專利名稱：高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于產品質量檢測和控制技術領域，特別涉及一種高速并行多路數(shù)字 圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)，尤其是一種適用于基于機器視覺的產品質量檢測 和控制領域的嵌入式系統(tǒng)的硬件電路結構。
背景技術：
高速數(shù)字圖像的采集和處理系統(tǒng)已經廣泛應用在各種基于機器視覺的產品 質量檢測和控制的相關技術中。它能夠極大的降低人工成本并提高生產效率。同 時，避免了人工質量檢測和控制過程中出現(xiàn)的主觀誤差和可能出現(xiàn)的工人人身安 全事故。而且，可以根據(jù)用戶的要求，通過修改圖像采集和處理軟件來實現(xiàn)對同 一類型，多種規(guī)格的產品質量進行檢測和控制。由于這種檢測系統(tǒng)采用的是數(shù)字 化的處理技術，可以方便的與基于計算機的或數(shù)字化的生產線控制系統(tǒng)進行接 口。在檢測過程中，都要先通過圖像傳感器獲取數(shù)字圖像信號，然后將數(shù)字圖像 信號送入高速數(shù)字信號處理器進行處理，并得出處理結果，是實現(xiàn)機器視覺產品 質量檢測和控制的關鍵技術。目前大多數(shù)用于產品質量檢測和控制的圖像采集與處理設備都是基于圖像采集卡+PC機模式的。在這種模式中，圖像采集卡從工業(yè)攝像機采集圖像，由 PC機來處理圖像并得出結果。PC機可以根據(jù)處理結果，通過其他的接口設備來 實現(xiàn)對被檢測產品的質量進行控制操作。如果要進行多路的圖像檢測，就要在PC機的主機板上擴展圖像采集卡，本發(fā)明以數(shù)字圖像處理理論與高速數(shù)字信號處理 技術為依據(jù)，采用了先進的高速數(shù)字信號通信與處理器件和并行處理數(shù)字圖像的 電路結構，實現(xiàn)了并行的各圖像序列間采集和處理的相位一致性。由于PC機對指令和數(shù)據(jù)以串行方式操作，所以，對圖像只能進行逐路、逐幀的處理。這就造成圖像處理速度的降低和圖像處理時序方面的相位非一致性， 從而成為整個系統(tǒng)采集和處理速度的瓶頸，進而影響到后續(xù)控制操作的實時性。而且，隨著圖像采集和處理路數(shù)的增多，PC機的處理能力的瓶頸效應會更加突出的顯露出來。再者，PC機的硬件設備購置費用和相應的操作系統(tǒng)以及高級語言開發(fā)軟件 的版權費用等會極大的提高用戶的成本。尤其是在需要與外界的觸發(fā)時序同步并 高速采集和處理圖像的場合，PC機+采集卡的模式的弊端更加突出。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種高速并行多路數(shù)字圖像釆集與處理的嵌入式系 統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠從多個數(shù)字圖像傳感器并行采集圖像序列，并使從各個數(shù)字圖像 傳感器采集到的圖像序列之間的相位保持一致；每個圖像處理器串行處理從每個圖像傳感器采集到的圖像序列，多處理器并行處理各數(shù)字圖像序列，進而根據(jù)處 理結果對具有不同質量特征的產品進行控制操作，該系統(tǒng)廣泛用于采用圖像檢測方式和基于機器視覺的產品質量檢測與控制。所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)包括 并行圖像采集電路，基于cameralink傳輸協(xié)議，多個數(shù)字圖像傳感器中的每一個數(shù)字圖像傳感器并行采集單幀數(shù)字圖像或者數(shù)字圖像序列，并且所采集到的各數(shù)字圖像序列之間能夠保持相位一致性，和能夠根據(jù)外界觸發(fā)事件的時序觸發(fā)數(shù)字圖像傳感器；多處理器并行處理數(shù)字圖像的電路，對每一個處理器處理由同一圖像傳感器 采集到的數(shù)字圖像或者采集到的數(shù)字圖像序列；并通過圖像顯示接口電路將需要 被處理的圖像送計算機顯示器顯示；控制接口電路，包括了復雜可編程邏輯器件(CPLD)和相應的軟件；用于根 據(jù)外界觸發(fā)時序，將多處理器處理結果綜合起來，產生一個控制電壓信號；也可 以根據(jù)各處理器的處理結果，分別進行組合，產生多個控制電壓信號，這些控制 電壓信號可用來控制產品質量分揀機構進行分揀操作。所述控制電壓信號的數(shù)量不多于處理器的數(shù)量。所述處理器的個數(shù)與圖像傳感器的數(shù)目相同。所述每個處理器在相應軟件驅動下，都具有能將需要處理的原始圖像通過接 口電路在PC機顯示器上顯示的功能；輸出的控制電壓信號的時刻可以根據(jù)用戶的需求滯后數(shù)個外界觸發(fā)時序的周期。所述并行圖像采集電路包含圖像傳感器的接口電路、圖像傳感器觸發(fā)控制電路、與外界觸發(fā)事件同步的接口電路和圖像數(shù)據(jù)寫入雙端口 RAM2和RAM3的控制 電路。所述圖像傳感器的接口電路包括兩種方式， 一種方式是采用獨立的圖像傳感 器接口電路芯片；另一種方式是在FPGA中通過數(shù)字邏輯來實現(xiàn)。 