CN107370924A - 图像采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像采集系统，包括：图像源(11)，用于产生源图像；采集卡(12)，电连接所述图像源(11)，用于对所述源图像进行编码及解析处理；系统软件(13)，安装于所述采集卡(12)和与所述采集卡(12)电连接的上位机上，用于控制所述图像源(11)和所述采集卡(12)进行图像采集与传输。本发明提供的图像采集系统集图像采集与数据存储于一体，具有高性能、低功耗、小型化、高可靠性等特点应用于众多领域，可以适应野外、高空、机载等不同应用环境。

Description

图像采集系统
技术领域
本发明属于光电仪器领域，特别涉及一种图像采集系统。
背景技术
基于高性能计算机的图像采集系统出现于上个世纪六十年代，当时的采集系统大多为专用图像采集处理系统，应用范围较窄，如美国I2S公司设计的MODEL-70、MODEL-75等，我国图像采集系统的研究起步较晚，主要代表为清华大学的TS79图像采集处理系统。目前图像采集系统已逐步向通用化发展，此类图像采集系统利用计算机的通用高性能接口，设计不同接口形式的采集卡，再借助计算机强大的处理能力实现图像数据的采集。
图像采集系统经过多年发展，已经在军事、医疗、工业等领域获得举足轻重的地位。随着集成电路规模的不断提高，图像采集系统正朝向高分辨率、高帧率、高集成度、高可靠性的方向发展。然而，随着图像处理分析技术的深入研究和广泛应用，仅仅依靠计算机来完成图像采集已不适用于愈加复杂的场景，例如军事伪装是现代战争中不可或缺的战术组成部分，利用多光谱成像可以有效地对伪装目标进行识别。为了保证军事装备及武器设备测试的有效性，必须在山野、丘陵等不同的场景下进行实地测试，而且必须对现场场景的图像进行采集、保存、显示。现有的图像采集系统大多借助电子计算机和视频采集卡，采集系统不仅体积大、成本高，而且成像质量较差，对外界环境较为敏感，难以满足高效、便捷测试的需求。
因此，研究小型化图像采集系统，实现多场景下图像数据的采集，具有广泛而深远的实际意义。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种图像采集系统。
具体地，本发明一个实施例提供了一种图像采集系统10，包括：
图像源11，用于产生源图像；
采集卡12，电连接图像源11，用于对源图像进行编码及解析处理；
系统软件13，用于控制图像源11和采集卡12进行图像采集与传输。
在本发明的一个实施例中，系统软件13包括采集卡嵌入式软件和上位机软件；其中，采集卡嵌入式软件安装于采集卡12上，用于控制图像源11 和采集卡12进行图像采集与传输；上位机软件安装于与采集卡12电连接的上位机上，用于远程控制图像源11和采集卡12进行图像采集与传输。
在本发明的一个实施例中，采集卡12包括：FPGA模块121、ARM模块122、存储模块123、终端模块124及通讯模块125；其中，FPGA模块 121通过CameraLink接口电连接图像源11，用于对源图像进行编码以形成固定大小的数据块；ARM模块122通过CSI接口电连接FPGA模块121，用于对数据块进行解析以形成图像帧数据；存储模块123通过mSATA接口电连接ARM模块122，用于存储图像帧数据。
在本发明的一个实施例中，FPGA模块121包括：FPGA芯片、第一转换芯片、第二转换芯片及第一存储单元；其中，第一转换芯片串接于图像源11与FPGA芯片之间，用于将源图像由LVDS信号转换为TTL信号；第二转换芯片串接于图像源11与FPGA芯片之间，用于实现源图像的LVDS 信号与TTL信号之间的转换；第一存储单元电连接FPGA芯片，用于存储驱动FPGA芯片的配置文件和临时存储数据块。
在本发明的一个实施例中，ARM模块122包括：ARM芯片和第二存储单元；其中，第二存储单元电连接ARM芯片，用于存储ARM芯片的临时数据。
