CN101436168A - 基于usb的图像采集方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像采集领域，提出一种基于USB的图像采集方法，该方法包含：接收单帧图像的读取操作的IRP，获取并存储图像信息，再根据门限值以及接收端发出的IRP的第一数据容量信息，构建一个或者多个URB进行图像传输。本发明还相应提出基于USB的图像采集装置，该装置包含：主控模块，用于接收发送端以及接收端发送的各种信息；传输模块，用于存储图像信息和数据的传输。由于采用构建一个或多个URB的机制，本发明实现了高分辨率图像的完整采集。

Description

基于USB的图像采集方法及其装置

技术领域

本发明涉及图像采集领域，特别是涉及一种基于USB的图像采集的方法及其装置。

背景技术

图像采集技术主要是指图像信息的获取、存储以及传输的技术。在当代各类行业中，经常需要对诸如温度、压力和频率等此类数据进行采集。目前，图像采集装置大多数是通过计算机的接口将图像信息传输至计算机，借助计算机的高速运算速度以及大存储容量来完成图像采集。现有的高速图像采集技术按接口的不同可分为使用PCI、PCI Express、USB等总线接口的图像采集方式。PCI、PCI Express总线虽然有采集速度快、适合大量数据传输的优势，但仍然存在不支持热插拔、硬件设计复杂、插槽数量有限制、可扩展性差等不足；USB接口具有支持热插拔、传输速率高、占有系统资源少、易于扩展、兼容性好等优点，能进行高速、长时间以及大吞吐量的数据传输，适合用于图像采集装置，所以当前USB接口在图像采集装置中得到广泛应用。

基于USB的图像采集装置的软件方案：由于USB装置属于从装置，一般通过上位机(PC机)提供人机交互界面发送用户命令和厂商请求，装置接收用户命令和厂商请求并按此做出相应操作，最终实现对装置的控制与数据传输。

由于当前的图像采集装置软件方案主要针对低分辨率图像采集，所以装置驱动层一般采用这样的方式进行图像采集：装置驱动层接收到应用层指令和请求，构建相应类型的URB(即USB请求块)，发送到USB总线驱动，USB总线驱动响应请求操作。

但是对于某些领域要求高分辨率(比如500万像素及以上)的图像采集，当前方式存在很大问题。根据USB 2.0协议和Windows XP操作系统规范，在系统驱动层一个URB海量(BULK)传输方式最多传输大小为3344K Bytes数据。当直接进行例如500万像素的高分辨率图像传输时，数据传输请求大于3344K Bytes，操作系统无法完成图像传输，出现系统崩溃的现象。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于USB的图像采集方法及其装置，能够完成高分辨率图像的传输，实现高分辨率图像的完全采集。

本发明的基于USB的图像采集方法，包含步骤：从接收端接收单帧图像的读取操作的IRP，所述IRP包括欲获取的图像信息的第一数据容量信息以及所述图像信息的标识信息；从发送端接收所述图像信息，并将该图像信息进行存储；根据接收端操作系统的传输数据能力确定门限值，并根据所述门限值以及所述第一数据容量信息确定URB的数量，根据所述门限值确定所述URB的第二数据容量信息；所述第二数据容量不大于所述门限值；所述发送端驱动层发送所述URB，所述URB包括所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息；根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息将获得的所述图像信息发送至所述接收端。

本发明还相应提出一种基于USB的图像采集装置，该图像采集装置包含：

主控模块，用于接收发送端以及接收端发送的各种信息；

传输模块，用于存储图像信息和数据传输；

所述主控模块从接收端接收单帧图像的读取操作的IRP，并获取所述图像信息；所述IRP包括欲获取的图像信息的第一数据容量信息；所述传输模块接收所述图像信息并进行存储；所述传输模块的驱动层根据所述接收端操作系统的传输数据能力确定门限值，并根据所述门限值和所述第一数据容量信息确定所述URB的数量以及所述URB的第二数据容量信息；所述传输模块接收所述主控模块的控制信号，通过所述传输模块的驱动层向所述接收端发送所述URB，所述URB包括所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息；根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息，所述传输模块接收所述主控模块的控制信号，将获得的所述图像信息发送至所述接收端。