本發(fā)明具有以下特點(1) 本發(fā)明中的并行圖像采集電路能夠采集多路基于cameralink傳輸協(xié)議 的圖像。每一路的最高采集速度達到每秒110幀640*480像素，8位灰度的數(shù)字 圖像。(2) 與傳統(tǒng)的觸發(fā)式串行圖像采集方式不同，通過并行圖像采集電路，單 一的外界觸發(fā)事件能為多個數(shù)字圖像傳感器提供觸發(fā)信號，能夠有效保證從各數(shù) 字圖像傳感器采集到的圖像序列之間保持相位一致性。(3) 每個圖像處理器串行處理從其對應得數(shù)字圖像傳感器采集到的圖像序 列，多個圖像處理器并行處理各圖像序列，提高了處理效率。每個圖像處理器能 夠在1秒內至少能處理25幀640*480像素8位灰度的數(shù)字圖像，并通過輸出端 口輸出處理結果。(4) 控制接口電路對輸出的控制電壓的數(shù)量和滯后的時間可編程。


圖l是高速并行圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)硬件架構圖。 圖2為并行圖像采集電路框圖。 圖3為并行圖像處理電路框圖。 圖4為圖像處理結果綜合電路框圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)。下面結合 附圖3本發(fā)明作進一步說明。圖1表示了高速并行圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)的硬件架構。在圖1中，并行圖像采集模塊1在時序觸發(fā)信號的觸發(fā)下，向各圖像傳感器發(fā)出圖像采集觸發(fā)信號，然后開始接收各圖像傳感器輸出的LVDS形式的圖像數(shù)據(jù)，將其轉化為 數(shù)字圖像信號后，送入并行圖像處理模塊2。并行圖像采集模塊1根據(jù)送入并行 圖像處理模塊2的數(shù)字圖像信號的數(shù)量向并行圖像處理模塊2發(fā)出控制邏輯信 號。并行圖像處理模塊2根據(jù)控制邏輯信號對輸入的數(shù)字圖像信號進行處理，并 將處理結果送入處理結果綜合模塊3。位置傳感器5輸出的被檢測物的位置信號 經過電平變換電路4后，其電壓幅值能夠與并行圖像采集模塊1和處理結果綜合 模塊3兼容，并可作為時序觸發(fā)信號控制并行圖像采集模塊1進行采集和對圖像 傳感器進行采集觸發(fā)，以及控制處理結果綜合模塊3對圖像處理結果進行綜合后 輸出控制產品質量分揀機構進行分揀操作的電壓信號的滯后周期。圖2表示并行圖像采集模塊的電路原理框圖，并行圖像采集有兩種實現(xiàn)方法。 第一種方法如圖2 (A)所示。以一個帶有LVDS接口的FPGA (現(xiàn)場可編程邏輯門 陣列)11作為所有信號的處理裝置。FPGA11根據(jù)時序觸發(fā)信號的到來時刻向圖 像傳感器發(fā)出圖像傳感器觸發(fā)信號，然后開始接收圖像傳感器輸出的LVDS圖像 數(shù)據(jù)，并將其轉化為數(shù)字圖像信號后寫入雙端口RAM12和13。同時，根據(jù)寫入雙 端口 RAM12和13的數(shù)字圖像信號的數(shù)量輸出控制邏輯信號。第二種方法如圖2 (B)所示。LVDS電平轉換芯片7和8對圖像傳感器輸出的LVDS信號轉換成數(shù)字 信號，CPLD 6讀取LVDS電平轉換芯片7和8輸出的數(shù)字信號，并將其變換為數(shù) 字圖像信號后寫入雙端口 RAM12和13，根據(jù)寫入雙端口 RAM12和13的數(shù)字圖像 信號的數(shù)量輸出控制邏輯信號。CPLD6根據(jù)時序觸發(fā)信號到來的時刻控制圖像傳 感器觸發(fā)芯片9和10向圖像傳感器發(fā)出圖像傳感器觸發(fā)信號以開始圖像釆集操 作。并行圖像處理模塊的內部電路結構如圖3所示。數(shù)字信號處理器14和15從 與各自相連的雙端口 RAM12和13中讀取數(shù)字圖像信號并進行處理。數(shù)字信號處 理器14和15分別有外擴的數(shù)據(jù)存儲器18和19和外擴的程序存儲器16和17。 數(shù)字信號處理器14和15可以根據(jù)需要將數(shù)字圖像信號編碼后經過圖像顯示接口 芯片20和21后，可直接顯示在PC機用的顯示器上。數(shù)字信號處理器14和15將圖像處理結果輸出到處理結果綜合模塊3。圖4表示處理結果綜合模塊的內部結構。CPLD22將圖像處理結果綜合起來運 算，并根據(jù)固定數(shù)目的時序觸發(fā)信號作為延時后輸出分揀機構控制電壓信號。上述系統(tǒng)能夠以多個數(shù)字圖像傳感器并行采集圖像序列，并使圖像序列之間 的相位保持一致；每個圖像處理器串行處理每個圖像序列，多處理器并行處理各數(shù)字圖像序列，進而根據(jù)處理結果對具有不同質量特征的產品進行控制操作，該 系統(tǒng)廣泛用于采用圖像檢測方式和基于機器視覺的產品質量檢測與控制。
權利要求
