出復(fù)位時(shí)鐘信號(hào)，TG1、TG2為像元電子輸出門(mén)，LOGn主要控制曝光時(shí)間。本系統(tǒng)為了保證分辨率，采用單像元信號(hào)輸出方式，CCD時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 KLI-2113驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖

本系統(tǒng)的CCD驅(qū)動(dòng)基于EP3C25Q240C8，使用Verilog HDL設(shè)計(jì)，仿真波形如圖3所示。

2.2 AD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在圖像處理系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換是圖像數(shù)字化的關(guān)鍵，影響著整個(gè)系統(tǒng)圖像的可靠性和穩(wěn)定性。ADI的AD9945[5]集成了直流偏置、相關(guān)雙采樣、暗元校正、增益可編程等功能，同時(shí)由于其增益可編程及相關(guān)參數(shù)可通過(guò)SDI（Serial Digital Interface）控制，使其成為模擬增益控制的實(shí)現(xiàn)方式。此外，AD9945采用相關(guān)雙采樣的采樣方法可在一定程度上消除電平浮動(dòng)等引起的噪音，使數(shù)據(jù)更加可靠穩(wěn)定?；谝陨显?，本系統(tǒng)采用AD9945作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

AD9945的信號(hào)主要分為兩組，配置信號(hào)與工作信號(hào)。配置信號(hào)為三線串行數(shù)字接口(SCK、SDATA、SL)，保證內(nèi)部寄存器被正確賦值，這組時(shí)序要求相對(duì)較低。工作信號(hào)為 SHP、SHD、CLPOB、PBLK、DATACLK。此組信號(hào)前兩個(gè)為雙采樣的時(shí)鐘信號(hào)，CLPOB為暗元鉗位信號(hào)（采樣暗元，在有效元的時(shí)候減去暗元值，取得一個(gè)可靠的像元數(shù)據(jù)），PBLK為有效像元段選擇，DATACLK為像元數(shù)字信號(hào)輸出時(shí)鐘。AD9945的時(shí)序如圖4所示。

圖3 CCD-AD驅(qū)動(dòng)仿真波形

由于AD9945采用雙采樣方式采集轉(zhuǎn)化CCD輸出的模擬信號(hào)，所以對(duì)兩個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同步要求十分嚴(yán)格。為了很好地實(shí)現(xiàn)此要求，AD與CCD驅(qū)動(dòng)采用相同的基準(zhǔn)時(shí)鐘，同時(shí)通過(guò)全局時(shí)鐘資源布局布線的時(shí)鐘源設(shè)計(jì)，以此滿足時(shí)序約束的需要。設(shè)計(jì)仿真波形如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于鏡頭、CCD本身對(duì)光響應(yīng)不均勻等原因，圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像一般需要經(jīng)過(guò)平場(chǎng)校正。本設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)CCD的非均勻性響應(yīng)進(jìn)行校正,校正中，采用兩點(diǎn)法[6]進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用需要；由于不同環(huán)境下光線不同，三基色響應(yīng)會(huì)有差別，此時(shí)需要進(jìn)行圖像的白平衡。本系統(tǒng)中，圖像進(jìn)行了平場(chǎng)校正及手動(dòng)白平衡處理，同時(shí)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了模擬增益調(diào)節(jié)和數(shù)字增益調(diào)節(jié)。

圖4 AD9945基本驅(qū)動(dòng)時(shí)序

2.3.1 平場(chǎng)校正

CCD是積分型器件，輸出電流與器件光敏面上的照度和曝光時(shí)間有關(guān)，以I代表輸出信號(hào)，E代表光敏面上的照度，t代表曝光時(shí)間，正常工作時(shí)[7]有：

式中，K為比例常數(shù)。Q=Et，Q定義為曝光量。

圖5為KLI2113手冊(cè)提供的在不同條件下的響應(yīng)曲線，考慮圖中3條實(shí)際響應(yīng)曲線，設(shè)計(jì)中采用式(2)對(duì)實(shí)際曲線近似建模，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行校正。

其中，K為比例常數(shù)，I0為暗曝光時(shí)的信號(hào)響應(yīng)。同時(shí)，Qmax為照度最大值(實(shí)際校正時(shí)定義Qmax為調(diào)節(jié)光源使60%像元信號(hào)輸出值達(dá)到240)，則得到最大信號(hào)輸出值Imax。由式(2)推導(dǎo)可得：

如圖5所示，理想響應(yīng)曲線為：

并滿足照度為Qmax時(shí)，I′=255，由式(3)和式(4)可推導(dǎo)出：

圖5 KLI-2113曝光響應(yīng)曲線

基于以上的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)因在設(shè)計(jì)中使用16位定點(diǎn)表示小數(shù)方法（8位整數(shù)和8位小數(shù)），結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)，采用多次采集相關(guān)值進(jìn)行累加求均值的方法，故整理可得到方便實(shí)現(xiàn)的像元校正因子求導(dǎo)公式：

其中，Iimax、Ii0分別為第i次采集到的最大值及暗電平值。

在預(yù)處理模塊完成以上過(guò)程后，各像元對(duì)應(yīng)的平場(chǎng)校正因子求取完成，存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部生成的寄存器中，對(duì)以后采集的對(duì)應(yīng)位置像元乘以校正因子，達(dá)到平場(chǎng)校正的效果。

