CN102186012A - 具有1394接口的数字工业相机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有1394接口的数字工业相机，包括：感光芯片，感光芯片用于感知外界图像信息；可编程数字逻辑芯片，和感光芯片相连；图像存储器，和可编程数字逻辑芯片相连；接口链路层芯片，和可编程数字逻辑芯片相连；接口物理层芯片，和接口链路层芯片相连；CPU，和感光芯片、可编程数字逻辑芯片、图像存储器、接口链路层芯片、接口物理层芯片均相连；1394接口，位于数字工业相机上，为数字工业相机与计算机传输数据以及从计算机获取电源的接口，1394接口和接口物理层芯片相连。本发明具有1394接口的数字工业相机有良好的兼容性；图像的分辨率和帧频较高，在检测过程中不丢帧，提高了检测的质量；采用DMA传输，降低CPU的占用率，提高了整个检测过程的效率。

Description

具有1394接口的数字工业相机及其使用方法

技术领域

本发明属于机器视觉图像测量与模式识别技术领域，具体涉及一种具有1394接口的数字工业相机及其使用方法。

背景技术

机器视觉是使用计算机图像技术，实现对在线生产产品的质量检测控制。机器视觉系统主要包括图像的获取、图像的处理和分析、输出控制三个部分。其中，图像获取环节尤为重要，图像获取的效率将很大程度影响整个视觉系统是否能够满足高速在线生产产品的速度，而获取图像的质量将对能否正确检测产品的优劣有决定性的作用。

工业相机产生的图像要传输到计算机，参数接口是传输图像效率的关键。接口按信号类型分，有模拟接口和数字接口两种。模拟接口指的是传输线中传输的信号是模拟的，但计算机处理图像都是需要数字的，所以，这种相机在使用时需要配板卡。板卡完成模拟到数字的转换，并将图像传输到主机。而数字相机在相机内部就已经将模拟信号转换为数字的了，不再需要采集卡。目前，业界主要采用模拟接口，数字接口中则以技术简单的USB数字接口为主。

模拟接口是传统的接口技术，虽然技术较落后，但是它有其特殊的技术优点。由于板卡都是PCI接口的，这种接口的传输采用的是DMA，基本不占用CPU的资源；其次模拟接口是标准的，不需要做软件开发，所以，不同相机厂商的相机可以非常方便的替换。但是随着技术的发展，模拟接口也凸显出越来越多的致命缺陷。第一，模拟接口针对的是标准图像制式，如PAL，这种制式的分辨率是768×576，帧频是25帧/s，现在在工业检测领域，市场对检测的精度、速度的要求越来越高，当需要更高的帧频和分辨率时，模拟接口的相机不能满足要求了；第二，模拟接口相机一般是隔行扫描（Interline Transfer CCD）相机，即图像分奇偶场，每一场图像的分辨率是768×288，两场合并成一帧。这种制式在开始启用时是为了减轻传输带宽的压力，但是，在需要抓拍运动物体的工业场合，这种方式就很不合适了，因为很显然，奇偶场的曝光时刻不一致，那么在合成一帧的时候，图像就会有严重的锯齿效应；第三，模拟相机在使用时必须配板卡，成本也偏高，也不利于系统的集成化，加大了图像获取环节出现问题的概率。

USB数字接口虽然不存在上述模拟接口的众多缺点，但是，首先，USB数字接口需要接口驱动软件，即需要做软件开发，不同的相机厂商的相机的接口驱动不会完全一样，这给用户带来了非常大的麻烦；其次，USB数字接口会占用较大的CPU的资源，对于机器视觉设备来说，CPU是非常宝贵的资源，因为要完成算法处理是需要很多CPU资源的，特别是为了降低机器视觉设备的成本，往往一台计算机上会同时运行很多工业相机，这时，哪怕一台工业相机占用10％的CPU，则8台同时运行就会占到80％，基本不可能做算法处理了。

发明内容

本发明提出一种具有1394接口的数字工业相机及其使用方法，以解决现有技术中存在工业相机容易丢帧、兼容性差和占用CPU资源过多的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种具有1394接口的数字工业相机，包括：感光芯片，所述感光芯片用于感知外界图像信息；可编程数字逻辑芯片，和所述感光芯片相连；图像存储器，和所述可编程数字逻辑芯片相连；接口链路层芯片，和所述可编程数字逻辑芯片相连；接口物理层芯片，和所述接口链路层芯片相连；CPU，和所述感光芯片、所述可编程数字逻辑芯片、所述图像存储器、所述接口链路层芯片、所述接口物理层芯片均相连；1394接口，位于所述数字工业相机上，为所述数字工业相机与计算机传输数据以及从所述计算机获取电源的接口。

