崔榮麗，王連明

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024)

基于CCD的實時成像與微小尺寸測量系統(tǒng)的設(shè)計

崔榮麗，王連明

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024)

設(shè)計了一種基于CCD的實時成像與微小尺寸測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由CCD攝像頭、視頻解碼芯片、FPGA、USB芯片和上位機組成.用FPGA控制視頻解碼芯片獲取CCD攝像頭采集的光學(xué)信號，通過USB傳給上位機，利用多線程技術(shù)實現(xiàn)控制命令的發(fā)送、圖像數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示，以及微小尺寸的測量.結(jié)果表明：經(jīng)過多次測量實驗得到系統(tǒng)誤差不超過3 μm，滿足測量精度要求；通過選用不同分辨率的CCD，可以實現(xiàn)不同精度的微小尺寸測量.此外還對雙棱鏡干涉實驗所形成的干涉條紋間距進行了測量，驗證了系統(tǒng)的功能.

CCD；FPGA；TVP5150；USB；實時成像； 微小尺寸測量

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的需求變化，零件生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品測量方面提出了更高的要求.傳統(tǒng)的測量中，大多測量人員是通過調(diào)節(jié)測微目鏡，利用人眼判讀干涉條紋間距，這種測量方法不僅效率低、費時、受人為因素影響大，且在低照度環(huán)境下測量，對人眼傷害極大，如全息干涉法[1-2]、散斑剪切干涉法[3]等.文獻[4]基于圖像處理的方法對精密零件尺寸的檢測進行了研究，檢測精度達到了0.1 μm，可以滿足檢測要求，但是計算速度相對比較慢；文獻[5]設(shè)計了基于機器視覺的螺紋參數(shù)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單，但是檢測精度不高；文獻[6]展開了對銜鐵零件相關(guān)參數(shù)的尺寸檢測研究，并取得了一定的成果，但是由于邊緣檢測和尺寸計算算法不是很完美，系統(tǒng)運行的速度不高.

為了滿足在低光照環(huán)境下進行實時成像采集的要求，本文采用具有集成度高、體積小、功耗低、分辨率高、可靠性高、圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好、照度低等優(yōu)點[7]的CCD(Charge-coupled Device)攝像機，設(shè)計了一種實時成像與微小尺寸測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實時成像、非接觸測量、測量范圍廣、測量精度高等優(yōu)點，可以廣泛地應(yīng)用于多種微小尺寸的精密測量場合，如生絲細度的測量[8]、零件尺寸的測量[9]、鋼板幾何尺寸的測量[10]、干涉條紋間距的測量[11]等，具有很高的應(yīng)用價值.

1 系統(tǒng)框架與硬件結(jié)構(gòu)

實時成像與微小尺寸測量系統(tǒng)主要由CCD攝像頭、視頻解碼芯片、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、USB(Universal Serial Bus)芯片和上位機軟件等5部分組成，如圖1所示.其中FPGA通過I2C總線(scl時鐘線，sda數(shù)據(jù)線)進行TVP5150芯片的配置，上位機通過USB向FPGA發(fā)送控制命令.光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的光學(xué)信號由于光強分布的不同，在CCD上呈現(xiàn)一幅與入射光強分布成正比的圖像，信號經(jīng)過視頻解碼芯片TVP5150解碼后，以SCLK設(shè)定的頻率將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)進行處理后通過USB將處理后的CCD圖像數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C.

系統(tǒng)整體工作分為控制命令發(fā)送過程、成像數(shù)據(jù)采集過程和測量過程.控制命令發(fā)送過程：用戶通過上位機軟件將采集圖像數(shù)量和類別的控制命令通過USB發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA接收并保存控制命令.然后，通過點擊上位機的“開始預(yù)覽”按鈕啟動成像數(shù)據(jù)采集過程；FPGA將控制命令處理后的圖像數(shù)據(jù)通過USB發(fā)送給上位機，上位機實時處理接收到的數(shù)據(jù)并顯示，將其保存為BMP圖像；將存儲的圖像顯示在圖像顯示區(qū)，用戶任意選取圖像上的兩點，系統(tǒng)會根據(jù)該位置的坐標(biāo)和CCD水平、垂直方向上的標(biāo)定系數(shù)分別計算出兩點在水平、垂直方向上距離.