本发明提出的基于USB的图像采集方法及其装置，在进行高分辨率图像采集时，采用构建一个或者多个URB的传输机制，解决了高分辨率图像采集中高分辨率图像无法传输的问题，实现了高分辨率图像的完全采集。

附图说明

图1为本发明的基于USB的图像采集方法的流程图；

图2为本发明的基于USB的图像采集装置示意图；

图3为现有技术的图像采集装置示意图；

图4为实施例3的图像采集装置示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于USB的图像采集方法采用构建一个或者多个URB的传输机制，针对高分辨率图像采集，在接收单帧图像的读取操作的IRP之后，获取并存储图像信息，构建一个或者多个URB进行图像传输，完成高分辨率图像的完整采集。

基于USB的图像采集方法实现过程如下，为便于详细描述具体过程，将上位机作为接收端，将一种基于USB的图像采集装置作为发送端。基于USB的图像采集方法具体包括：第一步，上位机发出单帧图像的读取操作的IRP至图像采集装置，所述IRP包括欲获取的图像信息的第一数据容量信息以及图像信息的标识信息；第二步，按照基于USB的图像采集装置的软件方案，该图像采集装置的驱动层分析所述IRP，得到欲获取的图像信息的第一数据容量信息和标识信息后，图像采集装置开始获取图像信息，并进行存储；第三步，图像采集装置的驱动层根据上位机操作系统的传输数据能力来确定门限值，以上位机的操作系统为Windows XP系统为例，在进行海量传输方式时，一个URB的海量传输方式传输数据的最大值为3344K Bytes，门限值的取值范围可为2048K—3344K Bytes。根据确定的门限值以及第一数据容量信息，图像采集装置的驱动层通过计算确定URB的数量，并根据门限值确定URB的第二数据容量信息，此处的确定是按照第二数据容量不大于门限值的原则来确定，只要满足这个原则，则第二数据容量并不限定为某一确切数值；驱动层开始按确定的数量构建一个或者多个URB来进行传输，；第四步，该图像采集装置的驱动层向USB总线驱动发送URB，所述URB包括图像信息的标识信息以及第二数据容量信息；第五步，根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息，图像采集装置将获得的图像信息发送至上位机。

现有图像采集方法中采用上位机多次读取方式，由于系统时间片分配的原因，各次读取操作之间时间间隔比较大，在图像采集装置的数据存储空间非常有限的情况下，当数据存储空间被写满，而持续传输的数据则出现无法写入数据存储空间时，容易出现数据丢失的现象，最终导致图像误码率非常高。作为所述图像采集方法实现过程的进一步改进：预先设置存储图像信息的写入速度以及发送图像信息的读取速度；在第二步中，根据设置的所述写入速度将获得的图像信息进行存储，而在第五步中，根据设置的读取速度进行发送。本改进方案的优势在于，通过预先设置图像信息的读写速度来控制图像信息的传输过程，在图像信息进行连续传输时，不会出现图像信息未发送完而数据存储空间已被写满的情况，减少数据容易丢失的状况，直接降低图像误码率。

作为所述图像采集方法实现过程的另一优选方案为：预先设置第一存储模块和所述第二存储模块；第二步具体为将图像信息存储进第一存储模块；当达到第一存储模块的存储容量最大值时，将图像信息存储进第二存储模块；第五步具体为当达到第一存储模块的存储容量最大值时，根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息，从第一存储模块获得图像信息并发送至上位机；当达到第二存储模块的存储容量最大值时，根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息从第二存储模块获得图像信息并发送至上位机。所述优选方案优点在于，图像信息的写入与图像信息的发送在两个存储模块进行，与使用一个存储模块进行图像信息同时读写操作相比较，在传输的过程中，每个存储模块只进行图像写入或图像读取的单一操作，在时间相同的情况下能够接受更大的传输数据量，即高分辨率的图像采集传输速度得到提高。

