孫海波,王曉斌,吳瑞斌,肖 健
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高速攝像技術(shù)在火箭橇頭罩分離試驗(yàn)中的應(yīng)用
孫海波,王曉斌,吳瑞斌,肖 健
(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所,北京 100076)
火箭橇頭罩分離試驗(yàn)中,需要采集頭罩分離前后的高速圖像。由于火工品爆炸時(shí)間短,振動(dòng)與沖擊環(huán)境惡劣,普通攝像設(shè)備難以滿足要求。文章介紹了一種小型化、低功耗、能夠適應(yīng)強(qiáng)振動(dòng)與沖擊環(huán)境的高速攝像系統(tǒng),該系統(tǒng)由具有Camera Link接口的工業(yè)相機(jī)、圖像采編單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成,圖像采編單元對(duì)工業(yè)相機(jī)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并通過(guò)LVDS接口傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元使用FPGA控制SATA接口固態(tài)硬盤實(shí)現(xiàn)無(wú)損圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。通過(guò)減振和自動(dòng)調(diào)光設(shè)計(jì),此系統(tǒng)能夠適應(yīng)強(qiáng)振動(dòng)與沖擊環(huán)境,并能自動(dòng)快速適應(yīng)各種光照環(huán)境,已成功應(yīng)用在某火箭橇頭罩分離試驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)了分辨率為800×600、幀率為
120幀/s的連續(xù)圖像存儲(chǔ),存儲(chǔ)時(shí)間不低于30min,存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)完整可靠。
高速攝像;圖像采集;圖像存儲(chǔ);Camera Link接口
0 引言
高速攝像相對(duì)于傳統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)量手段,可以更直觀地觀察試驗(yàn)的全過(guò)程。在某火箭橇頭罩分離試驗(yàn)中,需要對(duì)頭罩附近圖像進(jìn)行高速、長(zhǎng)時(shí)間的采集與存儲(chǔ),同時(shí)要求攝像系統(tǒng)小型化、低功耗,并能夠適應(yīng)強(qiáng)振動(dòng)與沖擊環(huán)境。K. Mochiki等人在中子透射光譜成像試驗(yàn)中采用大容量緩存和固態(tài)硬盤實(shí)現(xiàn)了105幀/s的超高速圖像存儲(chǔ),但是該系統(tǒng)基于PC機(jī),體積很大[1]。美國(guó)Vision Research公司和德國(guó)Optronis公司均推出了高分辨率、高幀率的小型化圖像采集存儲(chǔ)產(chǎn)品,但是價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)對(duì)小型化的高速圖像采集存儲(chǔ)技術(shù)有一定的研究,但是目前還沒(méi)有形成成熟的產(chǎn)品。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所通過(guò)FPGA控制2塊IDE 固態(tài)硬盤實(shí)現(xiàn)了Camera Link相機(jī)的640×480、100幀/s 的圖像存儲(chǔ)[2]。王仕明博士采用PowerPC+FPGA+SSD架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了100MByte/s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并采用JPEG2000編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像壓縮,可達(dá)到1000MByte/s的圖像數(shù)據(jù)帶寬,但是有損壓縮會(huì)使圖像部分細(xì)節(jié)丟失[3]。
本文研制了一種高速無(wú)損壓縮的圖像實(shí)時(shí)采編攝像系統(tǒng),即采用基于FPGA的LVDS(Low- Voltage Differential Signaling)接口來(lái)控制具有Camera Link接口的工業(yè)相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)采集,對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并通過(guò)LVDS接口發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元采用基于SATA接口的固態(tài)硬盤,最高存儲(chǔ)速度可以達(dá)到90MByte/s[5]。該單元還增加了相機(jī)參數(shù)設(shè)置功能,以實(shí)現(xiàn)分辨率、幀率、曝光時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置,而且可以兼容任何廠家的Camera Link接口相機(jī);增加了時(shí)統(tǒng)信號(hào)輸入接口,以方便后期數(shù)據(jù)處理時(shí)辨識(shí)開始采集時(shí)刻;進(jìn)行了減振和自動(dòng)調(diào)光設(shè)計(jì),使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)較強(qiáng)的振動(dòng)與沖擊,以及低照度和強(qiáng)光照的環(huán)境。與國(guó)內(nèi)外其他系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)可對(duì)高速圖像進(jìn)行無(wú)損壓縮、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)間采編與存儲(chǔ),且體積小、功耗低。
