USB 2.0工業(yè)相機的圖像采集魯棒性研究

李　東，陳　爍，田勁東，田　勇

深圳大學光電工程學院，廣東深圳 518060

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USB 2.0工業(yè)相機的圖像采集魯棒性研究

李東，陳爍，田勁東，田勇

深圳大學光電工程學院，廣東深圳 518060

針對通用串行總線(universal serial bus, USB)2.0工業(yè)相機傳輸帶寬使用接近滿載時，出現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象進行深入分析，提出一個新的整體解決方案，包括3部分：利用幀校驗的方式實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的幀同步，使系統(tǒng)具備容錯校正機制；添加數(shù)據(jù)緩存模塊克服非實時操作系統(tǒng)輪詢工作模式對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀煌ㄟ^數(shù)據(jù)鉗位的方式消除USB 2.0非歸零反向編碼方式對傳輸帶寬的影響，保證傳輸帶寬的穩(wěn)定. 在此基礎上，研制一款1 280×1 024@30 幀/s的USB 2.0工業(yè)相機. 實驗結(jié)果表明，該相機傳輸速率可達39 Mbyte/s，實現(xiàn)了接近USB 2.0實際帶寬上限的穩(wěn)定傳輸，具備圖像幀自動糾錯功能，解決了傳統(tǒng)方案里圖像傳輸丟幀和圖像錯亂的問題.

集成電路技術；通用串行總線2.0；現(xiàn)場可編程門陣列；工業(yè)相機；幀同步；先入先出隊列；非歸零反向編碼；魯棒性

通用串行總線(universal serial bus, USB)具備傳輸速率快、可靠性強、價格低廉、支持即插即用以及便于擴展等特點，現(xiàn)已廣泛用于外設與計算機的數(shù)據(jù)交換[1]，近年來，在工業(yè)相機應用領域也出現(xiàn)了USB的身影．然而，在工業(yè)領域，對于圖像采集的要求越來越高，如實時性、高速率傳輸和系統(tǒng)尺寸要求等，如何確保USB工業(yè)相機的圖像采集魯棒性，成為一個不可回避的問題．在實際應用過程中，如果采取直傳直取的方式，將會出現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)丟失的情況，特別是當所需傳輸帶寬接近滿載時，該情況更為凸顯．

針對上述問題，本研究分析其根源，認為主要受幀同步的實現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)緩存、USB 2.0非歸零反向編碼(no return to zero inverse code, NRZI)方式等的影響．為此，提出相應的解決方案，研制了一款1 280×1 024@30 幀/s的USB 2.0工業(yè)相機，并進行實驗測試．結(jié)果表明，所提方案傳輸速率達到39 Mbyte/s，實現(xiàn)了接近USB 2.0實際傳輸帶寬上限的穩(wěn)定傳輸，解決了傳統(tǒng)方案里圖像傳輸丟幀和圖像錯亂的問題，并使相機具備圖像幀自動糾錯功能．

1　幀同步的實現(xiàn)

在圖像采集的過程中，需實現(xiàn)幀同步，即確定一幀圖像數(shù)據(jù)的起始與終止，而所采取的幀同步方式將會影響圖像采集的魯棒性，這對基于USB 2.0的圖像采集也不例外．

一種常用的幀同步方式可通過觸發(fā)USB 2.0控制器外部中斷的方案來實現(xiàn)．根據(jù)圖像傳感器的時序特點，如圖1，圖像的場信號與行信號均為高電平有效，當場信號處于上升沿時預示著一幀圖像的起始位置，下降沿時預示著一幀圖像的結(jié)束．通常情況下，USB 2.0工業(yè)相機會使用到現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)等可編程邏輯器件，若FPGA檢測到場信號上升沿，進而觸發(fā)中斷，使能USB 2.0控制器的片選信號，以此處作為圖像采集的起始位置，之后通過數(shù)據(jù)包計數(shù)的方式確定一幀圖像的數(shù)據(jù)，再將其顯示，即可實現(xiàn)圖像的幀同步．然而，這種幀同步方式未能使圖像采集具備魯棒性，一旦發(fā)生圖像數(shù)據(jù)的丟失，將出現(xiàn)錯幀現(xiàn)象，圖像被分割成多部分，即一幀圖像中既包含了當前幀的數(shù)據(jù)又包含了上一幀的數(shù)據(jù)，由于該方案并不具備容錯校正機制，所以只能通過再次重啟傳輸來消除錯幀現(xiàn)象．