作为所述图像采集方法实现过程的又一种优选方案，在第三步中根据接收端操作系统的传输数据能力确定门限值的过程具体包括：根据接收端操作系统的传输数据最大值确定门限值。以上位机的操作系统为Windows XP系统为例，在进行海量传输方式时，一个URB的海量传输方式传输数据的最大值为3344K Bytes，门限值的取值范围可为2048K—3344K Bytes。优先选择3344KBytes作为门限值，能减少传输所需的URB数量，减少系统处理URB的工作量，系统采集高分辨率图像的传输速度更快。

作为所述图像采集方法实现过程的又一种优选方案，在第三步中根据门限值和第一数据容量信息确定URB数量的过程包含：按照第一数据容量信息和门限值，计算第一数据容量信息与门限值相除的商，商的整数部分加上数量一即为构建的URB数量。采用本优选方案来确定需构建的URB数量，与上述优化方案的效果类似，在满足传输要求的同时，能够保持URB数量尽可能的少，减少系统处理URB的工作量，同时，由于传输采用的是串行传输结构，URB数量的减少能缩短系统处理时间，提高系统采集高分辨率图像的传输速度。

作为所述图像采集方法实现过程的另一种优选方案，在第三步中根据门限值确定所述URB的第二数据容量信息的过程具体包括：根据门限值和单帧图像的消隐区来设置第二数据容量信息。通过这样的设置，在需要构建多个URB发送至USB总线驱动时，每个URB传输数据结束后，可以在行消隐区或列消隐区输出触发指令进行下一个URB的传输。在行消隐区或列消隐区这样的时间间隔内，输出控制指令不额外增加处理时间，提高了采集高分辨率图像的传输速度，而且本方案能够保持数据传输的连续性，不会覆盖已经传输的数据，进一步保证高分辨率图像的完整采集。

实施例1：

根据USB 2.0协议与Windows驱动特征，对使用Windows XP操作系统的上位机读取500万像素分辨率的图像信息传输请求，在基于USB的图像采集装置驱动层进行构建多个URB的处理。该处理具体包括如下几个具体步骤：

第一步，采用DriverWorks软件，生成图像采集装置基于WDM模式的USB驱动程序框架。在USB驱动程序框架添加厂商请求与类请求，实现上位机对图像采集装置的参数设置。根据硬件设计，选择图像信息传输类型，由于进行的是高分辨率图像的采集，采集过程中传输的数据量很大，选择图像信息传输类型为海量传输方式。

第二步，图像采集装置接收上位机的操作请求IRP并进行分析，判断该IRP的类型。通过判断该IRP的类型，区分厂商请求、类请求和数据操作要求。所述图像采集装置接收单帧图像读取操作的IRP并分析该IRP，所述IRP包含欲获取的图像信息的标识信息和第一数据容量信息。

第三步，图像采集装置获取图像信息，预先设置存储图像信息的写入速度以及发送图像信息的读取速度，使写入速度小于读取速度。按照预先设置的写入速度将获取的图像信息进行存储。

第四步，由于上位机的操作系统为Windows XP系统，在进行海量传输方式时，一个URB的海量传输方式传输数据的最大值为3344K Bytes，门限值的取值范围可为2048K—3344K Bytes，此处取门限值为2048K Bytes。由于要读取的500万像素分辨率的图像，IRP的第一数据容量信息大于2048K Bytes，确定构建URB的数量为3个，所述URB包含图像信息的标识信息和第二数据容量信息，每个URB的第二数据容量信息小于2048K Bytes，构建的3个URB传输数据总和等于IRP的第一数据容量信息。

第五步，图像采集装置的驱动层发送3个URB至USB总线驱动，所述URB包含图像信息的标识信息和第二数据容量信息。

第六步，图像采集装置根据图像信息的标识信息和第二数据容量信息，将获得的图像信息发送至上位机。

通过以上的步骤，完成了高分辨率图像的大数据量传输过程。

实施例2：

基于USB的图像采集装置上电后，使用Windows XP操作系统的上位机发送初始化命令至图像采集装置，图像采集装置对命令进行解析，根据解析得到的参数进行初始化。当上位机发送读取图像信息的请求时，图像采集装置解析该请求，实现请求的具体过程为：