1 系統(tǒng)組成
高速攝像系統(tǒng)的組成如圖1所示,由Camera Link接口工業(yè)相機(jī)、圖像采編單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成。Camera Link是一種標(biāo)準(zhǔn)接口,多數(shù)高速相機(jī)均采用該接口方式[6]。圖像采編單元通過(guò)RS422接口接收來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)發(fā)的相機(jī)參數(shù)指令,通過(guò)Camera Link接口實(shí)現(xiàn)相機(jī)的參數(shù)設(shè)置和圖像的采集、編碼功能,最后利用LVDS接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元采用基于SATA固態(tài)硬盤的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊[5]接收、解碼LVDS數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SATA接口固態(tài)硬盤中,并將來(lái)自上位機(jī)的相機(jī)參數(shù)指令轉(zhuǎn)發(fā)至圖像采編單元。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口完成相機(jī)參數(shù)傳輸、存儲(chǔ)、控制和數(shù)據(jù)上傳等功能。
圖1 高速攝像系統(tǒng)的組成
圖像采編單元由Camera Link接口、圖像編碼和LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送3個(gè)模塊組成,如圖2所示。
圖2 圖像采編單元組成
Camera Link接口模塊實(shí)現(xiàn)Camera Link接口的LVDS串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。利用FPGA內(nèi)部豐富的解串器(ISERDES)、鎖相環(huán)(phase locked loop, PLL)和延時(shí)(IODELAY)資源,可實(shí)現(xiàn)2∶1~16∶1的數(shù)據(jù)解串[7]。通過(guò)RS422接口接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)發(fā)的相機(jī)參數(shù)指令經(jīng)Camera Link接口發(fā)送至相機(jī),可設(shè)置相機(jī)的分辨率、幀率、曝光時(shí)間等參數(shù)。
圖像編碼模塊完成圖像數(shù)據(jù)的采集和圖像幀、數(shù)據(jù)幀的編碼功能。時(shí)統(tǒng)信號(hào)用于和其他測(cè)量系統(tǒng)保持時(shí)間同步。
LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將編碼后的數(shù)據(jù)幀通過(guò)LVDS接口發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。
下面僅介紹圖像編碼模塊,其他部分見文獻(xiàn)[4]。
圖像編碼模塊負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)(圖像幀和數(shù)據(jù)幀)采集與編碼。圖像幀編碼用來(lái)標(biāo)記每一幀圖像,以便后期圖像數(shù)據(jù)的恢復(fù)和丟失檢驗(yàn);數(shù)據(jù)幀編碼用于和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)格式相匹配,方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)判讀、接收以及丟失檢驗(yàn)。
圖像編碼模塊的組成如圖3所示。虛線左側(cè)為Camera Link接口模塊的LVDS_clk時(shí)鐘域,實(shí)現(xiàn)圖像采集和圖像幀編碼功能;虛線右側(cè)為L(zhǎng)VDS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的tx_clk時(shí)鐘域,執(zhí)行數(shù)據(jù)幀編碼和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。兩時(shí)鐘域之間采用FIFO傳遞數(shù)據(jù)。
其中,LVDS_clk速率為80MHz,tx_clk速率為75MHz,由于FIFO的寫入速度大于讀取速度,需要設(shè)計(jì)足夠容量的FIFO保證數(shù)據(jù)不丟失。以120幀/s、分辨率為800×600的圖像為例,使用LVDS_clk傳輸1幀圖像需要6ms,在該時(shí)間內(nèi),F(xiàn)IFO的寫入數(shù)據(jù)量為80MByte/s×6ms=480kByte,讀取數(shù)據(jù)量為75MByte/s×6ms=450kByte,二者相差30kByte,為留有一定的余量,選擇深度為65535的FIFO。