圖1 系統(tǒng)框架與硬件連接框圖

本文系統(tǒng)的攝像頭由0.85 cm的PAL制式CCD圖像傳感器芯片ICX673AK組成，其有效像素為976像素×582像素，具有照度低、靈敏度高、信號飽和度高、分辨率高、反曝光好等優(yōu)點.[12-13]

視頻解碼芯片選用TI公司的TVP5150芯片，該芯片擁有8位數(shù)據(jù)總線，分別為8位4∶2∶2格式和8位4∶2∶2 ITU-R BT.656(同步嵌入數(shù)據(jù)頭)輸出格式，具有13.5和27 MHz頻率數(shù)據(jù)輸出.它將CCD攝像頭輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳給主控制器FPGA進行處理，支持PAL、NTSC、SECAM 3種格式的模擬信號解碼，具有操作簡易、功耗超低、封裝尺寸小的特點.[14-15]這些特點滿足了系統(tǒng)低功耗、小型化和集成化的要求.

為了實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸，采用USB接口進行上位機和下位機的數(shù)據(jù)傳輸.系統(tǒng)選用Cypress公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013A芯片作為FPGA與上位機的接口芯片.該芯片有端口、GPIF和SLAVE FIFO接口方式，最高數(shù)據(jù)傳輸率可以達到480 MB/s，完全滿足視頻采集的速度要求.[16-18]系統(tǒng)設(shè)置USB在同步SLAVE FIFO模式下工作.

FPGA是下位機的控制核心，主要通過I2C總線配置TVP5150、視頻數(shù)據(jù)采集與處理、讀寫USB 3種功能實現(xiàn).

2 下位機功能實現(xiàn)

2.1 TVP5150模塊的配置

TVP5150的配置是通過I2C(芯片間總線)接口實現(xiàn)的.I2C總線采用兩線制，由一根數(shù)據(jù)線sda和一根時鐘線scl實現(xiàn)全雙工同步的數(shù)據(jù)傳輸.數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線sda發(fā)送，sda數(shù)據(jù)線上的值在scl時鐘線為低電平時改變，在scl時鐘線為高電平時保持不變.本文實現(xiàn)了I2C控制器的構(gòu)建，并通過I2C總線實現(xiàn)FPGA對 TVP5150的相關(guān)寄存器進行配置.具體步驟：(1)主機發(fā)送I2C的開始信號；(2)主機發(fā)送芯片地址0xBA；(3)從機應(yīng)答；(4)主機發(fā)送TVP5150內(nèi)部寄存器地址0x03；(5)從機應(yīng)答；(6)主機向TVP5150內(nèi)部0x03寄存器寫0x09；(7)從機應(yīng)答；(8)主機I2C發(fā)送停止信號.

用Signal Tap Ⅱ抓取的FPGA配置TVP5150的I2C時序圖如圖2所示.配置完成后，數(shù)據(jù)以27 MHz 頻率按符合ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)8位4∶2∶2 YCbCr格式[18]串行輸出，且同步信號內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中.同時，F(xiàn)PGA以27 MB/s的速度采集視頻數(shù)據(jù).

圖2 FPGA配置TVP5150 的I2C時序圖

2.2 視頻數(shù)據(jù)采集與處理模塊實現(xiàn)

根據(jù)上位機的控制命令和視頻數(shù)據(jù)的輸出格式，F(xiàn)PGA對視頻數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和選擇性處理.視頻轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方式：采用一個16位的寄存器data_8_16，連續(xù)2次讀取視頻數(shù)據(jù)并輸入引腳data_out_5150[7∶0]的值，將得到的數(shù)據(jù)分別輸入到寄存器data_8_16的低8位和高8位上，并將寄存器data_8_16的值賦給FPGA的視頻數(shù)據(jù)輸出引腳data_inout[15∶0]，最后數(shù)據(jù)經(jīng)過USB傳送到上位機.根據(jù)功能要求，系統(tǒng)可選擇顯示和保存彩色、灰度或者黑白圖像.為了節(jié)約資源，提高傳輸效率，F(xiàn)PGA會根據(jù)控制命令選擇性的發(fā)送視頻數(shù)據(jù).若控制命令為顯示和保存彩色圖像，則直接通過USB發(fā)送給上位機；若控制命令為顯示和保存灰度或黑白圖像，則經(jīng)轉(zhuǎn)換后視頻數(shù)據(jù)進行選擇處理，即不發(fā)送Cb和Cr數(shù)據(jù)，而只將Y數(shù)據(jù)上傳.

2.3 讀寫USB模塊實現(xiàn)

FPGA通過狀態(tài)機和輔助使能信號完成USB的讀寫工作.FPGA 讀寫USB的狀態(tài)圖如圖3所示.系統(tǒng)通過設(shè)置寄存器rd_or_wr_en來控制讀寫USB，若寄存器rd_or_wr_en為“0”，表示使能FPGA讀取USB FIFO內(nèi)來自上位機的數(shù)據(jù)，具體過程由State1至State4完成；反之，表示使能FPGA向USB FIFO中寫入需要上位機接收的數(shù)據(jù)，具體過程由State5至State8完成.