可选的，所述1394接口和所述接口物理层芯片相连。

可选的，所述数字工业相机还包括一应用程序，所述应用程序在计算机中运行，所述应用程序包括相机基本属性控制模块、相机工作模式控制模块、相机图像获取和处理模块。

可选的，所述数字工业相机还包括一驱动芯片和一AD数模转换芯片，所述驱动芯片、所述AD数模转换芯片均和所述感光芯片相连，所述AD数模转换芯片还和所述CPU相连。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种具有1394接口的数字工业相机的使用方法，包括以下步骤：步骤1：感光芯片感知外界图像信息，采集图像信息；步骤2：可编程数字逻辑芯片接受所述图像信息，并将所述图像信息存储于图像存储器中；步骤3：所述可编程数字逻辑芯片从所述图像存储器中读取所述图像信息，并向接口链路层芯片和接口物理层芯片传送；步骤4：通过1394接口，将所述图像信息传输至计算机，并通过1394接口，从所述计算机获取电源。

可选的，所述感光芯片采集图像信息后，通过AD数模转换芯片，将图像信息的模拟信号转换成数字信号后，在传送至所述可编程数字逻辑芯片。

可选的，在所述步骤3之后，还存在步骤31：可编程数字逻辑芯片产生感光芯片驱动时序信号，并将所述时序信号送至驱动芯片，所述驱动芯片将所述时序信号驱动为所述感光芯片可接受的信号，完成对所述感光芯片的驱动，同时调节所述感光芯片的工作模式。

可选的，所述感光芯片的工作模式包括连续采集、软件触发和硬件触发。

可选的，在所述步骤1之前，还包括步骤11：通过设置可编程数字逻辑芯片、AD数模转换芯片、接口链路层芯片和接口物理层芯片，设置图像参数，所述图像参数包括：分辨率、亮度、对比度、红通道增益、蓝通道增益、总体增益、曝光时间和AD位数。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法由于采用了数字接口，因此，图像的分辨率和帧频较高，不存在丢帧现象，提高了检测的质量；本发明由于采用了1394接口，从而使得数字相机也具有了模拟相机的良好兼容性的特点；另外，本发明提供的相机采用直接内存访问（DMA）的方式，不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式，从而降低了CPU的占用率，提高了相机的运行速度。

附图说明

图1为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的相机结构框图。

图2为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的方法流程示意图。

图3-图5为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的一实施例的结构示意图。

其中图3为前视图；图4为后视图；图5为侧视图。

图6为图3-图5中所述相机的相机规格参数表。

图7为图3-图5中所述相机接口的物理位置和管脚序号。

图8为图3-图5中所述相机接口的IEEE 1394 接口管脚分配置表。

图9为图3-图5中所述相机接口的RJ45接口管脚分配置表。

图10为图3-图5中所述相机光谱特性图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法做进一步的说明。

首先，请参考图1，图1为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的相机结构框图，从图上可以看出，本发明一种具有1394接口的数字工业相机，包括：

感光芯片及感光芯片外围器件11，所述感光芯片用于感知外界图像信息，光电转换，产生图像，感光芯片外围器件包括一驱动芯片和一AD数模转换芯片，所述驱动芯片、所述AD数模转换芯片均和所述感光芯片相连，所述AD数模转换芯片还和所述CPU相连，感光芯片本身只能完成成像的功能，需要一些外围设备配合工作,驱动芯片将时序信号驱动为感光芯片可接受的信号水平，由于感光芯片产生的图像信息是模拟信号，因此，需要AD数模转换芯片完成模拟信号到数字数字的转换，同时支持增益设置等功能；

可编程数字逻辑芯片，和所述感光芯片相连，为图像流操作芯片，高速控制图像流，它接收AD数模转换芯片传来的数据，存入图像存储器，再从图像存储器中读出，向接口传输芯片中的链路层芯片中传送，这样做是为了保证图像的完整性和传输效率，可编程数字逻辑芯片同时产生感光芯片驱动时序，送给驱动芯片完成对感光芯片的驱动，并调节工作模式；