圖3 圖像編碼模塊組成
Camera Link接口模塊輸出的圖像信號(hào)時(shí)序如圖4所示。FVAL信號(hào)上升沿,表示1幀圖像數(shù)據(jù)有效;當(dāng)DVAL信號(hào)有效時(shí),在每個(gè)LVDS_clk的上升沿,輸出1次有效的圖像數(shù)據(jù)。
圖4 圖像信號(hào)時(shí)序
圖像編碼模塊從Camera Link接口模塊采集1幀完整的圖像數(shù)據(jù)后,再添加幀頭、幀計(jì)數(shù)、幀長(zhǎng)等內(nèi)容,組成1圖像幀(見表1),并將圖像幀數(shù)據(jù)發(fā)送至FIFO緩存。當(dāng)時(shí)統(tǒng)信號(hào)到來(lái)時(shí),圖像幀計(jì)數(shù)清零,用于標(biāo)識(shí)關(guān)鍵時(shí)刻。當(dāng)FIFO的深度達(dá)到4096(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元要求的數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度)時(shí),讀取FIFO中的數(shù)據(jù),并添加幀頭、幀計(jì)數(shù)、幀長(zhǎng)、幀尾等內(nèi)容,組成1數(shù)據(jù)幀(見表2)。最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。在圖像幀格式中,以分辨率為800×600的圖像為例,1幀圖像的數(shù)據(jù)量為240000字,用1字表示幀長(zhǎng),這里采用總數(shù)據(jù)量除以16,即0x3A98。圖像幀的幀計(jì)數(shù)為16位累加數(shù)據(jù),當(dāng)時(shí)統(tǒng)信號(hào)有效時(shí),幀計(jì)數(shù)清零,以方便后期數(shù)據(jù)處理時(shí)區(qū)分時(shí)統(tǒng)有效時(shí)刻。后期將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī),通過(guò)幀頭、幀長(zhǎng)和幀尾等信息完成數(shù)據(jù)的解析,最終還原成BMP格式的圖像。即使圖像數(shù)據(jù)中含有0xEB90、0xEB91等數(shù)據(jù),但是通過(guò)結(jié)合幀長(zhǎng)、幀尾等信息,可以保證上位機(jī)軟件不會(huì)造成誤判。
表1 圖像幀格式
3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元
對(duì)于分辨率為800×600,幀率為120幀/s的無(wú)壓縮圖像,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為55MByte,普通的存儲(chǔ)方法難以滿足要求。這里采用基于SATA接口的固態(tài)硬盤作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元[5],其組成如圖5所示。
圖5 基于SATA接口固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的工作原理為:存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí),F(xiàn)PGA內(nèi)部的LVDS接收模塊接收LVDS數(shù)據(jù)流并轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過(guò)大容量FIFO1和FIFO2交替輸入IDE接口模塊,最后通過(guò)JMH330S芯片控制固態(tài)硬盤進(jìn)行高速存儲(chǔ)。讀取數(shù)據(jù)時(shí),IDE接口模塊將讀出的硬盤數(shù)據(jù)存入CPU_FIFO中,MicroBlaze軟核通過(guò)DMA方式再將數(shù)據(jù)讀入DDR3內(nèi)存,并通過(guò)千兆以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)。用戶可通過(guò)千兆以太網(wǎng)設(shè)置相機(jī)參數(shù),并經(jīng)過(guò)RS422接口將參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至圖像采編單元。在LVDS接收模塊和IDE接口模塊之間的2個(gè)大容量FIFO,深度均為2M,利用DDR3 SDRAM使2個(gè)FIFO交替向IDE接口模塊寫數(shù)據(jù),能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖,提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率。
FPGA通過(guò)Ultra DMA5(uDMA5)方式讀寫硬盤。下面以該方式為例,描述寫硬盤的過(guò)程,其流程見圖6。根據(jù)ATA-6協(xié)議[8],初始化時(shí),F(xiàn)PGA通過(guò)命令將IDE傳輸方式設(shè)置為uDMA5。每次Ultra DMA進(jìn)行寫操作時(shí),首先設(shè)置48位起始邏輯地址和將要寫入的扇區(qū)數(shù),然后通過(guò)向狀態(tài)控制寄存器的寫命令0x35啟動(dòng)1次Write DMA操作。硬盤接收到該控制命令后,會(huì)向FPGA發(fā)送DMA 請(qǐng)求(DMARQ)信號(hào),F(xiàn)PGA收到DMARQ 有效信號(hào)后,使能DMACK#進(jìn)行應(yīng)答并撤銷STOP信號(hào),在硬盤的DMA就緒信號(hào)(DMARDY#)有效后,F(xiàn)PGA開始讀取FIFO中數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)同步信號(hào)HSTROBE以及16位并行數(shù)據(jù)。寫完數(shù)據(jù)后,進(jìn)入空閑狀態(tài),繼續(xù)等待上層的指令。