圖1　CMOS圖像傳感器時序圖Fig.1　Timing diagram of CMOS sensor

為此，本研究提出一種利用幀校驗實現(xiàn)幀同步的方案．當檢測到一幀圖像數(shù)據(jù)的起始位置時，觸發(fā)FPGA填充一段特殊的數(shù)字序列．為確保FPGA有足夠的時間填充數(shù)據(jù)，選擇場下降沿做為一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗?，該段序列可稱為“幀頭”．上位機通過校驗“幀頭”數(shù)據(jù)來確定一幀圖像的起始位置，若在下一個“幀頭”到來之前，接收到的數(shù)據(jù)量滿足一幀圖像對應的數(shù)據(jù)量，則將該圖像進行顯示；否則，認為圖像數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，將舍棄該幀圖像數(shù)據(jù)，從而使圖像數(shù)據(jù)傳輸具備容錯校正機制，以此方法確保上位機采集到的圖像都是正確的，從而提升了圖像采集的魯棒性．

2　數(shù)據(jù)緩存

通過幀校驗的方式在一定程度上能提升圖像采集的魯棒性．但通過分析可知，若在數(shù)據(jù)采集過程中，持續(xù)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，將會出現(xiàn)無法采集到圖像的現(xiàn)象．

表1展示了USB 2.0工作于不同傳輸類型時的數(shù)據(jù)傳輸速度.由表1可知，當USB 2.0工作于批量傳輸時的傳輸速度最快，此時的帶寬可達53 Mbyte/s．但由于計算機系統(tǒng)會帶有一些輸入/輸出的人機接口設備，如鼠標和鍵盤等，會占用一部分USB 2.0的帶寬，實際用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髱拺?2 Mbyte/s做為參考[2]．然而，實驗表明，當數(shù)據(jù)傳輸使用直傳直取的方式，且所需帶寬接近USB 2.0實際傳輸帶寬上限(>32 Mbyte/s)時，數(shù)據(jù)丟失將非常嚴重．

分析發(fā)現(xiàn)，上述問題的根源并非帶寬不足，而是此帶寬均為平均帶寬，并非實時帶寬．同時，Windows操作系統(tǒng)是一種基于時間片輪詢多任務非實時操作系統(tǒng)[3]，當多個任務同時運行時，基于USB 2.0的圖像采集線程有可能在某些時刻未能及時讀取來自USB 2.0接口的數(shù)據(jù)，而對一個實時圖像采集系統(tǒng)而言，來自前端圖像傳感器的數(shù)據(jù)是不間斷傳輸?shù)模m說一般情況下，USB 2.0控制器具備一定容量先入先出(first input first output, FIFO)隊列的數(shù)據(jù)緩存空間，但容量較小，隨時都可能發(fā)生數(shù)據(jù)的溢出和覆蓋，從而導致錯幀，進而影響圖像采集的魯棒性．

表1　USB 2.0的數(shù)據(jù)實際最大傳輸速度[2]

綜上可見，若額外添加數(shù)據(jù)緩存空間，則可降低數(shù)據(jù)溢出覆蓋的風險，提高圖像采集的魯棒性．常見的數(shù)據(jù)緩存方案可通過FPGA實現(xiàn)對靜態(tài)隨機存取存儲器(static random access memory，SRAM)[4]或雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器(double data rate，DDR)[5]的讀寫控制，以實現(xiàn)異步FIFO功能，雖說這可使緩存的空間較大，但該方案需要較多的FPGA邏輯資源，因此要選用較高端的FPGA．此外，由于USB 2.0的帶寬和傳輸速度限制，只需較小的數(shù)據(jù)緩存空間即可滿足穩(wěn)定傳輸?shù)男枨?，所以該方案會造成資源浪費，令成本增加，且該方案亦會增加電路系統(tǒng)的復雜度，提高了空間需求，在一些要求系統(tǒng)尺寸較小的情況下，該方案并非較佳選擇．

