一種光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種圖像傳感器多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置及方法，光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置包括有CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸入端與CMOS圖像傳感器的信號(hào)輸出端連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸出端與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸入端連接，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸出端連接到DSP的SRAM接口。本發(fā)明通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA高速采集圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)圖像傳感器移動(dòng)速度非?？斓那闆r下，能夠清晰的拍攝到光柵編碼，使后期的圖像處理的難度大大降低。本發(fā)明針對(duì)絕對(duì)式光柵尺對(duì)圖像傳感器的多窗驅(qū)動(dòng)；通過(guò)減少無(wú)作用像素點(diǎn)來(lái)提高拍攝速度的方法；通過(guò)窗口位置的放置以更少像素點(diǎn)獲得更長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度。
【專利說(shuō)明】一種光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于圖像處理的光柵尺測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及圖像傳感器多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置及方法，屬于圖像傳感器多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置及方法的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，光柵尺的原理基本都是基于光柵尺干涉或衍射產(chǎn)生的莫爾條紋進(jìn)行測(cè)量。這種設(shè)計(jì)方法發(fā)展至今，盡管已相當(dāng)成熟，但仍存在許多不足，比如原理比較繁雜，電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，要求也比較高。
[0003]在這個(gè)背景下，基于圖像處理的光柵尺應(yīng)運(yùn)而生。而目前市場(chǎng)上基于圖像處理的光柵尺并不能做到在移動(dòng)速度非?？斓那闆r下，保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性。原因是圖像的抓取速度不夠快，而且整輻圖片的抓取造成大量像素點(diǎn)曝光及傳輸時(shí)間的浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種圖像傳感器多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置。本發(fā)明當(dāng)圖像傳感器移動(dòng)速度非?？斓那闆r下，能夠清晰的拍攝到光柵編碼，使后期的圖像處理的難度大大降低。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種像傳感器多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集方法。本發(fā)明的方法方便實(shí)用。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明是光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置，包括有CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸入端與CMOS圖像傳感器的信號(hào)輸出端連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸出端與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸入端連接，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸出端連接到DSP的SRAM接口。
[0007]上述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA包括有圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像傳感器寄存器配置模塊、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊，其中圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像傳感器寄存器配置模塊、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊這三個(gè)模塊的關(guān)系是時(shí)間先后的關(guān)系。首先使用圖像傳感器寄存器配置模塊配置圖像傳感器，使之按照我們的要求進(jìn)行工作，然后使用圖像數(shù)據(jù)采集模塊采集圖像傳感器抓拍到的圖像信號(hào)，最后使用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊將采集到的圖像信號(hào)存入SRAM中，以便后期處理。
[0008]本發(fā)明光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集的方法，包括有如下步驟:
I)使用SCCB協(xié)議將圖像傳感器配置成多窗且窗口排成斜線的工作狀態(tài)。
[0009]2)根據(jù)圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出協(xié)議采集圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)。
