基于ZYNQ的高速彩色線掃CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)

黃云

基于ZYNQ的高速彩色線掃CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)

黃云

（陶朗分選技術(shù)（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速發(fā)展，彩色線掃CCD采集與處理技術(shù)越來越多被應(yīng)用到實(shí)時(shí)工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)及分揀中。采用基于ZYNQ的高速彩色線掃CCD實(shí)時(shí)圖像采集技術(shù)，研究一種應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及分揀的高分辨率CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，主要包括前端CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)圖像采集設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)圖像預(yù)處理設(shè)計(jì)、圖像數(shù)據(jù)GIGE傳輸設(shè)計(jì)以及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，最后把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)，以供后續(xù)進(jìn)一步圖像處理。

彩色線掃；CCD；實(shí)時(shí)圖像采集；GIGE

本文采用ZYNQ實(shí)時(shí)圖像采集技術(shù)，結(jié)合KLI2113彩色線掃CCD圖像傳感器及GIGE圖像傳輸技術(shù)，提出一款適用于實(shí)時(shí)工業(yè)產(chǎn)品視覺檢測(cè)的圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)基于KLI2113的前端驅(qū)動(dòng)電路，接著利用FPGA邏輯控制AD9945進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后將數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)GIGE協(xié)議傳輸?shù)絇C上進(jìn)行后續(xù)圖像處理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以Xilinx Zynq-7010為核心主控芯片，該芯片集成雙核ARM Cortex-A9處理器、基于28nm Artix-7可編程邏輯，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比和最大的設(shè)計(jì)靈活性。此外，千兆網(wǎng)在傳輸帶寬、線材長度及多相機(jī)集成功能方面有較大的技術(shù)靈活性及成本優(yōu)勢(shì)，因此本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)GIGE傳輸協(xié)議，其可簡(jiǎn)化實(shí)際應(yīng)用中的多相機(jī)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 基于ZYNQ-7010的CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)原理框圖

整個(gè)系統(tǒng)主要分為圖像采集、圖像預(yù)處理及GIGE圖像傳輸三大部分。其中FPGA可編程邏輯負(fù)責(zé)圖像采集及驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制、圖像預(yù)處理，ARM處理器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)GIGE協(xié)議。

2 圖像采集

圖像采集由CCD驅(qū)動(dòng)模塊及AD9945采集模塊組成，其中CCD及AD9945驅(qū)動(dòng)電路的及相關(guān)時(shí)序控制的設(shè)計(jì)，是保證最終圖像采集質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.1 KLI2113驅(qū)動(dòng)及前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

KLI2113驅(qū)動(dòng)及模擬前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)是CCD成像的核心部分，其作用是讀出電荷像素并完成像素信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和傳輸。KLI2113驅(qū)動(dòng)及前端調(diào)理電路如圖2所示。CCD的時(shí)鐘輸入引腳具有較高的輸入電容，因此要求驅(qū)動(dòng)電路具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，在本電路中使用多路總線驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行并聯(lián)的方式以提高電流驅(qū)動(dòng)能力。輸出端由高頻三極管構(gòu)成射極跟隨器作為ADC和CCD之間的緩沖電路，射極跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點(diǎn)，能夠減少信號(hào)的衰減和失真。此外系統(tǒng)還使用磁珠和電容對(duì)輸入電源進(jìn)行濾波和去耦，以減少電源上的干擾和噪聲。

圖2 KLI2113驅(qū)動(dòng)及前端調(diào)理電路

2.2 AD9945采樣控制

傳感器產(chǎn)生的圖像模擬信號(hào)經(jīng)前端調(diào)理電路后，需要接入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，使之成為對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)。為了更好地抑制CCD噪聲，取得更好的圖像質(zhì)量，本系統(tǒng)采用ADI的AD9945芯片。該芯片是一款適用于線掃CCD應(yīng)用的高性能A/D轉(zhuǎn)換器，其采樣精度為12位，采樣頻率最高可達(dá)40 M。

結(jié)合CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制，AD9945的采樣時(shí)序。其中采集時(shí)鐘DATACLK頻率為24 M，占空比為1∶2；CCD驅(qū)動(dòng)SHP/SHD占空比為1∶4，SHP的上升沿到SHD的下降沿為1/4時(shí)鐘周期。使用Xilinx自帶的PLL IP核可容易實(shí)現(xiàn)上述時(shí)序控制，如圖3所示。其中clk_out3clk_out4clk_out5分別對(duì)應(yīng)SHPSHDDATACLK信號(hào)。

圖3 PLL IP核例化時(shí)序

3 圖像預(yù)處理

契合于線掃CCD以行為單位采集的特性，F(xiàn)PGA對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)流水線運(yùn)算以行為單位。FPGA可以用其內(nèi)部的Block Ram緩存多行的圖像數(shù)據(jù)，因此本系統(tǒng)可直接把從A/D轉(zhuǎn)換芯片獲得圖像數(shù)據(jù)流獲得原始RGB圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)流水線處理。基于此，系統(tǒng)擬利用FPGA邏輯對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行中值濾波去噪。