1.一種高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)，其特征在于所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)包括，并行圖像采集電路，基于cameralink傳輸協(xié)議，和能夠根據(jù)外界觸發(fā)事件的時序觸發(fā)數(shù)字圖像傳感器；從多個數(shù)字圖像傳感器中的每一個數(shù)字圖像傳感器并行采集單幀數(shù)字圖像或者數(shù)字圖像序列，并所采集到的各數(shù)字圖像序列之間能夠保持相位一致性，多處理器并行處理數(shù)字圖像電路，同一圖像傳感器采集到的數(shù)字圖像或者采集到的數(shù)字圖像序列由每一個處理器處理，并通過圖像顯示接口電路將被處理的圖像送計算機顯示器顯示；控制接口電路，包括復雜可編程邏輯器件和相應的軟件；用于根據(jù)外界觸發(fā)時序，將多處理器處理結果綜合起來，產生一個控制產品質量分揀機構進行分揀操作的電壓信號，也可以根據(jù)各處理器的處理結果，分別進行組合，產生多個控制產品質量分揀機構進行分揀操作的電壓信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述高速并行多路數(shù)字圖像采集的嵌入式系統(tǒng)，其特征在 于所述并行圖像采集電路包含圖像傳感器的接口電路、圖像傳感器觸發(fā)控制電 路、與外界觸發(fā)事件同步的接口電路和圖像數(shù)據(jù)寫入雙端口 RAM的控制電路。
3. 根據(jù)權利要求1所述高速并行多路數(shù)字圖像采集的嵌入式系統(tǒng)，其特征 在于所述多個控制產品質量分揀機構進行分揀操作的電壓信號的數(shù)量不多于處 理器的數(shù)量。.
4. 根據(jù)權利要求1所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)， 其特征在于所述處理器的個數(shù)與圖像傳感器的數(shù)目相同。
5. 根據(jù)權利要求1所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)， 其特征在于所述每個處理器在相應軟件驅動下，都具有能將需要處理的原始圖 像通過接口電路在PC機顯示器t顯示的功能。
6. 根據(jù)權利要求1所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)， 其特征在于復雜可編程邏輯器件和相應的軟件根據(jù)圖像處理器的處理結果輸出的控制產品質量分揀機構進行分揀操作的電壓的時刻可以根據(jù)用戶的需求滯后 數(shù)個外界觸發(fā)時序的周期。
7.根據(jù)權利要求2所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)，其 特征在于所述圖像傳感器的接口電路是采用由硬件描述語言對復雜可編程邏輯 器件編程來控制獨立的圖像傳感器接口電路芯片的方式或者由直接硬件描述語言在FPGA中通過數(shù)字邏輯的方式來實現(xiàn)。
8. 根據(jù)權利要求2所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)， 其特征在于所述圖像數(shù)據(jù)寫入雙端口 RAM的控制電路由硬件描述語言在FPGA 或CPLD中并實現(xiàn)。
9. 根據(jù)權利要求1所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)， 其特征在于所述多處理器并行處理數(shù)字圖像電路包括了數(shù)字信號處理器，外擴 數(shù)據(jù)存儲器，外擴程序存儲器和圖像顯示接口電路。
10. 根據(jù)權利要求2所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)，其特征在于所述圖像處理器采用的是數(shù)字信號處理器。
11. 根據(jù)權利要求9所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)，其特征在于所述外擴數(shù)據(jù)存儲器采用的是動態(tài)存儲器，外擴程序存儲器采用的是FLASH存儲器。
12.根據(jù)權利要求9所述高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)，其特征在于所述圖像顯示接口電路采用能夠在圖像處理器的控制下將數(shù)字圖像編碼成能在PC機顯示器上進行顯示的數(shù)據(jù)形式的圖像編碼集成電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于產品質量檢測和控制技術領域的一種高速并行多路數(shù)字圖像采集與處理的嵌入式系統(tǒng)。是由并行圖像采集電路、多圖像處理器并行處理電路和控制接口電路組成。能夠同時采集和處理多路數(shù)字圖像，并根據(jù)處理結果對圖像中所反映的產品質量信息做出評估和決策?；诒窘Y構的嵌入式系統(tǒng)可廣泛應用于基于機器視覺的產品質量的檢測和控制、印刷品檢測領域。可以用于一條或多條生產線上針對相同的或不同的檢測指標，對產品的每個個體質量進行單次或多次檢測和控制。
文檔編號G05B19/418GK101221439SQ20081005612
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月14日 優(yōu)先權日2008年1月14日
發(fā)明者溫江濤, 王伯雄, 羅秀芝, 賈倩倩 申請人:清華大學