張 力，張南洋生，曾延安，朱 兵，張 超

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器視覺智能前端的基礎(chǔ)，相對傳統(tǒng)的圖像采集處理系統(tǒng)具有體積小、功耗低、實時性好以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點，將其用于圖像采集、姿態(tài)定位、信息預(yù)處理等方面具有重要的意義。在當(dāng)前的嵌入式圖像采集系統(tǒng)中，常用的圖像傳感器主要有CMOS和CCD兩種類型，CMOS型圖像傳感器雖然功耗低，攝像系統(tǒng)尺寸小，但其圖像質(zhì)量和系統(tǒng)靈活性與CCD比相對較低，CCD動態(tài)范圍大，靈敏度高，環(huán)境適應(yīng)性好，更能滿足工業(yè)需求［1］。為滿足工業(yè)應(yīng)用對圖像采集設(shè)備高分辨率、高速以及低功耗等方面的要求，本文以O(shè)MAP3530嵌入式處理器為核心，設(shè)計了一種適用于工業(yè)機(jī)器視覺智能前端的CCD圖像采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為滿足工業(yè)機(jī)器視覺智能前端的兩用性，既可以單獨作為嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)使用，提供最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，也可以作為終端系統(tǒng)的智能前端，提供完善的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計圍繞圖像采集及處理模塊展開，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖像采集模塊由CCD圖像傳感器，A/D轉(zhuǎn)換電路，時序產(chǎn)生控制電路以及驅(qū)動電路組成。物體經(jīng)過鏡頭成像在 CCD上，CCD將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后根據(jù)驅(qū)動時序逐個像素輸出。CCD輸出的模擬信號由A/D進(jìn)行相關(guān)雙采樣、暗電平鉗位、增益放大和A/D轉(zhuǎn)換等處理后輸出給時序產(chǎn)生控制電路。最后，由時序控制電路產(chǎn)生同步信號，同A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號一起輸出給圖像處理及顯示部分。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

為提高成像質(zhì)量，選用ICX285AL CCD作為圖像傳感器，它具有像素尺寸大、光電轉(zhuǎn)換效率高、低噪聲等特性，滿足工業(yè)設(shè)計要求。

圖像處理模塊以O(shè)MAP3530處理器為核心。OMAP3530是一款基于ARM+DSP架構(gòu)的處理器，其中ARM核是采用了ARMv7架構(gòu)的Cortex－A8內(nèi)核，頻率最高可達(dá)720 MHz;該芯片同時集成了520 MHz的TMS320C64x+DSP、圖像引擎以及豐富的外設(shè)，因此能夠滿足高性能要求。

鏡頭、圖像采集模塊以及圖像處理模塊共同組成工業(yè)機(jī)器視覺智能前端，同時本系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，系統(tǒng)提供了一系列的擴(kuò)展接口，可滿足各種定制服務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以 OMAP3530處理器為硬件平臺［2］，由于以O(shè)MAP3530為核心的外圍電路設(shè)計較為成熟，因此選用集成了USB接口、網(wǎng)口、SD卡接口等外設(shè)的電路板為目標(biāo)嵌入式圖像處理硬件系統(tǒng)。

圖像采集模塊是本文硬件設(shè)計的重點，主要包括CCD時序產(chǎn)生和控制電路、CCD信號驅(qū)動電路、CCD輸出信號數(shù)字化處理以及電源電路。

2.1 CCD時序產(chǎn)生

CCD驅(qū)動時序是一組具有特定電平電壓的、周期性的、關(guān)系比較復(fù)雜的時序脈沖信號，它主要控制CCD電荷信號的轉(zhuǎn)移和讀出，直接影響CCD的轉(zhuǎn)換效率、讀出速率以及信噪比等重要參數(shù)，因此，設(shè)計穩(wěn)定精確的時序產(chǎn)生電路尤為重要。

ICX285AL是行間轉(zhuǎn)移型CCD，需要5路垂直驅(qū)動信號、2路水平驅(qū)動信號、復(fù)位信號以及曝光控制信號等，時序設(shè)計復(fù)雜，因此選用可編程邏輯器件CPLD驅(qū)動，這樣的設(shè)計提高了設(shè)計的靈活性，調(diào)試簡易，并且節(jié)約成本。