图像存储器，和所述可编程数字逻辑芯片相连，用于提供缓存，便于对图像流的操作；

接口链路层芯片，和所述可编程数字逻辑芯片相连，接受可编程数字逻辑芯片传输过来的图像；

接口物理层芯片，和所述接口链路层芯片相连，由接口物理层芯片将图像通过线缆接口传输给计算机，链路层芯片同时接受线缆的总线电源，向整个相机供电；

CPU，和所述感光芯片、所述可编程数字逻辑芯片、所述图像存储器、所述接口链路层芯片、所述接口物理层芯片均相连，负责整个硬件的逻辑控制；

1394接口，位于所述数字工业相机上，为所述数字工业相机与计算机传输数据以及从所述计算机获取电源的接口，所述1394接口和所述接口物理层芯片相连。

所述数字工业相机还包括一应用程序，所述应用程序在计算机中运行，所述应用程序包括相机基本属性控制模块、相机工作模式控制模块、相机图像获取和处理模块。数字工业相机系统软件和硬件结合，可以完成的功能包括：采集图像、设置相机工作模式、设置图像参数、设置IO接口和保存图像。此外，软件还包括驱动程序，驱动程序连接硬件与操作系统，使用WDM（微软驱动程序模型）架构开发的Windows 功能驱动，向下和Windows 1394总线驱动连接，获取由相机硬件传输过来的图像，向上与SDK（软件二次开发工具包）连接，将图像数据传输到上层；应用程序接口SDK：对相机的各个功能进行封装，提供一些使用相机的函数接口，向下与驱动程序相连，接收图像数据；应用程序则在界面操作，调用相机的SDK接口函数，提供可以直接操作的Demo（演示程序）界面。

接着，请参考图2，图2为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的方法流程示意图。从图2可以看出，本发明具有1394接口的数字工业相机的使用方法，包括以下步骤：

步骤21：感光芯片感知外界图像信息，采集图像信息，所述感光芯片采集图像信息后，通过AD数模转换芯片，将图像信息的模拟信号转换成数字信号后，在传送至所述可编程数字逻辑芯片，在采集图像信息之前，还包括通过设置可编程数字逻辑芯片、AD数模转换芯片、接口链路层芯片和接口物理层芯片，设置图像参数，所述图像参数包括：分辨率、亮度、对比度、红通道增益、蓝通道增益、总体增益、曝光时间和AD位数；

步骤22：可编程数字逻辑芯片接受所述图像信息，并将所述图像信息存储于图像存储器中；

步骤23：所述可编程数字逻辑芯片从所述图像存储器中读取所述图像信息，并向接口链路层芯片和接口物理层芯片传送，可编程数字逻辑芯片产生感光芯片驱动时序信号，并将所述时序信号送至驱动芯片，所述驱动芯片将所述时序信号驱动为所述感光芯片可接受的信号，完成对所述感光芯片的驱动，同时调节所述感光芯片的工作模式，工作模式包括连续采集、软件触发和硬件触发。

步骤24：通过1394接口，将所述图像信息传输至计算机，并通过1394接口，从所述计算机获取电源。

数字工业相机系统软件和硬件结合，可以完成的功能包括：采集图像、设置相机工作模式、设置图像参数、设置IO接口和保存图像，分别详细阐述如下：

图像采集：点击应用程序采集按钮，该命令通过SDK、驱动发送到硬件的MCU（微控单元），MCU接收到命令后，通知FPGA（现场可编程门阵列）将感光芯片产生的一帧图像经过传输接口物理层和链路层、1394线缆传输到计算机，到达计算机的图像数据经过驱动、SDK后，到达应用程序，应用程序将图像在电脑屏幕上显示，即完成一帧图像的采集，如果是连续模式，则重复以上动作，形成连续的视频流。

设置相机工作模式：相机有三种工作模式，连续采集、软件触发、硬件触发。连续模式下相机一直产生、传输图像数据；软件触发下相机接收到软件发过来的触发命令后才产生、传输一帧图像数据；外触发下相机接收到由IO接口传过来的触发脉冲后才产生、传输一帧图像数据。在软件触发和外触发模式下，接收到触发命令后到产生图像的延迟、相机是否在产生图像的同时通过IO接口输出一个用于控制外界闪光灯的脉冲已经何时输出均可以设置。

设置图像参数：点击应用程序设置按钮，该命令通过SDK、驱动发送到硬件的MCU，MCU接收到命令后，通过设置FPGA、AD数模转换芯片、物理层和链路层完成对应功能设置。可设置的图像参数包括分辨率、亮度、对比度、红通道增益、蓝通道增益、总体增益、曝光时间、AD位数。

设置IO接口:本相机提供6路外接IO接口，2路输入，4路输出。每一路输入均可配置为触发输入信号或用户IO，可以读取高低电平；每一路输出均可配置为闪光灯输出信号或用户IO，可设置高低电平。

保存图像：应用程序接收到图像后，可保存到本地硬盘，保存的格式包括RAW、BMP、JPEG，也可保存AVI视频流。

接着，请参考图3—图5，图3、图4、图5为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的一实施例的结构示意图，分别为前视图、后视图、侧视图，该相机通过1394线缆接口连接计算机，以及通过1394接口从计算机获取相机所需的电源。

