CN103916643A - 一种高速智能线阵彩色ccd相机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器视觉技术领域，公开了一种高速智能线阵彩色CCD相机；包括电荷耦合器件(CCD)、CCD驱动模块、数模转换模块(ADC)、现场可编程门阵列模块(FPGA)、随机存储模块和USB3.0控制和传输模块;相机采用彩色线阵CCD获取物体的高速高分辨率彩色图像,能利用颜色信息进行识别分类,具有广泛的应用场合;采用FPGA对线阵图像进行处理,包括非均匀性校正等算法,同时可在不改变硬件平台的情况下实现多种智能算法;采用USB3.0高速接口,能实时传输高速彩色线阵CCD相机的图像数据,且接口简单、连接方便。

Description

一种高速智能线阵彩色CCD相机
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域, 特别涉及工业检测、粮食色选等在线检测应用场合,具体设计了一款基于FPGA和USB3.0的智能高速线阵彩色CCD相机。                  
背景技术
机器视觉在线检测技术通过光电成像和智能算法对产品进行高速检测和快速识别,在越来越多的行业如工业产品检测、粮食色选等得到了应用。
颜色作为一个重要的信息量,是人类认识世界的一个重要工具. 若能通过相机获取物体的彩色图像,视觉系统就能利用颜色信息对产品进行检测, 能在更多地场合发挥更大的作用; 彩色线阵相机相比黑白线阵相机增加了颜色数据通道,从而对相机的数据处理和传输能力提出了更高要求。
相机作为眼睛,是在线检测系统中的关键部件.随着检测质量的不断提高,对相机的成像速度和分辨率也提出了更高的要求,更高的速度和分辨率也就要求相机具有更高的传输带宽和处理能力。
以行频18K,分辨率为2048的三通道红绿蓝彩色相机为利,量化位宽以12bit计算,数据传输带宽要达到1.3Gbps,因此需要有一种较快并且好用的数据传输方式,另外在线检测场合也需要相机具有较强在线处理功能,即要求相机能实现一些智能算法。
发明内容
针对以上技术问题,本发明公开了一种USB3.0高速智能线阵彩色CCD相机,具体的技术方案如下:
相机包括彩色线阵电荷耦合器件(CCD)、CCD驱动模块、数模转换模块(ADC)、现场可编程门阵列模块(FPGA)、随机存储模块和USB3.0控制和传输模块;彩色线阵CCD输出的模拟信号连接到模数转换模块(ADC)后进入FPGA进行处理;FPGA同时产生CCD需要的驱动时钟,经过CCD驱动模块进行电平转换后连接到CCD;FPGA处理后的图像数据经过USB3.0输出.本发明采用FPGA对线阵图像进行处理,包括非均匀性校正、彩色智能处理算法等。
上述的FPGA是系统的控制和算法处理核心单元: 首先根据彩色线阵CCD的时序驱动要求,产生CCD的驱动信号,并通过CCD的时序要求来调整CCD的积分时间、像素频率等参数; 其次为随机存储模块提供写入和读出控制信号,并将原始数据或者处理完的数据传输给USB3.0控制器; 所述的FPGA通过ADC的控制接口配置ADC的内部寄存器,以设置ADC的工作状态,如增益调节,偏置调节等。
上述的FPGA对彩色线阵CCD相机的非均匀性进行校正, 非均匀性校正算法可采用两点法或者多点法,两点法的系数通过非均匀性校正装置计算得到后预先保留在FPGA内部; 通过循环移位不断读取对应像素的系数，通过加法和乘法校正非均匀性。
上述彩色线阵CCD采用三线阵CCD或者双线阵CCD, 三线阵输出的红、绿、蓝三路模拟视频连接到模数转换单元. 模数转换单元可选用多片ADC,也可选用单片多路ADC，ADC内部一般有增益和偏置调节，通过外部总线配置寄存器设置。
上述随机存储模块用来存储线阵CCD图像数据和用作算法计算过程中的缓存。
上述的CCD驱动模块接收FPGA过来的信号，并根据CCD驱动信号的电平和上升下降沿要求，产生CCD所需的驱动信号。
 USB3.0控制器接收FPGA传输过来的数据，并将其通过USB3.0协议传输到ＰＣ或其它设备,USB3.0控制器同时接收从PC过来的控制信号,传输给FPGA后,通过FPGA设置CCD的工作方式,如积分时间,像素频率等。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.以FPGA为系统核心，控制CCD的驱动和信号采集，实现对CCD相机的积分时间、像素时钟等参数的灵活调节; 并实现对线阵CCD的非均匀性进行校正算法，另外可根据需要实现其它智能算法而不用改变硬件平台。
2.采用三线阵彩色CCD，能获取高速高分辨率的彩色图像，驱动时钟的最高频率达到４０ＭＨｚ，行频达到１８Ｋ，行分辨率最高达到10K，能满足大部分应用场景的需要。
3.传输速度高，最高能达到3.2Gbps，能将线阵CCD的数据实时传输到PC或其它设备。
4.采用USB3.0接口实时传输图像,具有传输带宽高,使用方便，便于集成,支持热插拔等优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一种USB3.0智能高速彩色线阵CCD相机的模块框图。
图2是彩色线阵CCD和ADC之间的接口图。
图3是单通道视频非均匀性校正算法在FPGA内部的实现图。
具体实施方式
图1是一种智能高速彩色线阵CCD相机的模块框图, 包括彩色线阵电荷耦合器件(CCD)、CCD驱动模块、数模转换模块(ADC)、现场可编程门阵列模块(FPGA)、随机存储模块和USB3.0控制和传输模块;彩色线阵CCD输出的模拟信号连接到模数转换模块(ADC)后进入FPGA进行处理;FPGA同时产生CCD需要的驱动时钟,经过CCD驱动模块进行电平转换后连接到CCD;FPGA处理后的图像数据经过USB3.0输出.本发明采用FPGA对线阵图像进行处理,包括非均匀性校正算法等。
FPGA是系统的控制和算法处理模块, 根据彩色线阵CCD的时序驱动要求,产生CCD的驱动信号,并通过CCD的时序要求来调整CCD的积分时间、像素频率等参数; 为随机存储模块提供写入和读出控制信号,并将原始数据或者处理完的数据传输给USB3.0控制器; 所述的FPGA通过ADC的控制接口配置ADC的内部寄存器,以设置ADC的工作状态,如增益调节,偏置调节等。
USB3.0控制器接收FPGA传输过来的数据，并将其通过USB3.0协议传输到ＰＣ或其它设备,USB3.0控制器同时接收从PC过来的控制信号,传输给FPGA后,通过FPGA设置CCD的工作方式,如积分时间,像素频率等。
随机存储模块用来存储线阵CCD图像数据和用作算法计算过程中的缓存。
CCD驱动模块接收FPGA过来的信号，并根据CCD驱动信号的电平和上升下降沿要求，产生CCD所需的驱动信号。
图2是CCD和ADC之间的信号接口图, 线阵CCD输出的红、绿、蓝三路视频信号分别输入到ADC，一般ADC内部集成有相关双采样，增益和偏置调节等信号调理单元，视频信号经过调理后输入到模数转换模块数字化；此处的ADC可选择三个独立的芯片，也可选用两路或者三路集成的芯片，以减少ADC的输出信号线，相应减少FPGA的输入输出接口数要求。
 图3是非均匀性校正算法在FPGA内部的一种实现框图，这里显示的两点法校正的实现框图，两组校正系数分别存入两组存储器，输入图像数据分别加上和乘以这两组系数，设输入数据频率为f，每一个像素数据进来后，分别对应的系数进行计算，下一个像素进来时，移位读出下一组系数。
    在此说明书中，本发明已参照特定实施例作了描述，但是，很显然仍然可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此说明书和附图应被认为是说明性的而非限定性的。 