圖3 FPGA讀寫USB狀態(tài)圖

系統(tǒng)復(fù)位后，程序?qū)⒓拇嫫鱮d_or_wr_en 賦值為“0”，進入狀態(tài)Idle并啟動讀事件.在State1下，F(xiàn)PGA將輸出引腳u_addr0，u_addr1均賦值為“0”，使FIFOADR[1∶0]指向USB的FIFO輸出緩沖區(qū)，然后進入State2.在State2下，將輸出引腳u_sloe賦值為“0”，使SLOE有效并通過檢測引腳u_flagc的值來判斷USB的FIFO輸出緩沖區(qū)是否為空(即EMPTY).若為“0”，則在State2等待，否則跳轉(zhuǎn)到State3.在State3下，將輸出引腳u_slrd賦值為“0”，使SLRD有效，持續(xù)一個IFCLK周期以遞增FIFO讀指針，讀取到上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)后進入狀態(tài)State4，判斷是否為控制命令數(shù)據(jù)，若是控制命令數(shù)據(jù)則將寄存器rd_or_wr_en賦值為“1”，然后進入狀態(tài)Idle并啟動寫事件，否則回到State2繼續(xù)讀取數(shù)據(jù).

啟動寫事件后程序跳轉(zhuǎn)到State5，在State5下，將u_addr0賦值為“0”，u_addr1賦值為“1”使FIFOADR[1∶0]指向USB的FIFO輸入緩沖區(qū)，然后跳轉(zhuǎn)到State6.在State6下，通過檢測引腳u_flagb的值判斷USB的FIFO輸入緩沖區(qū)是否為滿(FULL).若為“0”，則在該狀態(tài)等待，否則進入State7.在State7下，驅(qū)動數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上并將u_slwr賦值為“0”，使SLWR有效，持續(xù)一個IFCLK周期后進入State8.如果需要傳輸更多的數(shù)據(jù)，則進入State6，否則進入End.

3 上位機軟件設(shè)計

上位機是系統(tǒng)和用戶之間的橋梁，主要負責(zé)控制參數(shù)的配置、圖像采集的開始與結(jié)束、圖片的保存以及尺寸的測量.本文采用C++語言進行編寫上位機程序，使用Microsoft Visual C++作為軟件開發(fā)平臺，通過多線程調(diào)用的方式，實現(xiàn)了控制命令的發(fā)送、圖像數(shù)據(jù)的接收、圖像數(shù)據(jù)的處理和顯示以及微小尺寸測量.

在上位機軟件的設(shè)計中，共設(shè)置1個線程和3個輔助線程.1個主線程負責(zé)用戶界面，處于中樞地位，其生存周期是整個用戶程序的生存期.3個輔助線程的功能為：WriteThread線程負責(zé)配置數(shù)據(jù)的發(fā)送，ReadThread線程負責(zé)圖像數(shù)據(jù)的采集，DataThread線程負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和顯示.輔助線程是在主線程運行過程中產(chǎn)生的，它的生存期就是線程函數(shù)本身，函數(shù)一旦return，線程結(jié)束.主機通過在bOpenDriver函數(shù)中調(diào)用CreateFile函數(shù)獲得USB設(shè)備的控制句柄并打開USB設(shè)備，hDevice為得到的設(shè)備句柄，程序退出時，需要調(diào)用CloseHandle(hDevice)函數(shù)釋放USB設(shè)備句柄.得到的設(shè)備句柄后調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)實現(xiàn)對USB設(shè)備的讀寫數(shù)據(jù)操作.DataThread線程處理程序包括將YCbCr格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB格式，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)顯示在圖像顯示區(qū)，存儲為BMP圖像，自動計算閾值實現(xiàn)圖像二值化.尺寸測量是在實時數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，在存儲圖像路徑下，選取合適的圖像顯示在圖像顯示區(qū)，并在顯示區(qū)域中利用鼠標(biāo)先后按下兩點，進行間距測量.測量兩點間的水平所占像素數(shù)和垂直所占像素數(shù)，最后轉(zhuǎn)換成距離.

4 系統(tǒng)測試

4.1 速度測試

圖4 標(biāo)定圖測試結(jié)果

視頻解碼芯片輸出的一幀圖像大小為864像素×625像素，其中一個像素代表2個字節(jié)，一幀圖像的大小為1.08 MB， TVP5150的數(shù)據(jù)傳輸速率為27 MB/s.該系統(tǒng)將USB設(shè)置為高速傳輸模式，采用13.5 MHz外部時鐘，具有16位數(shù)據(jù)線.經(jīng)過測試，系統(tǒng)每秒鐘傳輸25幅圖像，滿足實時成像采集速度要求.