2.2 CCD信號驅(qū)動電路

CPLD產(chǎn)生的時序信號需要經(jīng)過驅(qū)動電路才能作用于CCD芯片，驅(qū)動電路的作用就是改變信號幅值，增強(qiáng)信號功率。

ICX285AL垂直信號驅(qū)動采用專用的驅(qū)動芯片CXD3400N，它可以對垂直時序信號 VΦ1、VΦ2A、VΦ2B、VΦ3、VΦ4和快門控制信號ΦSUB進(jìn)行驅(qū)動。電路連接圖如圖2所示。

圖2 CXD3400N與ICX285AL連接原理圖

對于水平寄存器讀出信號HΦ1、HΦ2和復(fù)位信號ΦRG，要求驅(qū)動器具有較大的驅(qū)動電流，此外，芯片手冊中要求HΦ1、HΦ2的典型值為5 V，ΦRG的典型值為3.3 V，而CPLD輸出電壓為3.3 V，因此驅(qū)動HΦ1、HΦ2需要進(jìn)行電壓變換。本設(shè)計選用專用的CCD時鐘驅(qū)動芯片EL7155作為水平寄存器讀出信號HΦ1、HΦ2和復(fù)位信號ΦRG的驅(qū)動器件。EL7155不僅可以提高信號的功率，還可以進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。EL7155外圍電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 EL7155外圍電路

2.3 CCD輸出信號數(shù)字化處理

CCD信號處理流程如圖4所示。

圖4 CCD信號處理流程

本文采用CCD視頻信號處理芯片AD9945進(jìn)行相關(guān)的信號處理，其噪聲小，精度高，適合工業(yè)應(yīng)用。AD9945的時序信號和設(shè)置信號由CPLD提供。AD9945完成對CCD信號的相關(guān)雙采樣、增益放大以及A/D轉(zhuǎn)換，它是整個圖像采集模塊的重要組成部分，其性能直接影響最終的圖像質(zhì)量。AD9945的外圍電路連接如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序的設(shè)計包括圖像傳感器的驅(qū)動，OMAP3530端V4L2驅(qū)動以及 OMAP3530圖像采集驅(qū)動。通過修改OMAP3530EVM板提供的驅(qū)動以滿足需要，需要修改的地方集中在2個方面:一是結(jié)合需要對V4L2部分的修改，引入自定義的圖像數(shù)據(jù)格式;二是對圖像數(shù)據(jù)處理通路的修改。

Linux視頻驅(qū)動遵循V4L2標(biāo)準(zhǔn)，為上層應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口［3］。V4L2驅(qū)動框架提供了良好的數(shù)據(jù)時序及內(nèi)存管理功能，為驅(qū)動開發(fā)提供了統(tǒng)一接口，擴(kuò)展性好。

CCD信號采集板的輸出信號為12位灰度圖像數(shù)據(jù)，不同于標(biāo)準(zhǔn)的圖像格式，因此在V4L2的驅(qū)動中有必要為其規(guī)定名稱及設(shè)定顏色空間。V4L2中圖像數(shù)據(jù)格式的定義可以在＜linux/videodev2.h＞中根據(jù)需要任意添加，但是在驅(qū)動程序和應(yīng)用程序中新定義的圖像格式和顏色空間內(nèi)容應(yīng)保持一致。為CCD信號采集板定義的圖像數(shù)據(jù)格式如下:#define V4L2_PIX_FMT_MONO12 v4l2_fourcc(’M’，’N’，’1’，’2’)。定義這樣的格式只是為了不與其他的已有數(shù)據(jù)格式混淆，處理數(shù)據(jù)的時候仍需配置相應(yīng)的寄存器，指明數(shù)據(jù)通路。同樣地，在enum v4l2_colorspace中添加 V4L2_COLORSPACE_MON12=9，為CCD圖像傳感器規(guī)定新的顏色空間。

另一方面，對應(yīng)不同的圖像采集模塊，輸出信號的圖像數(shù)據(jù)格式不盡相同(單個像素所占字節(jié)數(shù)、有效圖像數(shù)據(jù)所占數(shù)據(jù)位等)，對圖像數(shù)據(jù)的處理方式也各不相同，因此需要修改數(shù)據(jù)通路。首先修改＜include/media/v4l2－int－device.h＞，仿照 enum v4l2_if_type_bt656_mode和struct v4l2_if_type_bt656添加enum v4l2_if_type_raw_mode和struct v4l2_if_type_raw，指定圖像數(shù)據(jù)的場同步信號極性以及數(shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)模式在v4l2_if_type_raw_mode中添加，包括V4L2_IF_TYPE_RAW_12BIT等模式。

