基于FPGA的機器視覺設計

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1、- 基于FPGA的機器視覺設計 摘要：為實現(xiàn)系統(tǒng)快速更新，在此設計了一種新的機器視頻解決方案，借助fpga技術，實現(xiàn)視頻輸入端口與gige vision ip的使用以及系統(tǒng)與計算機主機的連接。設計方案中采用了新的gige vision標準及gige vision ip核，使系統(tǒng)相比其他現(xiàn)有相關標準更簡單、速度更快，是未來的開展方向。 關鍵詞：機器視覺; 視頻; fpga; gige vision 引言 機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺作為人類視覺與大腦的延伸，是衡量現(xiàn)代工業(yè)自動化程度的標志之一。近年來，隨著計算機技術尤其是多媒體技術和數(shù)字圖像處理及分析理論的成熟，

2、以及大規(guī)模集成電路的迅速開展，機器視覺技術得到了廣泛的應用研究，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益。 機器視覺系統(tǒng)主要由3局部組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。本文介紹了基于fpga的一種機器視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用gige vision 攝像機來獲取圖像，在fpga中采用了gige vision ip核，根據(jù)tcp/ip傳送協(xié)議實現(xiàn)了fpga與pc機的數(shù)據(jù)通訊。 1fpga實現(xiàn)機器視覺的優(yōu)勢 隨著機器視覺系統(tǒng)應用中分辨率的提高和壓縮算法的進步，對系統(tǒng)性能和構架靈活性提出了更高的要求，以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速更新。可選擇的系統(tǒng)構架包括標準單元asic，assp以及各種可編程解決方案，如數(shù)字信號

3、處理器〔dsp〕或媒體處理器和fpga。每種構架都具有各自的優(yōu)缺點，最終選擇取決于終端設備要求和解決方案的可用性。理想構架應具有以下特點：高性能、靈活性、易升級性、低開發(fā)本錢以及具有隨著應用成熟和產(chǎn)量增加向更低本錢遷移的能力。fpga具有并行運算、反復使用、大量可使用的軟核的優(yōu)勢，是實現(xiàn)機器視覺理想構架的合理選擇。 fpga是小批量系統(tǒng)提高集成度、可靠性的最正確選擇之一。隨著vlsi工藝的不斷提高，單一芯片內部已可以容納上百萬個晶體管，這使得fpga芯片所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。 fpga有大量軟核，可以方便進展二次開發(fā)。fpga甚至包含單片機和dsp軟核，并且io

4、數(shù)僅受fpga自身io限制，所以，fpga又是單片機和dsp的超集。也就是說，單片機和dsp能實現(xiàn)的功能，fpga一般都能實現(xiàn)。在soc設計中，基于fpga器件設計工藝的開展使得越來越多的功能集成到一個芯片成為可能。為實現(xiàn)這一目標，有一種非常實用的soc設計方法，稱為基于核的設計，它將系統(tǒng)的功能劃分為不同的核，采用ip〔intellectual property〕核來完成特定的設計功能。本文就是采用了gige vision的ip核來完成主要局部設計的。 2機器視覺系統(tǒng)設計 2.1設計原理 系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 圖1系統(tǒng)硬件體系構造圖這個解決方案基于*ilin*低功耗低本錢的spar

5、tan 3e fpga芯片上實現(xiàn)，它提供了整合camera link，gige vision ip，千兆以太網(wǎng)mac的平臺和可選的visual applets軟件。 2.2視頻輸入模塊 在its及安防行業(yè)，現(xiàn)在主要使用的是模擬攝像機，也有局部廠家推出了網(wǎng)絡攝像機(pcamera)。gige vision攝像機與他們之間的比照方表1所示。 表1各類攝像機比照 攝像機 類型gige vision 攝像機模擬 攝像機網(wǎng)絡 攝像機成像元件逐行掃描ccd隔行掃描ccd隔行或逐行 掃描ccd有效像素640×4 801 392× 1 040,2 048×2 048720×576640×4

6、80視頻輸出格式8 b/10 b 數(shù)字輸出模擬8 b數(shù)字輸出視頻輸出接口1 000basetbnc10baset/ 100baset*輸出幀率 /〔f/s〕一般：30 最高：2002525~30數(shù)據(jù)壓縮無壓縮無壓縮mpeg/jpeg遠程設置可以不可以可以局部掃描輸出可以不可以不可以sdk有無有應用開發(fā)難度容易難難 從以上的比照表可以看出，gige vision攝像機的主要優(yōu)點是: (1) 逐行掃描； (2) 高清晰，緩高分辨率到達4百萬像素； (3) 幀率高：最高幀率到達200 f/s； (4) 數(shù)據(jù)未經(jīng)壓縮，無損失； (5) 可以根據(jù)需要輸出局部掃描數(shù)據(jù)； (6)