中值濾波可以很好地濾掉采集CCD圖像中的不規(guī)則噪聲。設(shè)計(jì)采用3×3窗口分別對(duì)RGB分量信號(hào)進(jìn)行中值濾波，首先獲取每個(gè)分量相鄰的9個(gè)像素存于FPGA內(nèi)部Ram中，接著對(duì)這9個(gè)像素值進(jìn)行排序，步驟如下：①對(duì)每行3個(gè)像素按降序排序，得到最大值、中間值和最小值；②比較3行中的最小值，得到1個(gè)最小值；③比較3行中的最大值，得到1個(gè)最大值；④比較3行的中間值，再得到1個(gè)中間值；⑤比較前面得到的3個(gè)值，獲得的中間值即為該3×3窗口的中間值。

4 圖像傳輸

GigE接口目前已成為工業(yè)相機(jī)應(yīng)用的一種主流圖像接口技術(shù)，其以Gigabit?Ethernet協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)，用做高速、大數(shù)據(jù)量的圖像傳輸，遠(yuǎn)距離圖像傳輸及降低遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)電纜線的成本。本系統(tǒng)為了可以更方便地接入PC，且適應(yīng)多相機(jī)協(xié)調(diào)采集應(yīng)用要求，采用標(biāo)準(zhǔn)GIGE協(xié)議。

在Xilinx Zynq-7010主控芯片上，利用ARM處理器將用戶軟件發(fā)來的配置信息寫入到CCD中。CCD采集到的圖像存于DDR中，并通過UDP協(xié)議傳輸給PC。為了實(shí)現(xiàn)UDP傳輸，本系統(tǒng)調(diào)用了以太網(wǎng)lwip1.4庫，對(duì)GigE Vision兩種數(shù)據(jù)包GVCP和GVSP的封裝。

GVCP允許應(yīng)用程序配置和控制本采集系統(tǒng)，相關(guān)應(yīng)用程序可使用UDP協(xié)議發(fā)送命令，并等待本采集系統(tǒng)響應(yīng)，保證了圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/p>

GVSP協(xié)議本采集系統(tǒng)如何發(fā)送圖像數(shù)據(jù)至接收端（PC機(jī)），確保數(shù)據(jù)包總是在GVSP發(fā)射機(jī)和接收端之間傳輸。系統(tǒng)可支持長達(dá)80 m的傳輸距離，并實(shí)現(xiàn)傳輸速率為 100 MB/s。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析，本圖像采集系統(tǒng)在構(gòu)建和具體應(yīng)用過程中，已經(jīng)可以以2 048×8 kHz的分辨率有效穩(wěn)定地采集圖像至PC。搭建同樣的機(jī)器視覺環(huán)境下采集彩色線帶圖像，對(duì)比某進(jìn)口相機(jī)與本系統(tǒng)的采集效果?？梢钥闯霰鞠到y(tǒng)已經(jīng)達(dá)到進(jìn)口相機(jī)圖像采集質(zhì)量水平，甚至在紅色波段的識(shí)別上，具備更高的靈敏度。把本采集系統(tǒng)應(yīng)用到色選機(jī)設(shè)備上，實(shí)際采集花生及瓜子圖像?？梢钥闯鏊杉膱D像非常清晰，且相關(guān)異色顏色區(qū)別明顯。本系統(tǒng)花生及瓜子實(shí)際應(yīng)用如圖4所示。

圖4 本系統(tǒng)花生及瓜子實(shí)際應(yīng)用圖

本彩色線陣CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的色彩反映能力，只要給普通白光LED光源照明，就可以保證實(shí)時(shí)反映出RGB真彩圖像，為后續(xù)的圖像處理提供有效保證。

6 結(jié)語

本文在FPGA的基礎(chǔ)上，促使高速彩色線陣CCD實(shí)施圖像采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的利用。要想保證該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的有效性和可靠性，就必須對(duì)各種不同的設(shè)備、通信接口等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和利用，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院歪槍?duì)性。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用采集效果達(dá)到要求，且采用GIGE傳輸協(xié)議，系統(tǒng)可靈活方便地接入到PC中。同時(shí)系統(tǒng)還具有非常強(qiáng)大的系統(tǒng)拓展功能，未來可應(yīng)用到分揀、檢測(cè)等廣泛機(jī)器視覺領(lǐng)域中。

［1］許建平，郎文輝，羅晶，等.高幀率彩色線陣CCD實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2016（7）：68-71，78.

TP391.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.031

2095－6835（2019）23－0074－02

黃云（1986—），男，福建人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)圖像采集及機(jī)器視覺應(yīng)用。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