[0010]3)根據(jù)SRAM的輸入輸出協(xié)議將采集到的圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中存儲(chǔ)，再?gòu)钠渥x出傳輸給DSP以作后期處理。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn): I)本發(fā)明高速掃描及采集方法包括針對(duì)絕對(duì)式光柵尺對(duì)圖像傳感器的多窗驅(qū)動(dòng)；通過(guò)減少無(wú)作用像素點(diǎn)來(lái)提高拍攝速度的方法；通過(guò)窗口位置的放置以更少像素點(diǎn)獲得更長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度；通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA高速采集圖像數(shù)據(jù)的方法。
[0012]2)本發(fā)明對(duì)圖像傳感器的多窗驅(qū)動(dòng)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA驅(qū)動(dòng)圖像傳感器并對(duì)之寄存器的配置，使之可以開多個(gè)窗拍攝光柵編碼。
[0013]3)本發(fā)明通過(guò)減少無(wú)作用像素點(diǎn)來(lái)提高拍攝速度的方法，是通過(guò)所述多窗驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)減少在圖像處理中作用不大的像素點(diǎn)以達(dá)到更高的幀速，做到在光柵尺的測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)性更高。
[0014]4)本發(fā)明通過(guò)窗口位置的放置以更少像素點(diǎn)獲得更長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度，是基于所述多窗口驅(qū)動(dòng)，通過(guò)斜掃描或者是拋物線掃描的方法代替直線掃描，做到以更少的像素點(diǎn)獲得更好的圖像處理效果。
[0015]5)本發(fā)明通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA高速采集圖像數(shù)據(jù)的方法，是通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA根據(jù)圖像傳感器的數(shù)據(jù)輸出時(shí)序搭建一個(gè)采集電路，可以做到不漏數(shù)據(jù)且可靠度更好的采集到圖像傳感器傳出的光柵編碼的數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明能夠?qū)⑵毓庖粠瑘D片的速度及采集一幀圖片的速度提升到非?？臁１景l(fā)明不僅適用于光柵尺，且本發(fā)明架構(gòu)結(jié)構(gòu)靈活，適用于模塊化設(shè)計(jì)，從而減少產(chǎn)品的開發(fā)周期。另外，本發(fā)明開發(fā)周期短，特別適合于高速實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置的原理圖；
圖2為FPGA內(nèi)部模塊示意圖；
圖3為光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集方法的流程圖；
圖4為光柵編碼上的多窗示意圖；
圖5為斜掃描示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明是光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置，包括有CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸入端與CMOS圖像傳感器的信號(hào)輸出端連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸出端與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸入端連接，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸出端連接至Ij DSP 的 SRAM 接 口。
[0019]上述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA包括有圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像傳感器寄存器配置模塊、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊，其中圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像傳感器寄存器配置模塊、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊這三個(gè)模塊的關(guān)系是時(shí)間先后的關(guān)系。首先使用圖像傳感器寄存器配置模塊配置圖像傳感器，使之按照我們的要求進(jìn)行工作，然后使用圖像數(shù)據(jù)采集模塊采集圖像傳感器抓拍到的圖像信號(hào)，最后使用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊將采集到的圖像信號(hào)存入SRAM中，以便后期處理。
[0020]本發(fā)明光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集的方法，包括有如下步驟:
I)使用SCCB協(xié)議將圖像傳感器配置成多窗且窗口排成斜線的工作狀態(tài)。[0021]2)根據(jù)圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出協(xié)議采集圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)。
[0022]3)根據(jù)SRAM的輸入輸出協(xié)議將采集到的圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中存儲(chǔ)，再?gòu)钠渥x出傳輸給DSP以作后期處理。
[0023]光柵編碼的高速采集與高速傳輸?shù)木唧w實(shí)施方法如下:
首先需要對(duì)圖像傳感器的寄存器進(jìn)行配置，而配置其寄存器就必須先根據(jù)圖像傳感器廠商設(shè)計(jì)的通信協(xié)議。使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA搭建出可以與圖像傳感器通信的電路，對(duì)其寄存器進(jìn)行配置。