為此，本研究提出使用FPGA內(nèi)部資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存的方式來規(guī)避使用SRAM和DDR器件的不足．通過使用FPGA廠家提供的異步FIFO IP核(intellectual property core)例化1個FIFO，用以增大數(shù)據(jù)緩存的空間，只需使用FPGA內(nèi)部的隨機存取存儲器(random access memory，RAM)資源，無需外部存儲器件的支持，且因該FIFO為異步的，其讀寫控制和讀寫時鐘均可獨立，所以不會影響到數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，從而保證了圖像采集的實時性．該FPGA 中的FIFO操作需配合USB 2.0控制器進行．以CY7C68013為例，其內(nèi)置的FIFO標志位FLAGA和FLAGB可分別配置為FIFO滿信號和FIFO將滿信號，將滿標志位使能的閾值是可編程的．此處需注意：由于標志位傳遞至FPGA具有一定的延遲，若使用FLAGA將有可能導致FIFO溢出，所以需使用FLAGB作為判據(jù)．此外，還需使用FPGA中的FIFO空標志位rdempty來判斷是否可對其進行讀操作，以避免讀取無效的圖像數(shù)據(jù)．實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存的流程如圖2．

圖2　數(shù)據(jù)緩存流程圖Fig.2　Flow chart of data cache

3　NRZI編碼的影響

USB 2.0作為一種串行總線，使用的編碼方式為NRZI[6]，其基本原理如圖3．用信號的翻轉(zhuǎn)代表一個邏輯，信號保持不變代表另外一個邏輯．在USB 2.0串行總線的傳輸中，電平翻轉(zhuǎn)代表邏輯0，電平不變代表邏輯1．

圖3　NRZI的基本原理Fig.3　The basic principle of NRZI

在基于NRZI的傳輸過程中，發(fā)送者先發(fā)送一段固定的比特碼，稱之為同步域；接收者通過該同步域計算得出發(fā)送者的發(fā)送頻率，并在傳輸過程中通過電平的翻轉(zhuǎn)不斷調(diào)整同步頻率，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性．然而，在USB 2.0傳輸?shù)倪^程中，可能會出現(xiàn)一種較極端的情況，即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號是很長的一段邏輯1，即使有同步域進行頻率的匹配，但由于缺乏電平翻轉(zhuǎn)的校準，難免會出現(xiàn)誤差．所以，在NRZI的傳輸協(xié)議中，使用了位元填塞(bit-stuffing)機制來解決該問題，即如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中有連續(xù)6個邏輯1，則在第6個邏輯1后插入1個邏輯0，使信號強制翻轉(zhuǎn)，進而達到同步頻率的校正，接收方在接收時剔除該邏輯0，則可得到原始數(shù)據(jù)．圖3(b)為觸發(fā)位元填塞機制時的數(shù)據(jù)傳輸．

分析圖3可知，位元填塞機制會影響USB 2.0的實際帶寬，因為強制填塞的邏輯0也占用傳輸帶寬，且此碼為無效編碼，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為長時間的邏輯1時，該無效的邏輯0將不斷出現(xiàn)，即每7個數(shù)據(jù)中有1個數(shù)據(jù)無效，在此情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸拰⑾陆?/7．而在圖像采集的過程中，該情況是可能出現(xiàn)的，如圖像過曝時，以模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter, ADC)分辨率為8 bit為例，則此時傳輸?shù)拇蟛糠謹?shù)據(jù)均為255，換算成二進制即為11111111，此時將會不斷觸發(fā)位元填塞機制．以全幀圖像過曝做個簡易分析，此時USB 2.0的有效帶寬為原來的6/7，對于數(shù)據(jù)傳輸所需帶寬接近滿載的情況，將會因帶寬不足而發(fā)生嚴重的數(shù)據(jù)丟失．