下面，请参考图6，图6为本发明具有1394接口的数字工业相机及其使用方法的一实施例的相机规格参数表，包括以下内容：

产品型号：IK200M-12

传感器：Progressive Interline Transfer CCD

彩色/黑白：Mono

分辨率：1628×1236

帧频：12fps

采样精度：10Bit

像素大小：4.4um

光学尺寸：1/1.8

曝光时间：30.69us -266.7ms

同步模式：连续模式/外触发

可调节参数：曝光时间、亮度、增益、白平衡

输入输出：输入：2路，带光耦隔离；

输出：4路，带光耦隔离

镜头接口：C口或CS口

传输接口：IEEE 1394a

传输距离：3米，最长可达10米

供电要求：1394总线供电

支持协议：1394 DCAM 1.31

机械尺寸：52mm × 52 mm × 48.8 mm

下面，请参考图7至图9，其中图7为图3-图5中所述相机接口的物理位置和管脚序号，图8为图3-图5中所述相机接口的IEEE 1394 接口管脚分配置表，图9为图3-图5中所述相机接口的RJ45接口管脚分配置表。接着，请参考图10，图10为图3-图5中所述相机光谱特性图，本发明提供的数字工业相机采用CCD彩色图像传感器，CCD又称电荷耦合器件，它是以电荷作为信号，并具有电荷转移功能的元件。在光电转换过程中，CCD的感光度特性会大大影响再现图像的色彩，也决定拍摄对象可否以与原本相同的色彩再现，所以CCD的光谱感光度特性是决定色彩再现性的重要因素。具有1394接口的数字工业相机的光谱特性图如附图10所示。在附图10中，纵坐标轴代表的是CCD的相对感光灵敏度，横坐标轴代表的是波长。当波长在400nm至500nm之间时，CCD对光的相对灵敏度是不断上升的；当波长大于500nm时，CCD对光的相对灵敏度是渐渐降低的。对于波长在500nm附近的绿光，CCD的相对灵敏度很高。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种具有1394接口的数字工业相机，其特征在于，包括：

感光芯片，所述感光芯片用于感知外界图像信息；

可编程数字逻辑芯片，和所述感光芯片相连；

图像存储器，和所述可编程数字逻辑芯片相连；

接口链路层芯片，和所述可编程数字逻辑芯片相连；

接口物理层芯片，和所述接口链路层芯片相连；

CPU，和所述感光芯片、所述可编程数字逻辑芯片、所述图像存储器、所述接口链路层芯片、所述接口物理层芯片均相连；

1394接口，位于所述数字工业相机上，为所述数字工业相机与计算机传输数据以及从所述计算机获取电源的接口。

2.根据权利要求1所述的数字工业相机，其特征在于：所述1394接口和所述接口物理层芯片相连。

3.根据权利要求1所述的数字工业相机，其特征在于：所述数字工业相机还包括一应用程序，所述应用程序在计算机中运行，所述应用程序包括相机基本属性控制模块、相机工作模式控制模块、相机图像获取和处理模块。

4.根据权利要求1所述的数字工业相机，其特征在于：所述数字工业相机还包括一驱动芯片和一AD数模转换芯片，所述驱动芯片、所述AD数模转换芯片均和所述感光芯片相连，所述AD数模转换芯片还和所述CPU相连。

5.一种具有1394接口的数字工业相机的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：感光芯片感知外界图像信息，采集图像信息；

步骤2：可编程数字逻辑芯片接受所述图像信息，并将所述图像信息存储于图像存储器中；

步骤3：所述可编程数字逻辑芯片从所述图像存储器中读取所述图像信息，并向接口链路层芯片和接口物理层芯片传送；

步骤4：通过1394接口，将所述图像信息传输至计算机，并通过1394接口，从所述计算机获取电源。

6.根据权利要求5所述的数字工业相机的使用方法，其特征在于：所述感光芯片采集图像信息后，通过AD数模转换芯片，将图像信息的模拟信号转换成数字信号后，再传送至所述可编程数字逻辑芯片。

7.根据权利要求5所述的数字工业相机的使用方法，其特征在于：在所述步骤3之后，还存在步骤31：可编程数字逻辑芯片产生感光芯片驱动时序信号，并将所述时序信号送至驱动芯片，所述驱动芯片将所述时序信号驱动为所述感光芯片可接受的信号，完成对所述感光芯片的驱动，同时调节所述感光芯片的工作模式。

8.根据权利要求7所述的数字工业相机的使用方法，其特征在于：所述感光芯片的工作模式包括连续采集、软件触发和硬件触发。

9.根据权利要求5所述的数字工业相机的使用方法，其特征在于：在所述步骤1之前，还包括步骤11：通过设置可编程数字逻辑芯片、AD数模转换芯片、接口链路层芯片和接口物理层芯片，设置图像参数，所述图像参数包括：分辨率、亮度、对比度、红通道增益、蓝通道增益、总体增益、曝光时间和AD位数。

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