其中，存储模块123为SSD。
在本发明的一个实施例中，终端模块124包括显示单元和用户控制单元；其中，显示单元和用户控制单元分别电连接ARM模块122。
在本发明的一个实施例中，通讯模块125包括：金手指插槽、欧式排插及外设接口；其中，金手指插槽用于电连接ARM模块122；欧式排插用于电连接FPGA模块121。
在本发明的一个实施例中，采集卡12还包括电源管理电路和延时保护电路；其中，电源管理电路包括依次串行电连接的DC-DC芯片、过压保护电路及防插反电路；DC-DC芯片分别电连接FPGA模块121和ARM模块 122；延时保护电路电连接电源管理电路。
在本发明的一个实施例中，图像源11为相机或摄像头。
基于此，本发明具备如下优点：
第一，本发明提供的图像采集系统集图像采集与数据存储于一体，具有小型化和便携式的特点，可以适应野外、高空、机载等不同应用环境。
第二，本发明提供的图像采集系统具有高性能、低功耗、小型化、高可靠性等特点应用于众多领域，能够最大限度地提升软硬件的效率。
第三，本发明提供的图像采集系统采用FPGA芯片将源图像进行编码形成数据块，再经ARM芯片解析后复原为源图像，能够自适应不同分辨率的相机；同时能够离线采集与存储数据，解决了工业相机一般需要特定采集卡的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
图1为本发明一实施例提供的一种图像采集系统的结构框图；
图2为本发明一实施例提供的一种采集卡的结构框图；
图3为本发明另一实施例提供的一种图像采集系统原理框图；
图4为本发明另一实施例提供的一种FPGA模块原理框图；
图5为本发明另一实施例提供的一种电源管理电路的结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的一种延时保护电路工作原理示意图；
图7为本发明再一实施例提供的一种图像采集系统通讯接口卡设计示意图；
图8为本发明再一实施例提供的一种ARM核心卡设计示意图；
图9为本发明再一实施例提供的一种FPGA卡设计示意图；
图10为本发明再一实施例提供的一种交互及延时保护卡设计示意图；
图11为本发明又一实施例提供的一种图像采集系统机械结构示意图；
图12为本发明又一实施例提供的一种FPGA芯片与ARM芯片的连接结构示意图；
图13为本发明又一实施列提供的一种数据块的结构示意图；
图14为本发明又一实施例提供的一种CSI接口在Gated Mode时的工作时序图；
图15为本发明又一实施例提供的一种CSI接口在Non-Gated Mode时的工作时序图；以及
图16为本发明又一实施例提供的一种图像采集系统工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明一实施例提供的一种图像采集系统的结构框图；该系统包括：
图像源11，用于产生源图像；
采集卡12，电连接图像源11，用于对源图像进行编码及解析处理；
系统软件13，用于控制图像源11和采集卡12进行图像采集与传输。
具体地，系统软件13可以包括采集卡嵌入式软件和上位机软件；其中，采集卡嵌入式软件安装于采集卡12上，用于控制图像源11和采集卡12进行图像采集与传输；上位机软件安装于与采集卡12电连接的上位机上，用于远程控制图像源11和采集卡12进行图像采集与传输。
进一步地，请参见图2，图2为本发明一实施例提供的一种采集卡的结构框图；采集卡12可以包括：FPGA模块121、ARM模块122、存储模块123、终端模块124及通讯模块125；其中，FPGA模块121通过CameraLink 接口电连接图像源11，用于对源图像进行编码以形成固定大小的数据块； ARM模块122通过CSI接口电连接FPGA模块121，用于对数据块进行解析以形成图像帧数据；存储模块123通过mSATA接口电连接ARM模块122，用于存储图像帧数据。