第一步，图像采集装置接收上位机发出的读取图像的IRP并分析，所述IRP包含欲获取的图像信息的第一数据容量信息以及图像信息的标识信息；

第二步，图像采集装置获取图像信息，预先设置第一存储模块和第二存储模块，并将图像信息存储进第一存储模块，当达到第一存储模块存储容量最大值，该图像采集装置将图像信息存储进第二存储模块；

第三步，上位机操作系统为Windows XP系统，则进行海量传输方式时，一个URB的海量传输方式传输数据的最大值为3344K Bytes，门限值的范围为2048K—3344K Bytes，此处取3344K Bytes为门限值。当上位机发送要求传输2592×1944分辨率像素8bits表示的图像的IRP时，所述IRP的第一数据容量信息为5038K，大于门限值3344K Bytes，计算得到：5038/3344≈1.5066，对商值取整再加上数量一，确定需构建的URB数量为2个，图像采集装置的驱动层构建2个URB，所述URB包含图像信息的标识信息和第二数据容量信息，第一个URB的第二数据容量信息为2592×1320bytes，传输数据结束位置为该帧图像的第1320行结束的行消隐区，第二个URB的第二数据容量信息为2592×640bytes；

第四步，图像采集装置的驱动层将2个URB顺序串行发送至USB总线驱动，所述URB包含图像信息的标识信息和第二数据容量信息；

第五步，当达到第一存储模块的存储容量最大值时，图像采集装置根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息，从第一存储模块获得图像信息，并发送至上位机；当达到第二存储模块的存储容量最大值时，图像采集装置根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息，从第二存储模块获得图像信息，并发送至上位机。

作为基于USB的图像采集方法的实现途径，本发明还提出基于USB的图像采集装置，该图像采集装置包含：主控模块和传输模块。上位机发送单帧图像的读取操作的IRP，主控模块接收该IRP进行分析，然后开始获取图像信息；所述IRP包括欲获取的图像信息的第一数据容量信息。主控模块发出控制指令，将获取到的图像信息发送至传输模块进行存储。传输模块的驱动层根据上位机操作系统的传输数据能力确定门限值，并根据门限值和第一数据容量信息确定URB的数量以及URB的第二数据容量信息；传输模块接收主控模块的控制信号，通过传输模块的驱动层向USB总线驱动发送URB，所述URB包括图像信息的标识信息以及第二数据容量信息；根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息，传输模块接收主控模块的控制信号，将获得的图像信息发送至上位机。

作为本发明提出的基于USB的图像采集装置的进一步改进，还包含读写控制模块，用于设置存储所述图像信息的的写入速度以及发送所述图像信息的读取速度。针对普通上位机多次读取来实现图像采集的传输过程的方式，在图像采集装置数据存储空间有限的情况下，持续传输图像信息不会出现图像信息未发送完而数据存储空间已写满的情况，减少数据的丢失，保证图像的完整采集。

作为本发明提出的基于USB的图像采集装置的另一优选方案为：所述传输模块具体包含第一存储模块和第二存储模块。传输模块将获得的图像信息存储进第一存储模块；当达到第一存储模块的存储容量最大值时，将图像信息存储进第二存储模块，根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息从第一存储模块获得图像信息，并发送至上位机；当达到第二存储模块的存储容量最大值时，根据图像信息的标识信息以及第二数据容量信息从第二存储模块获得图像信息，并发送至上位机。在传输的过程中，每个存储模块只进行图像写入或图像读取的单一操作，软件方案的设计更容易实现，而且高分辨率的图像采集传输速度也得到提高。使用单个存储模块同时读写时，需要控制芯片有较高的处理要求，相应地会带来硬件设计难度的提高和研发成本的增加，使用本优选方案则可不需使用高规格的控制芯片，直接减少硬件设计难度和研发成本。