7、可以通過軟件自動改變攝像機參數(shù)，適應變化的現(xiàn)場環(huán)境； (7) 后期應用開發(fā)方便。 基于gige vision攝像機的優(yōu)點，本系統(tǒng)采用gige vision攝像機。 2.3fpga中使用的模塊 fpga中使用camera link來進展與相機的互連。camera link是一個應用于高端機器視覺的強大的數(shù)據(jù)通道。它使用一個專門的電纜連接和標準化的通信協(xié)議。camera link支持大量的數(shù)據(jù)和高數(shù)據(jù)傳輸率，適合今天的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆? 在系統(tǒng)中*ilin* fpga中使用的gige vision是一種由aia〔automated imaging association〕開發(fā)的相機接口

8、標準。這是一項開放性的標準，它能讓來自不同廠家的攝像機與應用軟件通過吉比特以太網(wǎng)實現(xiàn)相互間的無間合作。gige vision 使用了一個標準的千兆以太網(wǎng)連接同其高帶寬〔1 gb/s〕實現(xiàn)了未經(jīng)壓縮圖像和數(shù)據(jù)的實時傳輸。使用gige vision ip是實現(xiàn)高性能機器視覺應用的理想解決方案。一個吉比特以太網(wǎng)相機使用camera link與gige vision相連。 gige vision 是一種實現(xiàn)單/多相機與單/多計算機相連接進展數(shù)據(jù)集中和分布式處理的理想標準。使用標準千兆以太網(wǎng)允許使用標準電纜和連接器，從而降低材料費和整合本錢以及后續(xù)增長以太網(wǎng)帶寬的可擴展性。 本方案中使用的gig

9、e vision ip核是根據(jù)的gige vision規(guī)*1.0版的gige vision 數(shù)據(jù)流協(xié)議的硬件實現(xiàn)。它是由*ilin*的合作伙伴feith sensortoimage gmbh發(fā)開的。因為通過硬件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通道可以到達千兆以太網(wǎng)的最大吞吐量。ip核的構造如圖2所示。 圖2gige vision ip核構造gige vision的核心由內存控制器、吉比特以太網(wǎng)mac、控制微處理器和一個視頻處理單元組成。 gige vision核提供了吉比特以太網(wǎng)mac接入系統(tǒng)的其余局部，處理gige vision 數(shù)據(jù)流通道，對gige vision通道再發(fā)送申請包進展解碼，并提供一個嵌

10、入式cpu的網(wǎng)絡接口。cpu處理了除gige vision數(shù)據(jù)流控制以外的所有網(wǎng)絡協(xié)議。內存控制器作為特殊的視頻幀緩沖區(qū)，它不是緩沖輸入的視頻幀，而是把它們分成可供網(wǎng)絡傳輸和實現(xiàn)gige vision數(shù)據(jù)流協(xié)議的局部處理包重發(fā)送功能的較小區(qū)域。 fpga中與計算機相連的局部使用的是finger lakes engineering為*ilin*開發(fā)的phantom trimode mac ip核。它與gige vision ip核集成在一起，充分應用1 gb/* r*/t*速率，支持ipv4，ipv6，jumbo packet和mdio。phantom核具有獨特的重新計時路徑，從而能降低時鐘

11、緩沖器計數(shù)值同時簡化核的集成度，對于低本錢的spartan器件和高性能的virte*構架都是理想的選擇。 2.4主機接口設計 本方案中使用吉比特以太網(wǎng)與計算機連接，計算機上需安裝visual applets軟件。 visual applets是由silicon software開發(fā)的一款軟件，可完全兼容*ilin*的fpga。visual applets完成了一個極其強大、靈活、快速和優(yōu)化的gige vision開發(fā)平臺，它使不熟悉fpga的機器視覺專家也能簡單地操作這個系統(tǒng)。 silicon software開發(fā)的visual applets為最先進的fpga設計工具，經(jīng)由易學易用的

12、圖形接口，可以開發(fā)出圖像處理專用的fpga configuration，即所謂的applet。 借由visual applets可以： (1) 使影像卡變成一個高效能的影像處理器； (2) 現(xiàn)代fpga的潛能可由任何使用者自行發(fā)揮； (3) 影像處理的解決方案可在數(shù)分鐘內完成； (4) 達成硬件階層的快速開發(fā)。 使用visual applets，不必擁有較深的硬件知識，如數(shù)字電路、時間分析、fpga硬件設計語言。使用visual applets只要將各個處理模塊之間作，各種的兼容性可實時顯示，各模塊間能以不同的位相關系作，同時也能評估系統(tǒng)需求資源與數(shù)據(jù)帶寬分析，甚至于分析每個模塊連

13、接點之間的流量，快速找到設計瓶頸。設計完成后，產(chǎn)生編譯檔只要幾分鐘的時間，期間不需要任何人工動作，applet可立即在 microdisplay中使用并進展參數(shù)設定，同時也會自動產(chǎn)生一個visual c++ sdk project。 3結語 本文根據(jù)以fpga芯片為核心設計了一種通用的機器視覺系統(tǒng)，可以應用到產(chǎn)品生產(chǎn)線、車輛智能監(jiān)控管理等各種場合。采用最新的高性能視覺標準和國際知名大公司開發(fā)的ip核以及主機visual applets 軟件的使用極大地提升了系統(tǒng)的性能、可靠性。 參考文獻 ［1］feith. gige vision ip specification: feith sen

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