圖6 uDMA5方式寫硬盤流程圖
經(jīng)測(cè)試,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的最高連續(xù)存儲(chǔ)速度為90MByte/s,無(wú)丟包或誤碼現(xiàn)象。
4 減振設(shè)計(jì)
火箭橇頭罩分離瞬間產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊較大,電路板上的元器件和工業(yè)像機(jī)的光學(xué)組件耐振動(dòng)與沖擊能力較差,需要進(jìn)行加固和減振設(shè)計(jì):采用數(shù)據(jù)采編存儲(chǔ)器和相機(jī)模塊分離的結(jié)構(gòu),在數(shù)據(jù)采編存儲(chǔ)器內(nèi)部使用硅膠灌封;在工業(yè)相機(jī)和殼體之間使用橡膠隔離(如使用硅膠,則液體可能會(huì)進(jìn)入工業(yè)相機(jī)的光學(xué)鏡頭內(nèi)部影響相機(jī)使用)。圖像采編存儲(chǔ)器和相機(jī)模塊之間使用專用的Camera Link線纜連接。加固后的圖像采編存儲(chǔ)器和工業(yè)相機(jī)實(shí)物見圖7。
圖7 加固后的圖像采編存儲(chǔ)器(左)和工業(yè)
相機(jī)(右)實(shí)物圖Fig. 7 The image acquisition and coding unit(left) and industry camera(right) after being reinforced5 自動(dòng)調(diào)光
火箭橇頭罩分離前后光照度的變化范圍很大:頭罩分離之前,火箭內(nèi)光線非常暗;而頭罩打開后,相機(jī)會(huì)暴露在外界較強(qiáng)光照下,這就需要圖像亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。通常用調(diào)節(jié)光圈或曝光時(shí)間[9-10]
來(lái)調(diào)節(jié)圖像亮度。調(diào)節(jié)光圈需要使用電機(jī),而電機(jī)調(diào)節(jié)速度較慢,并且振動(dòng)和沖擊的環(huán)境適應(yīng)性較差。
本文采用動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)曝光時(shí)間調(diào)整技術(shù)[9],原理如下:設(shè)置圖像的目標(biāo)亮度值0(本文取150),根據(jù)當(dāng)前圖像的平均亮度與目標(biāo)亮度之間的差Δ來(lái)確定曝光時(shí)間的調(diào)整步長(zhǎng)Δ。具體調(diào)整方式如式(1)所示:
計(jì)算圖像的平均亮度時(shí),先使用32位寄存器緩存1幀圖像的亮度和,再使用除法器計(jì)算平均值。式(1)中,Δ的符號(hào)和Δ的符號(hào)相反,即Δ>0時(shí),表示當(dāng)前圖像過(guò)亮,Δ為負(fù)數(shù),即應(yīng)減小曝光時(shí)間。在Δ較大時(shí),說(shuō)明曝光時(shí)間遠(yuǎn)不能達(dá)到目標(biāo)亮度要求,因此Δ也應(yīng)加大,以便提高算法收斂速度。
實(shí)際測(cè)試中,在非常暗的光線下,即使將曝光時(shí)間調(diào)整至最大值,也難以看清圖像。故本文增加了LED補(bǔ)光燈,當(dāng)光照度低于10lx時(shí),自動(dòng)開啟補(bǔ)光燈。通過(guò)自動(dòng)曝光技術(shù)和LED補(bǔ)光相結(jié)合的方法,可以適應(yīng)大多數(shù)光照環(huán)境。
6 試驗(yàn)結(jié)果和分析
本文的高速攝像系統(tǒng)采用Baumer公司HXC40高速工業(yè)相機(jī),分辨率設(shè)置為800×600,幀率設(shè)置為120幀/s。高速攝像系統(tǒng)通過(guò)高低溫試驗(yàn)、三軸隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、峰值為100持續(xù)時(shí)間為11ms的半正弦三軸沖擊試驗(yàn)、過(guò)載試驗(yàn)(3個(gè)方向,35)以及低氣壓試驗(yàn)(1Pa)等地面環(huán)境試驗(yàn)充分驗(yàn)證了其環(huán)境適應(yīng)性。
在某次火箭橇頭罩分離試驗(yàn)中,該高速攝像系統(tǒng)成功拍攝到整個(gè)頭罩分離過(guò)程。頭罩分離瞬間的連續(xù)圖像如圖8所示,其中第2、3、4幅圖像能夠看到火工品爆炸,從第4幅開始,頭罩已經(jīng)開始分離。由于幀率為120幀/s,兩幀圖像間隔8.3ms,由此估計(jì)火工品爆炸時(shí)間約為30ms,和實(shí)際吻合。經(jīng)過(guò)其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備測(cè)量,頭罩分離時(shí)產(chǎn)生的沖擊為186,并具有持續(xù)的高量級(jí)振動(dòng)和過(guò)載,普通的攝像設(shè)備難以經(jīng)受如此嚴(yán)酷的環(huán)境。經(jīng)過(guò)時(shí)統(tǒng)信號(hào)分析,沖擊峰值時(shí)刻和圖像拍攝的爆炸時(shí)刻吻合。按照要求,本高速攝像系統(tǒng)主要作為后期故障分析手段,本次試驗(yàn)共拍攝了試驗(yàn)前后30min的圖像,拍攝到的圖像完整可靠。試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的高速攝像系統(tǒng)的可靠性。