实施例3：

现有技术的图像采集装置硬件方案，如图3所示，主要由5个模块组成：图像传感器模块11、图像采集模块12、数据传输模块13、系统主控模块14与图像压缩处理模块15。图像传感器模块11负责光电转换工作，一般采用CMOS、CCD传感芯片，将采集的包含图像信息的光信号转换成为适合传输与处理的电信号；图像采集模块12负责实时高速地采集图像传感器11输出的图像信息，一般采用FPGA或者DSP来实现；数据传输模块13和系统主控模块14完成对系统的控制与数据传输，采用USB控制器芯片；图像压缩处理模块15完成将采集到的图像进行压缩处理的工作，采用专门的压缩处理芯片来实现。该方案借用图像压缩技术，降低了需要传输的图像信息量，但同时由于存在图像压缩处理部分，在上位机上面需要对图像进行解压缩处理才能显示图像。原始图像经过压缩处理后都会丢失大量的图像细节，无法满足高质量图像的采集要求。由于本硬件方案采用专门的压缩处理芯片来实现图像压缩处理工作，为此需要增加专门的图像压缩模块设计工作；而且压缩处理芯片的外围电路器件也需要相应增加，导致设计的成本增高，硬件设计难度也较大。

本实施例提出的基于USB的图像采集装置，如图4所示，包含：图像传感器模块11，图像采集模块12，数据传输模块13以及系统主控模块14。图像传感器模块11由CMOS超高分辨率数字图像传感器和光学镜头构成，用于完成高分辨率图像的捕获；图像采集模块12由FPGA或者CPLD构成，用于捕获图像信息的接收和存储；数据传输模块13由基于USB 2.0的USB控制器构成，完成采集数据的传输和读写；系所述统主控模块14由单片机或MCU构成，用于初始化各个系统模块和解析PC机各种控制命令。在所述系统主控模块14的协调控制下，图像传感器模块11捕获图像，捕获得到的图像通过图像采集模块12实现采集，采集的图像信息发送到数据传输模块13，数据传输模块13驱动层构建URB发送至总线驱动，然后该数据传输模块13再将图像信息发送至上位机，完成整个采集过程。

由于本发明所述的基于USB的图像采集装置，在硬件设计上减少了包含专用图像压缩处理芯片以及相应的外围电路器件的图像压缩处理模块，硬件设计工作量得到减少，并且也降低了图像采集装置的的开发成本。

实施例4

作为本发明提出的基于USB的图像采集装置的另一实施例，所述实施例是基于USB 2.0接口的500万像素图像高速采集装置，该装置包含：图像传感器模块11采用的是CMOS数字图像传感器MT9P031系列芯片，该传感器提高12bits的A/D转换，支持500万像素的图像采集，能够产生稳定帧率的像素数据流，最大能产生9600万像素/秒。图像采集模块12采用FPGA或者CPLD实现，根据不同的控制信号，完成图像信息采集，并把数据放入数据缓冲区。数据传输模块13采用支持USB 2.0的USB控制器CY7C68013芯片，该芯片有以下特点：集成USB 2.0收发器，SIE，增强的8051微控制器和可编程外设接口(GPIF)，有智能串行接口引擎，单独的SETUP和DATA部分的数据缓冲器，四个集成的FIFO，支持主从操作。数据传输模块13中的CY7C68013芯片接收上位机发出的厂商请求、类请求与数据操作请求，完成与上位机的同步传输确认之后，开始接收并分析单帧图像读取操作IRP。由图像传感器模块11中MT9P031系列芯片接收控制指令采集500万像素的图像信息，然后将图像信息发送至图像采集模块12进行存储，然后图像采集模块12将图像信息发送至数据传输模块13，该数据传输模块13根据单帧图像读取操作的IRP，由驱动层构建一个或多个URB发送至USB总线驱动。USB总线驱动返回读取的数据，上位机将返回的数据顺序放入指定传输数据的交换缓冲区，完成500万像素图像信息的高速传输过程。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于USB的图像采集方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，从接收端接收单帧图像的读取操作的IRP，所述IRP包括欲获取的图像信息的第一数据容量信息以及所述图像信息的标识信息；