Claims (8)

1.一种高速智能线阵彩色CCD相机，其特征在于：包括彩色线阵电荷耦合器件(CCD)、CCD驱动模块、数模转换模块(ADC)、现场可编程门阵列模块(FPGA)、随机存储模块和USB3.0控制和传输模块;彩色线阵CCD输出的模拟信号连接到模数转换模块(ADC)后进入FPGA进行处理;FPGA同时产生CCD需要的驱动时钟,经过CCD驱动模块进行电平转换后驱动CCD;FPGA处理后的图像数据经过USB3.0输出,随机存储模块用于保存图像数据;本发明采用FPGA对线阵图像进行处理,包括非均匀性校正、彩色智能处理算法等。
2. 根据权利要求1，所述的FPGA是系统控制和算法处理核心: 首先根据彩色线阵CCD的时序驱动要求,产生CCD的驱动信号,并通过CCD的时序要求来调整CCD的积分时间、像素频率等参数; 其次为随机存储模块提供写入和读出控制信号,并将原始数据或者处理完的数据传输给USB3.0控制器; 所述的FPGA通过ADC的控制接口配置ADC的内部寄存器,以设置ADC的工作状态,如增益调节,偏置调节等。
3.根据权利要求1，所述的FPGA对彩色线阵CCD相机的非均匀性进行校正, 非均匀性校正算法可采用两点法或者多点法,两点法的系数通过非均匀性校正装置计算得到后预先保留在FPGA内部。
4.根据权利要求1,所述的FPGA内部实现各种智能算法, 而不用改变现有的相机硬件平台,如各种颜色智能分选算法。
5.根据权利要求1，所述的彩色线阵电荷耦合器件(CCD)采用三线阵CCD或者双线阵CCD, 线阵CCD输出的红、绿、蓝等彩色模拟视频连接到模数转换单元进行模数转换。
6.根据权利要求1，所述的CCD驱动模块产生CCD器件要求的电平标准和时序标准.如上升时间、下降时间等; 所述的CCD驱动模块的输入由FPGA产生。
7.根据权利要求1, 所述的模数转换器对CCD输出的模拟视频信号进行数字化;一般ADC内部集成有相关双采样，增益和偏置调节等信号调理单元，视频信号经过调理后进行模数转换；所述的ADC可选择三个独立的芯片，也可选用两路或者三路集成的芯片，以减少ADC的输出信号线，相应减少FPGA的输入输出接口数量要求。
8.根据权利要求1，所述的USB3.0控制器用来传输处理前或者处理后的图像数据，USB3.0控制器接收FPGA传输过来的数据，并将其通过USB3.0协议传输到PC或其它设备,USB3.0控制器同时接收从PC过来的控制信号,传输给FPGA后,通过FPGA设置CCD的工作方式,如积分时间,像素频率等。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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