[0024]對(duì)其配置的速度并不要求很快，普通的MCU都可以做到，但由于高速圖像數(shù)據(jù)的采集要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA進(jìn)行采集，所以對(duì)其配置也由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA完成。
[0025]使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA建立與圖像傳感器的SCCB協(xié)議的通信如下:
設(shè)置兩個(gè)輸出口，S10_c與S10_D，分別為SCCB通信協(xié)議的時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線。
[0026]將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，使S10_C時(shí)鐘線以100K — 400K的頻率進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，官方建議使用100K的頻率。
[0027]發(fā)送起始信號(hào):在S10_C處于高電平期間，將S10_D線拉低，通信開始。
[0028]首先寫入設(shè)備地址，即圖像傳感器的地址。
[0029]在S10_C處于低電平期間，改變S10_D的電平，即可將數(shù)據(jù)寫進(jìn)去。協(xié)議規(guī)定從高位開始傳。
[0030]將八位地址寫完后，將S10_D設(shè)置為輸入口，后一個(gè)時(shí)鐘，圖像傳感器會(huì)返回一個(gè)應(yīng)答位，自動(dòng)將S10_D拉低，確認(rèn)已收到八位設(shè)置地址位。
[0031]收完應(yīng)答位并開始發(fā)八位寄存器地址，然后接收一位應(yīng)答位。
[0032]發(fā)送十六位要寫入寄存器的值，每發(fā)送八位圖像傳感器自動(dòng)返回一個(gè)應(yīng)答位。
[0033]發(fā)送一個(gè)結(jié)束信號(hào):在S10_C為高電平期間，將S10_D線由低拉高，結(jié)束一次通信。
[0034]通過(guò)以上時(shí)序就可穩(wěn)定配置圖像傳感器的寄存器了。
[0035]將地址與要寫入的值分時(shí)賦給一個(gè)寄存器變量，用一個(gè)狀態(tài)機(jī)以以上協(xié)議分時(shí)將這些寄存器地址與值寫入圖像傳感器中。
[0036]將圖像傳感器設(shè)置為開窗模式，而不是整幅圖片的抓取。而開多個(gè)窗才能實(shí)現(xiàn)斜掃描及拋物線掃描，
配置圖像傳感器 x0_start [m:O], x0_end[m:0], y0_start[n:0], y0_end[n:0]四個(gè)寄存器的值即可定出第一個(gè)窗的區(qū)域。再設(shè)置xl_start[m:0],xl_end[m:0],yl_start[n:0],yl_end[n:0]定出第二個(gè)窗，以此類推。
[0037]將這些窗排成一條斜線，可實(shí)現(xiàn)斜掃描的作用。要將速度提升到滿足光柵尺的實(shí)時(shí)性要求，這些窗的面積足夠解碼出光柵編碼即可，曝光的像素點(diǎn)越少，抓取每一張圖片的時(shí)間越少，且傳輸?shù)臅r(shí)間 越少。
[0038]將圖像傳感器設(shè)置為黑白模式。
[0039]以上配置無(wú)先后之分。正確配置圖像傳感器后，圖像傳感器將以非?？斓乃俣韧廨敵鰣D像數(shù)據(jù)。
[0040]用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA采集這種高速數(shù)據(jù)比較適合。這里使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA采集不需要使用FIFO進(jìn)行緩存，直接采集數(shù)據(jù)，在采集數(shù)據(jù)上做到?jīng)]有對(duì)時(shí)間的拖延，給后期圖像處理留有足夠的時(shí)間裕量，保證每采集完一幀圖片就可以處理完一幀圖片，這對(duì)光柵尺的實(shí)時(shí)性起到非常重要的作用。
[0041]用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA新建一個(gè)采集模塊，根據(jù)LVDS串行輸出或CMOS并行輸出時(shí)序，將數(shù)據(jù)采集進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)。
[0042]這里以CMOS并行輸出為例進(jìn)行說(shuō)明:
CMOS并行輸出有幀同步線，行同步線，輸出時(shí)鐘及數(shù)據(jù)線10根，當(dāng)幀同步線為低電平，一段時(shí)間后跳變?yōu)楦唠娖?，表示一幀圖片的開始。行同步線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)有效，為低電平時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)效，行同步線上升沿為一行圖片開始。在幀同步和行同步同時(shí)有效時(shí)，輸出時(shí)鐘線每一個(gè)上升沿代表一個(gè)有效數(shù)據(jù)。
[0043]在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)部將幀同步信號(hào)線存儲(chǔ)一個(gè)時(shí)鐘，用后一個(gè)時(shí)鐘的幀同步電平‘與’前一個(gè)時(shí)鐘的幀同步電平的非，若結(jié)果為1，則幀同步下降沿到來(lái)，在此后接收到的數(shù)據(jù)為一幀圖片的開始。
[0044]在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)部將行同步信號(hào)線存儲(chǔ)一個(gè)時(shí)鐘，用前一個(gè)時(shí)鐘的行同步電平‘與’后一個(gè)時(shí)鐘的行同步電平的非，若結(jié)果為1，
則行同步上升沿到來(lái)，在此后接收到的數(shù)據(jù)為圖片一行的開始。
[0045]檢測(cè)幀同步信號(hào)為高電平，且行同步信號(hào)為高電平時(shí)，每一個(gè)圖像傳感器輸出時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)讀入現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)。