步骤2，从发送端接收所述图像信息，并将该图像信息进行存储；

步骤3，根据接收端操作系统的传输数据能力确定门限值，并根据所述门限值以及所述第一数据容量信息确定URB的数量，根据所述门限值确定所述URB的第二数据容量信息；所述第二数据容量不大于所述门限值；

步骤4，所述发送端驱动层发送所述URB，所述URB包括所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息；

步骤5，根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息将获得的所述图像信息发送至所述接收端。

2.根据权利要求1所述的基于USB的图像采集方法，其特征在于：

所述步骤2之前还包括：

预先设置存储所述图像信息的的写入速度以及发送所述图像信息的读取速度；

所述步骤2根据所述写入速度进行存储，所述步骤5根据所述读取速度进行发送。

3.根据权利要求1所述的基于USB的图像采集方法，其特征在于：

所述步骤还包括：

预先设置第一存储模块和第二存储模块；

所述步骤2具体包括：

将所述图像信息存储进所述第一存储模块；当达到所述第一存储模块的存储容量最大值时，将所述图像信息存储进所述第二存储模块；

所述步骤5具体包括：

当达到所述第一存储模块的存储容量最大值时，根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息从所述第一存储模块获得所述图像信息，并发送至所述接收端；当达到所述第二存储模块的存储容量最大值时，根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息从所述第二存储模块获得所述图像信息，并发送至所述接收端。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于USB的图像采集方法，其特征在于，所述步骤3中根据接收端操作系统的传输数据能力确定门限值的过程具体包括：

根据接收端操作系统的传输数据最大值确定所述门限值。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于USB的图像采集方法，其特征在于，所述步骤3中根据所述门限值以及所述第一数据容量信息确定URB的数量的过程具体包括：

根据门限值以及所述第一数据容量信息，计算所述第一数据容量信息与门限值相除的商，所述商的整数部分加上数量一即为URB数量。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于USB的图像采集方法，其特征在于，所述步骤3中根据所述门限值确定所述URB的第二数据容量信息的过程具体包括：

根据门限值和所述单帧图像的消隐区确定所述URB的第二数据容量信息。

7.一种基于USB的图像采集装置，其特征在于，包含：

主控模块，用于接收发送端以及接收端发送的各种信息；

传输模块，用于存储图像信息和数据传输；

所述主控模块从接收端接收单帧图像的读取操作的IRP，并获取所述图像信息；所述IRP包括欲获取的图像信息的第一数据容量信息；所述传输模块接收所述图像信息并进行存储；所述传输模块的驱动层根据所述接收端操作系统的传输数据能力确定门限值，并根据所述门限值和所述第一数据容量信息确定所述URB的数量以及所述URB的第二数据容量信息；所述传输模块接收所述主控模块的控制信号，通过所述传输模块的驱动层向所述接收端发送所述URB，所述URB包括所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息；根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息，所述传输模块接收所述主控模块的控制信号，将获得的所述图像信息发送至所述接收端。

8.根据权利要求7所述的图像采集装置，其特征在于，还包含读写控制模块，用于设置存储所述图像信息的的写入速度以及发送所述图像信息的读取速度。

9.根据权利要求7或8所述的图像采集装置，其特征在于，所述传输模块具体包含第一存储模块和第二存储模块，所述传输模块将获得的所述图像信息存储进所述第一存储模块；当达到所述第一存储模块的存储容量最大值时，将所述图像信息存储进所述第二存储模块，根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息从所述第一存储模块获得所述图像信息，并发送至所述接收端；当达到所述第二存储模块的存储容量最大值时，根据所述图像信息的标识信息以及所述第二数据容量信息从所述第二存储模块获得所述图像信息，并发送至所述接收端。

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