其中，存储模块123为SSD。
具体地，FPGA模块121可以包括：FPGA芯片、第一转换芯片、第二转换芯片及第一存储单元；其中，第一转换芯片串接于图像源11与FPGA 芯片之间，用于将源图像由LVDS信号转换为TTL信号；第二转换芯片串接于图像源11与FPGA芯片之间，用于实现源图像的LVDS信号与TTL 信号之间的转换；第一存储单元电连接FPGA芯片，用于存储驱动FPGA 芯片的配置文件和临时存储数据块。
优选地，ARM模块122可以包括：ARM芯片和第二存储单元；其中，第二存储单元电连接ARM芯片，用于存储ARM芯片的临时数据。
优选地，终端模块124可以包括显示单元和用户控制单元；其中，显示单元和用户控制单元分别电连接ARM模块122。
优选地，通讯模块125可以包括：金手指插槽、欧式排插及外设接口；其中，金手指插槽用于电连接ARM模块122；欧式排插用于电连接FPGA 模块121。
进一步地，采集卡12还包括电源管理电路和延时保护电路；其中，电源管理电路包括依次串行电连接的DC-DC芯片、过压保护电路及防插反电路；DC-DC芯片分别电连接FPGA模块121和ARM模块122；延时保护电路电连接电源管理电路。
优选地，图像源11为相机或摄像头。
本发明提供的图像采集系统能够自适应不同分辨率的相机，且具有高性能、低功耗、小型化、高可靠性等特点应用于众多领域，能够最大限度地提升软硬件的效率。
实施例二
进一步，在上述实施例的基础上，为便于更清楚地理解，下面图像采集系统原理进行详细描述。
具体地，请参见图3，图3为本发明另一实施例提供的一种图像采集系统原理框图；包括：图像源21、外设接口22、FPGA模块23、ARM模块 24、存储器25及终端模块26。
优选地，外设接口22为CameraLink接口、USB接口及GigE接口。
优选地，存储器25为mSATA接口的SSD存储器。
优选地，请参见图4，图4为本发明另一实施例提供的一种FPGA模块原理框图；FPGA模块23包括第一转换芯片、第二转换芯片、FPGA芯片和第一存储器；其中，第一转换芯片和第一转换芯片串接于图像源21与 FPGA芯片之间，用于实现源图像的LVDS信号与TTL信号之间的转换；第一存储单元电连接FPGA芯片，用于存储驱动FPGA芯片的配置文件和临时存储数据块。
其中，第一转换芯片采用DS90CR288A芯片；第二转换芯片采用 DS90LV019芯片；FPGA芯片采用EP4CE6F17C8N芯片；第一存储器采用 Flash和SDRAM。
具体地，第二转换芯片将系统发出的图像采集指令转换为LVDS信号，并通过CameraLink接口发送至图像源21；图像源21接收到该图像采集指令后，开始采集图像，并将所采集的图像(该图像为LVDS信号)逐帧发送至 DS90CR288A芯片；DS90CR288A芯片接收到LVDS信号模式的图像后，将其转换为28位并行的TTL信号并发送至FPGA芯片。FPGA芯片接收到 DS90CR288A芯片发送的TTL信号后，对TTL信号进行处理形成特定大小的数据块；具体地，FPGA芯片根据存储于Flash中的配置时序，对24位的数据信号进行编码生成该图像的图片数据；获取每个数据帧的第一个有效像素在所述源图像中的位置信息；通过统计已发送图像的帧数以获取所述源图像的CSI帧号信息；在所述场信号有效期间，通过统计所述行信号拉高的次数以获取所述源图像的行分辨率信息；在所述行信号有效期间；通过统计所述场信号有效数据的个数以获取所述源图像的场分辨率信息；通过计数一定时间内所述场信号的有效次数以获取所述源图像的帧率信息；通过比较所述源图像的当前像素值与当前像素最大值以获取所述源图像的像素最大值信息；通过比较所述源图像的当前像素值与当前像素最小值以获取所述源图像的像素最小值信息。