[0046]在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)寫一個(gè)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制器，將存儲(chǔ)地址及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)輸出到靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的地址引腳與數(shù)據(jù)引腳上，將寫使能信號(hào)WE拉低一段時(shí)間后再拉高即可將數(shù)據(jù)寫入靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM中。
[0047]每采集到一個(gè)圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)啟動(dòng)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM寫信號(hào)將采集到的數(shù)據(jù)寫與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM中存儲(chǔ)，以便現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA做圖像的預(yù)處理和后期的數(shù)據(jù)傳輸及圖像處理。
[0048]本發(fā)明與其他現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于:
本發(fā)明能夠?qū)⑵毓庖粠瑘D片的速度及采集一幀圖片的速度提升到非常快。本發(fā)明針對(duì)光柵尺，但不僅適用于光柵尺。本發(fā)明架構(gòu)結(jié)構(gòu)靈活，適用于模塊化設(shè)計(jì)，從而減少產(chǎn)品的開發(fā)周期。而且其本身的開發(fā)周期短，特別適合于高速實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。
[0049]圖4斜開窗后攝像頭拍攝到的光柵尺的示意圖，圖中一共開了 7個(gè)窗，每個(gè)窗的面積相同，這樣能夠檢測(cè)到的光柵長(zhǎng)度為第I個(gè)窗口的開始到第7個(gè)窗口的結(jié)束。圖中黑色部分為圖像傳感器除窗口以外屏蔽的部份，即圖像傳感器不采集圖像的部分。由此減少了數(shù)據(jù)的采集量與傳輸量。
[0050]圖5斜掃描示意圖，圖中a和b為直角三角形的直角邊，c為該直角三角形的斜邊，則c>a，c>b，將a，b視為圖像傳感器所能拍攝的矩形的兩條邊長(zhǎng)，如圖四將窗口排列成斜線時(shí)，可作為圖像處理的有效長(zhǎng)度將大于直接使用橫線掃描。
[0051]對(duì)于以上的說(shuō)明、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)行行的人員應(yīng)該知道，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，說(shuō)明書及實(shí)施的描述只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離發(fā)明精神及范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化及升級(jí)，這些變化和升級(jí)都落入要求保護(hù)本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置，其特征在于包括有CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸入端與CMOS圖像傳感器的信號(hào)輸出端連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的信號(hào)輸出端與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸入端連接，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM的信號(hào)輸出端連接到DSP的SRAM接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集裝置，其特征在于上述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA包括有圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像傳感器寄存器配置模塊、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊，其中圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像傳感器寄存器配置模塊、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊這三個(gè)模塊的關(guān)系是時(shí)間先后的關(guān)系；首先使用圖像傳感器寄存器配置模塊配置圖像傳感器，使之按照我們的要求進(jìn)行工作，然后使用圖像數(shù)據(jù)采集模塊采集圖像傳感器抓拍到的圖像信號(hào)，最后使用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM控制模塊將采集到的圖像信號(hào)存入SRAM中，以便后期處理。
3.一種光柵尺的多窗圖像數(shù)據(jù)高速掃描及采集的方法，其特征在于包括有如下步驟: 1)使用SCCB協(xié)議將圖像傳感器配置成多窗且窗口排成斜線的工作狀態(tài)； 2)根據(jù)圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出協(xié)議采集圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)； 3)根據(jù)SRAM的輸入輸出協(xié)議將采集到的圖像數(shù)據(jù)寫入SRAM中存儲(chǔ)，再?gòu)钠渥x出傳輸給DSP以作后期處理。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103647912SQ201310691827
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】陳新, 范朝龍, 陳新度, 王晗, 劉強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)