4.2 系統(tǒng)標(biāo)定

標(biāo)定是指使用標(biāo)準(zhǔn)的計量儀器確定其準(zhǔn)確度.本文選擇圖案尺寸6 mm×6 mm，方格尺寸0.25 mm 的棋盤格標(biāo)定校準(zhǔn)板進行系統(tǒng)標(biāo)定，計算得出水平方向標(biāo)定系數(shù)為6.55，垂直方向上標(biāo)定系數(shù)為6.10.標(biāo)定過程如圖4所示.經(jīng)過多次測量實驗，得出系統(tǒng)測量誤差小于3 μm.

4.3 功能驗證

為驗證系統(tǒng)功能，本文系統(tǒng)對雙棱鏡形成干涉圖像的條紋間距進行實時測量，系統(tǒng)采集到的干涉條紋的彩色、灰度和黑白圖像見圖5.

圖5 系統(tǒng)采集的彩色、灰度和黑白圖像

條紋間距測量方法：通過鼠標(biāo)選取圖像中水平方向比較清晰的2個條紋(選條紋中心)，并通過圖像處理方法計算水平方向上2個條紋之間的間距個數(shù)Nh以及Nh個條紋間距所占的總像素數(shù)Mh.已知CCD的水平方向的標(biāo)定系數(shù)Rh，根據(jù)

Sh=Rh*Mh

(1)

求出Nh個條紋間距對應(yīng)的實際距離Sh.根據(jù)

Lh=Sh/Nh

(2)

圖6 測試圖像

求出水平方向上的平均條紋間距Lh.

對干涉圖像進行條紋間距測量的實驗結(jié)果如圖6所示.通過圖像處理可獲得水平方向10個條紋間距，即Nh=10，所占像素數(shù)為377，即Mh=377.已知CCD的水平方向的標(biāo)定系數(shù)Rh為6.55，由公式(1)得出Sh=2 469.4 μm，由公式(2)得到Lh=246.9 μm.垂直方向的距離計算方法與水平方向的距離計算方法相同.

5 總結(jié)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于CCD的實時成像與微小尺寸測量系統(tǒng)，充分利用FPGA速度快、用戶定制電路配置靈活等優(yōu)勢，搭配USB的高速數(shù)據(jù)傳輸模式實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的實時成像采集，傳輸速度可以達到25幀/s.通過對YCbCr格式圖像進行處理，實現(xiàn)了灰度、彩色、黑白的選擇性顯示或存儲，增加了系統(tǒng)的靈活性.系統(tǒng)實現(xiàn)了低照度環(huán)境下的光學(xué)信號采集和實時成像，并且根據(jù)標(biāo)定得出的標(biāo)定系數(shù)和待測微小尺寸所占像素個數(shù)，計算出待測微小尺寸的距離.該系統(tǒng)具有采集速度快、測量精度高、測量范圍廣、成本低且實用性強的優(yōu)點，在光電測量領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景.

在系統(tǒng)測量微小距離過程，由于CCD成像畸變引起的系統(tǒng)誤差和手動選取測量點產(chǎn)生的人為誤差，使系統(tǒng)未能達到最佳精度.因此，使用圖像處理方法矯正畸變圖像，選取最優(yōu)測量范圍并實現(xiàn)自動測距來提高系統(tǒng)精度是下一步的研究工作.

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Designofreal-timeimagingandmicromagnitudemeasurementsystembasedonCCD

CUI Rong-li，WANG Lian-ming

(School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

A real-time imaging acquisition and micromagnitude measurement system based on CCD is proposed in this paper.The system is composed of a CCD camera，a video decoder chip，a FPGA，a USB chip and a host computer.FPGA first controls video decoder chip to obtain the optical signal acquired by the CCD camera，and then sends it to the host computer through USB interface.By using multithread technology，the host computer achieves the transmission of control commands，the processing and display of the image data and the measurement of microstructures.The results show that the system error is no more than 3 μm after repeated measuring experiments.Moreover，the system can achieve micromagnitude measurement with different accuracy by using different CCD.Finally，by measuring the distance between interference fringes formed by double-prism interference，the function of the system is testified.

CCD；FPGA；TVP5150；USB；real-time imaging；micromagnitude measurement

1000-1832(2017)04-0049-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.04.010

2016-05-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(21227008)；吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130102028JC).

崔榮麗(1990—)，女，碩士研究生；通信作者：王連明(1972—)，男，博士，教授，主要從事智能信息處理及嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域研究.

TP 274.2學(xué)科代碼510·40

A

(責(zé)任編輯：石紹慶)