驅(qū)動程序的設(shè)計一方面完成了寄存器的配置、數(shù)據(jù)通路的選擇，另一方面為應(yīng)用程序功能實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序設(shè)計主要包括3個模塊:基于V4L2框架的圖像采集標(biāo)準(zhǔn)流程;圖像顯示;人機(jī)交互界面及控制功能。其中基于V4L2框架的圖像采集標(biāo)準(zhǔn)流程為最重要的部分，圖像顯示與人機(jī)交互界面為該智能前端的拓展應(yīng)用之一。下面詳細(xì)介紹基于V4L2框架的圖像采集模塊設(shè)計。

由于設(shè)計的圖像傳感器驅(qū)動是在V4L2框架下實現(xiàn)的，因此圖像采集部分的應(yīng)用程序也遵循V4L2框架。V4L2程序流程圖如圖6所示。

圖6 V4L2應(yīng)用程序流程圖

V4L2的應(yīng)用程序框架較為簡單且相對穩(wěn)定，采用流水線方式，具體操作通過ioctl實現(xiàn)，主要包括:打開設(shè)備、查詢設(shè)備屬性、獲取設(shè)備有效輸入、設(shè)置視頻格式和幀格式、向驅(qū)動申請幀緩沖、將申請到的幀緩沖入隊以存放數(shù)據(jù)，以上工作結(jié)束后開始采集視頻，然后循環(huán)將幀緩沖出隊取得數(shù)據(jù)并將幀緩沖重新入隊，最后停止視頻采集關(guān)閉設(shè)備。

應(yīng)用程序的設(shè)計圍繞數(shù)據(jù)源采集處理展開，提供了工業(yè)機(jī)器視覺智能前端圖像采集系統(tǒng)的框架，根據(jù)需求，機(jī)器視覺圖像算法可以方便地嵌入到該框架中。

4 系統(tǒng)測試

本文用CCD圖像采集電路和OMAP3530開發(fā)板搭建了一套實驗測試系統(tǒng)，驗證系統(tǒng)方案設(shè)計的可行性，系統(tǒng)實物圖如圖7所示。

系統(tǒng)工作時，ICX285AL CCD圖像采集模塊采集到的圖像數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)接板傳送到OMAP3530處理器，系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)采集處理后將其實時顯示到LCD觸摸屏上。用戶通過觸摸屏控制圖像的采集、停止、拍照等，需要保存的圖像數(shù)據(jù)存儲在SD卡中。圖像顯示使用幀緩沖設(shè)備，通過幀緩沖設(shè)備可以將顯示器作為圖形設(shè)備來使用，可以設(shè)置其分辨率、顏色深度等屬性，修改其任意地方像素點的值。人機(jī)交互界面及控制功能使用Qt工具進(jìn)行開發(fā)，本文由Qt開發(fā)的人機(jī)交互界面友好，穩(wěn)定性高。軟件功能可以根據(jù)工業(yè)需求擴(kuò)展。圖像實時顯示效果如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)實物圖

圖8 圖像顯示效果圖

實驗結(jié)果表明圖像數(shù)據(jù)從采集到接收未丟失，所拍攝的圖像能實時完整顯示。整套系統(tǒng)功耗低，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，實時性好，穩(wěn)定性高。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套高效的工業(yè)機(jī)器視覺智能前端圖像采集系統(tǒng)，一方面可以單獨作為嵌入式圖像采集系統(tǒng)，另一方面可以作為具有一定預(yù)處理功能的前端設(shè)備。硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功耗低，具有良好的擴(kuò)展性;軟件系統(tǒng)實時高效，在構(gòu)建的框架下可較好地嵌入各種機(jī)器視覺算法。總之，本系統(tǒng)符合工業(yè)機(jī)器視覺智能前端的特性要求，具有很大的研究和實用價值。此外，本文工作也可應(yīng)用于其他CCD、CMOS圖像傳感器、OMAP處理器等，應(yīng)用前景廣泛。

［1］佟雨兵，常青，張其善.嵌入式CCD視頻圖像采集系統(tǒng).光電工程，2004(B12):133－136.

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［3］SCHIMEK M H.Video for Linux two API specification(Revision 0.24)，http://v4l2spec.bytesex.org/spec － single/v4l2.html.

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