2.3.2 白平衡

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，圖像白平衡即是通過(guò)調(diào)節(jié)三基色的值，使圖像在白背景下顯示為白色，不存在色差，此時(shí)三基色值的比為 1：1：1。但由于環(huán)境光線的不同，白色背景下的圖像會(huì)存在色差，此時(shí)需要對(duì)圖像進(jìn)行白平衡校正。本相機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中采用了手動(dòng)白平衡校正的方法。在該模塊中，同樣采用16位定點(diǎn)運(yùn)算方法，設(shè)計(jì)中有3個(gè)16位×16位乘法器，分別對(duì)應(yīng)于RGB三通道。校正過(guò)程中，通過(guò)上位機(jī)傳送校正通道及校正因子，在UART接口接收、解碼后，生成相應(yīng)的使能信號(hào)，刷新原通道校正因子。16位數(shù)字圖像數(shù)據(jù)（8位的圖像數(shù)據(jù)乘以256）通過(guò)設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)通道的乘法器與對(duì)應(yīng)的校正因子相乘，得到校正后的數(shù)據(jù)，取8位有效數(shù)據(jù)作為校正后的輸出值。

2.3.3 數(shù)字增益與模擬增益控制

在暗環(huán)境中，圖像需要增加放大增益來(lái)獲得可用圖像，故在本相機(jī)中，加入了模擬增益控制與數(shù)字增益控制兩種增益控制方式。

與白平衡調(diào)節(jié)相同，數(shù)字增益控制方式通過(guò)16位乘法器方式實(shí)現(xiàn)，增益倍數(shù)通過(guò)串口由上位機(jī)向相機(jī)系統(tǒng)發(fā)送。采用此方法，數(shù)字增益可實(shí)現(xiàn)1～256的增益放大倍數(shù)，而最小放大倍數(shù)達(dá)1/256。模擬增益則采用AD9945的可變?cè)鲆嫘阅?，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送控制指令改寫(xiě)AD的增益倍數(shù)而實(shí)現(xiàn)模擬增益的變化?；贏D9945的性能，模擬增益范圍在6 dB～40 dB。

2.4 UART接口

本相機(jī)實(shí)現(xiàn)中，對(duì)上位機(jī)指令的接收通過(guò)UART接口實(shí)現(xiàn)。為了完成上位機(jī)對(duì)本系統(tǒng)控制指令的實(shí)現(xiàn)，UART接口分兩部分實(shí)現(xiàn)，一是RS232-RS485轉(zhuǎn)接口，一是FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)的UART收發(fā)接口模塊。為了保證系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和控制指令的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)中采用了RS485協(xié)議應(yīng)用差分電平傳輸數(shù)據(jù)。故在系統(tǒng)中加入了RS232-RS485轉(zhuǎn)接口。UART收發(fā)接口模塊功能上實(shí)現(xiàn)對(duì)控制指令的接收及解碼，并對(duì)其他模塊傳輸相應(yīng)操作指令及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，約定的控制數(shù)據(jù)幀如圖6所示，‘N’和‘F’分別作為數(shù)據(jù)幀的頭和尾，在接收模塊中判斷數(shù)據(jù)是否傳輸準(zhǔn)確，第二位為控制指令類型，對(duì)應(yīng)于各個(gè)模塊的控制，解碼后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)模塊控制字刷新使能信號(hào)，將第三位和第四位作為控制字寫(xiě)入對(duì)應(yīng)模塊。各模塊根據(jù)收到的使能信號(hào)及控制字完成相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)本系統(tǒng)的控制?？刂浦噶铑愋腿绫?所示。

圖6 串口通信數(shù)據(jù)格式

2.5 Cameralink接口

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的可靠、快速、大容量傳輸，本系統(tǒng)采用了Cameralink接口的base模式作為圖像傳輸接口。此接口包含基于DS90CR285的硬件轉(zhuǎn)接口和基于FPGA的頻率轉(zhuǎn)化及相應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)的接口控制模塊兩個(gè)部分。由于CCD最大頻率為20 MHz，而Cameralink可工作在75 MHz，故在接口控制模塊中設(shè)計(jì)一個(gè)雙端RAM，以此作為圖像數(shù)據(jù)在不同頻率下的轉(zhuǎn)化單元。同時(shí)，接口控制模塊還對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號(hào)、行有效信號(hào)、幀有效信號(hào)3個(gè)圖像同步信號(hào)及傳輸時(shí)鐘。然后，硬件轉(zhuǎn)接口將24位圖像數(shù)據(jù)及相應(yīng)的4位圖像同步使能信號(hào)(3位圖像同步信號(hào)與1位自定義控制位，自定義控制位在本設(shè)計(jì)中未使用)通過(guò)DS90CR285轉(zhuǎn)化為4路LVDS傳輸，同時(shí)將傳輸時(shí)鐘也對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為1路LVDS傳輸。

表1 控制指令類型表

3 實(shí)驗(yàn)效果

相機(jī)測(cè)試平臺(tái)基于DALSA的X64-CL iPro圖像采集卡實(shí)現(xiàn)。相機(jī)的CCD工作在10 MHz工作頻率，Cameralink傳輸速度在40 MHz下，測(cè)試對(duì)象為華大作業(yè)紙，傳至上位機(jī)顯示得到的圖像如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在較高速度下能夠穩(wěn)定工作并得到可用的采樣圖像。

本系統(tǒng)利用FPGA和線陣CCD進(jìn)行圖像采集，主要介紹了各器件驅(qū)動(dòng)及接口模塊，實(shí)現(xiàn)了圖像的高速采集和穩(wěn)定傳輸，為后續(xù)處理單元提供可靠數(shù)字圖像。本系統(tǒng)在平場(chǎng)校正及 AWB(自動(dòng)白平衡)、AE(自動(dòng)曝光)等方面還可進(jìn)行深入研究和探索，使相機(jī)工作性能更加優(yōu)異。

圖7 實(shí)驗(yàn)效果圖

[1]李明偉，黃鴿，劉靜茹.一種高速線陣CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(8)：716-717.

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