(a) 第1幅(分離前)
(b) 第2幅(火工品爆炸瞬間)
(c) 第3幅
(d) 第4幅
(e) 第5幅(開始分離)
(f) 第6幅
圖8 火箭橇頭罩分離的圖像
Fig. 8 Image of rocket shell separation7 結(jié)論與展望
本文的高速攝像系統(tǒng)首次在火箭內(nèi)部成功拍攝了火箭橇頭罩分離的全過(guò)程,獲取了以往試驗(yàn)無(wú)法獲取的信息,對(duì)豐富試驗(yàn)手段、提升試驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾饬x,尤其對(duì)試驗(yàn)事故后的故障診斷具有很大幫助。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速、長(zhǎng)時(shí)間、高可靠性的無(wú)損圖像采集與存儲(chǔ),并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、高振動(dòng)與沖擊環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),能夠自動(dòng)快速適應(yīng)各種光照環(huán)境,在航空、航天等高速圖像采集記錄和圖像分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
該系統(tǒng)最高存儲(chǔ)速度為90MByte/s,最高可實(shí)現(xiàn)幀率為196幀/s、分辨率為800×600的圖像采集。為了進(jìn)一步觀察頭罩分離的細(xì)節(jié),需要提高圖像的幀率,下一次試驗(yàn)擬將圖像幀率提升至190幀/s。
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(編輯:馮 妍)
Application of high-speed image acquisition technology in rocket sledge head cover separation experiment
Sun Haibo, Wang Xiaobin, Wu Ruibin, Xiao Jian
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)
High-speed images near separation are required in the rocket sledge head cover separation experiment. Due to the short time of explosion, the harsh environment of vibration and shock, common cameras cannot work properly. A small and low power high-speed image acquisition system is proposed, which is applicable in the vibration and shock environment. This system consists of a Camera Link interfaced camera, an image acquisition coding unit, and a data storage unit. The image acquisition and coding unit acquires images from the Camera Link interfaced camera and codes the image, and transmits the image to the data storage unit by the LVDS interface. A SATA interface solid-state hard disk is used in the data storage unit. By vibration absorption design and automatic light compensation, the system can work properly in a high shock environment, and can adapt to any light environment. The high-speed image acquisition system has been applied successfully in the rocket sledge head cover separation experiment. The resolution of 800×600, with 120 frame/s mono chrome camera is achieved. The saving time is no less than 30 minutes, and the image data is integral and reliable.
high-speed video; image acquisition; image storage; Camera Link interface
TN919
A
1673-1379(2016)03-0327-06
10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.017
孫海波(1987—),男,碩士學(xué)位,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)量與控制。E-mail: haibo2806@163.com。
2015-10-12;
2016-05-24
http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544