為消除NRZI編碼帶來的影響，本研究提出一種數(shù)據(jù)鉗位的方案，以消除NRZI編碼方式對USB 2.0傳輸帶寬的影響．該方案在FPGA中將來自前端圖像傳感器的數(shù)據(jù)限制在0～248范圍內(nèi)，248對應的二進制數(shù)為11111000，避免了長時間的邏輯1，從而降低觸發(fā)位元填塞機制的幾率．當數(shù)據(jù)上傳至上位機時，再將其映射到0～255范圍，從而使基于USB 2.0的數(shù)據(jù)傳輸具備較高且穩(wěn)定的有效帶寬．

4　系統(tǒng)實現(xiàn)

本研究所研制的USB 2.0工業(yè)相機的總體框架如圖4．

圖4　USB 2.0工業(yè)相機架構Fig.4　Architecture of USB 2.0 industrial cameras

實驗中所使用的圖像傳感器為MT9M001，最大分辨率可達1 280×1 024，每個像素數(shù)據(jù)大小為1 byte，幀率可達30幀/s，全速運行時所需帶寬為39 Mbyte/s，接近USB 2.0實際有效傳輸帶寬42 Mbyte/s．如式(1)，當發(fā)生位元填塞時，USB 2.0的有效帶寬為原來的6/7，即36 Mbyte/s，無法滿足MT9M001全速運行的需求的，所以該圖像傳感器可用于驗證數(shù)據(jù)鉗位方式的可行性，以及所采取的幀同步方式和數(shù)據(jù)緩存帶來的改善．

(1)

實驗表明，如果采用直傳直取的方式，只能進行1 280×1 024@15幀/s穩(wěn)定的圖像采集，若只使用前文所提的幀同步和數(shù)據(jù)緩存方案，以1 280×1 024 @30幀/s采集過曝圖像時，將會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象．

FPGA部分使用的是Altera MAX 10系列產(chǎn)品中的10M02SCM153I7G．該產(chǎn)品價格低廉，封裝尺寸小，且集成了配置閃存，有利于系統(tǒng)的精簡化，芯片上具備2 kbit 邏輯元件(logical element, LE)資源和108 kbit RAM資源，且有豐富的輸入/輸出(input/output, IO)接口，滿足該系統(tǒng)的整體需求．

USB 2.0部分使用的是Cypress的CY7C68013 USB 2.0控制器．該控制器內(nèi)部集成了1個USB 2.0收發(fā)器，串行接口引擎(serial interface engine, SIE)，增強型的8051核，4 kbyte的FIFO存儲空間、16 kbit RAM資源和通用可編程接口(general programmable interface，GPIF)，I2C(inter-integrated circuit)總線接口等資源[7]．通過以FPGA作為核心，CY7C68013配置于Slave FIFO從設備的工作模式，并配置其工作于批量傳輸?shù)哪Ｊ?，根?jù)表1，在該模式下USB 2.0具備較快的傳輸速度，具體硬件連接如圖5．

圖5　FPGA與CY7C68013的硬件連接Fig.5　Hardware connections of FPGA and CY7C68013

系統(tǒng)整體工作流程大致為：① CY7C68013通過I2C總線對圖像傳感器進行初始化配置，圖像傳感器采集的原始圖像數(shù)據(jù)和其他相關信號傳遞至FPGA；② FPGA根據(jù)圖像傳感器的行場信號確定有效數(shù)據(jù)，并參照上述方案實現(xiàn)幀同步、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)鉗位，再對CY7C68013進行讀寫控制，將有效數(shù)據(jù)經(jīng)USB 2.0傳遞至上位機并進行顯示．

通過設計相應電路，編寫對應的FPGA代碼和CY7C68013固件程序，完成系統(tǒng)搭建．表2是該系統(tǒng)FPGA芯片上資源的使用情況．其中，LE資源使用所占的比例為19%；RAM資源使用比例較高，為89%，98 304 bits即12 kbyte，這主要是為了在FPGA中生成較大的緩存FIFO；引腳使用率為32%，主要用于與圖像傳感器的連接和對CY7C68013 slave FIFO從設備的讀寫操作，使用1個鎖相環(huán)(phase locked loop, PLL)資源，用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時鐘資源．

通過上位機可對所搭建的系統(tǒng)進行圖像采集測試．圖6為實際采圖的情況，圖的底部顯示了圖像采集的一些參數(shù)，本實驗中圖像分辨率為MT9M001的最大分辨率1 280×1 024像素，幀率(frame rate)為30，即相機工作于1 280×1 024@30幀/s狀態(tài)．圖中幀率顯示非精確的30幀的原因是，上位機采用采集多幀圖像數(shù)據(jù)取平均速率的方式計算幀率，所以幀率顯示部分會有所波動．實驗中以Success數(shù)目代表成功采集的圖像數(shù)目，以Failed數(shù)目代表因發(fā)生錯幀和數(shù)據(jù)丟失的圖像數(shù)目，如圖6下方的測試數(shù)據(jù)所示，經(jīng)兩個多小時的連續(xù)采集測試，Success的計數(shù)為23 6541，F(xiàn)ailed的計數(shù)為0，幀率保持在30幀，說明通過上述方案，可使系統(tǒng)在充分利用USB 2.0傳輸帶寬的同時，具備傳輸魯棒性．

表2　FPGA片上資源的使用情況

圖6　圖像采集實驗Fig.6　The experiment of image sampling

結(jié)　語

本研究針對USB 2.0工業(yè)相機傳輸帶寬使用接近滿載時，出現(xiàn)的圖像數(shù)據(jù)丟失問題進行了深入闡述與分析，并基于此研究結(jié)果研制出一款1 280 × 1 024@30幀/s的USB 2.0工業(yè)相機．實驗結(jié)果表明，該相機可充分利用USB 2.0的有效傳輸帶寬，且具備圖像采集容錯校正機制，克服了圖像傳輸丟幀和圖像錯亂問題，系統(tǒng)運行具備魯棒性．

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【中文責編：英子；英文責編：子蘭】

2016-06-19；Accepted：2016-07-19

The robustness of image capture of USB 2.0 industrial camera

Li Dong, Chen Shuo, Tian Jindong?, and Tian Yong

College of Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China

Image data loss occurs when the universal serial bus (USB) 2.0 transmission bandwidth is close to full load. In this paper, facts caused data loss are analyzed, and a new solution is put forward to avoid data loss for USB 2.0 industrial cameras. The new method includes three parts. Firstly, a frame check mode is established to guarantee image data frame synchronization, which creates a fault-tolerant correction mechanism in the system. Secondly, in order to overcome the influence of non-realtime operating system polling work mode, a data cache module is designed. Thirdly, a data-clamp mechanism is proposed to eliminate the effect on transmission bandwidth via a no return to zero inverse code transfer protocol of USB 2.0. With these steps, the USB 2.0 industrial camera achieves an image capture of 1 280×1 024@30 frame/s, close to the actual bandwidth limit of USB 2.0 with stability and the transmission rate of 39 Mbyte/s, and the problems of image data loss and disorder during transmission in traditional scheme are solved.

integrated circuit technology; universal serial bus 2.0; field programmable gate array; industrial camera; frame synchronization; first input first output; no return to zero inverse code; robustness

Li Dong，Chen Shuo，Tian Jindong，et al．The robustness of image capture of USB 2.0 industrial camera[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(5): 525-530.(in Chinese)

TP 752.1；TP 274.2

Adoi：10.3724/SP.J.1249.2016.05525

國家自然科學基金資助項目(E051102)；廣東省自然科學基金資助項目(2014A030313550)

李東(1982—)，男，深圳大學副教授、博士．研究方向：2D和3D視覺信息獲取與處理，機器人技術及工程應用，嵌入式系統(tǒng)技術．E-mail：lidong@szu.edu.cn

Foundation：National Natural Science Foundation of China(E051102); Natural Science Foundation of Guangdong Province(2014A030313550)

? Corresponding author：Professor Tian Jindong．E-mail: jindt@szu.edu.cn

引文：李東，陳爍，田勁東，等．USB 2.0工業(yè)相機的圖像采集魯棒性研究[J]. 深圳大學學報理工版，2016，33(5)：525-530.