优选地，ARM模块24包括ARM芯片i.MX6Q和DDR3存储器；其中， ARM芯片通过CSI接口接收到FPGA芯片传输的数据块后，根据每个数据帧的第一个有效像素在源图像中的位置信息、源图像的CSI帧号信息、源图像的行分辨率信息及源图像的场分辨率信息，将图像数据解析为独立的每一帧图像，并按顺序进行存储或者传输；FPGA芯片在传输数据时要告知ARM芯片当前帧为CSI接口接收的第几帧，及每帧数据第一个有效像素在原始图像中的位置，即使数据丢失，也能根据数据头的信息恢复出原始图像；此外，ARM芯片还根据采样位深信息、源图像的像素最大值信息及源图像的像素最小值信息，使得源图像的显示效果达到最佳；ARM芯片接收到FPGA芯片发送的数据块后，对其进行解析复原为源图像；其中，ARM 芯片临时计算或处理的数据会存储在DDR3存储器中；解析后的图像帧可以直接发送至外部终端，也可以存储在SSD存储器中，待需要时再发送至外部终端。
优选地，终端模块26包括通讯单元、显示单元及用户控制单元；其中，通讯单元主要负责本系统与工控机、PDA等用户设备之间的通讯任务；显示单元主要负责显示系统工作状态及存储工作；用户控制单元主要负责用户发出控制指令以控制系统工作。
其中，通讯单元采用RS-232或RS-2422两种接口形式的串口，可以根据使用场合的不同来选择接口标准。同时，采用双通道数字隔离器 ADuM5241，进行隔离设计，阻隔总线上的电气回流，从而有效降低系统间通讯的错误。
优选地，显示单元包括OLED(Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管)和驱动电路；其中，驱动电路采用SSD1306驱动芯片。
进一步地，图像采集系统还设置有电源模块，电源模块包括电源管理电路和延时保护电路；其中，电源管理电路主要为系统各个模块提供高效、稳定的工作电源；延时保护电路主要对系统供电安全提供保障。
优选地，请参见图5，图5为本发明另一实施例提供的一种电源管理电路的结构示意图。电源管理电路包括依次串接的DC-DC芯片、过压保护电路、防插反电路及外部电源。
优选地，请参见图6，图6为本发明另一实施例提供的一种延时保护电路工作原理示意图。当用户通过按键发出关机命令，延时保护电路收到命令后向系统发送关机信号，同时开始启动定时器进行延时，此时系统执行“软关机”操作，对线程进行关闭、对外设进行卸载等，完成后，延时保护电路关闭供电系统，最终实现系统的“软关机”。经过测试，系统从工作状态到完全关闭状态大约需要4s，为了提高安全性，延时电路设定7s延时后进行断电操作。
本实施例提供的图像采集系统，将源图像处理形成特定大小的数据块，再将所述数据块解析并复原为源图像，从而在FPGA与ARM之间CSI数据格式传输时，实现了前端各种分辨率的图像在后端都可以进行传输，给用户的使用带来了极大的便利；同时该系统设计了防插反电路，可以防止因外部电源接反而损坏采集卡；设计了过压保护电路，可防止因外部电压过高而损坏采集卡。
实施例三
进一步地，在上述实施例的基础上，下面根据PCB板卡设计对图像采集系统进行详细描述。
在印制电路板(PCB板卡)设计时，先对系统功能进行分类，根据系统功能、设计风险、装调可靠性、便宜性为核心思想进行设计。本系统电路PCB 主要由四部分组成，ARM核心卡，通讯接口卡，FPGA卡，交互及延时保护卡，且各个卡具备独立的供电系统，其电源输入端为同一端。采用上述设计方案，一方面能够使各个卡独立开发验证，另一方面避免某块卡电源系统出现故障从而影响其它卡，降低开发风险。
具体地，请参见图7，图7为本发明再一实施例提供的一种图像采集系统通讯接口卡设计示意图；如图7所述，通讯接口卡主要用于承载ARM核心卡，搭建ARM的外设电路，并且通过扩展插槽连接FPGA卡，另外通过 FC型扁平灰排线连接交互及延时保护卡。为了满足设备功能，同时利于机械结构的设计，外设接口均处于两侧，设备后面板处于下侧，PCB卡设计时外设接口应向外超出PCB板一部分，并确保接口外边沿平齐。ARM核心卡通过金手指插槽固定在通讯接口卡上，安装后与卡之间大约存在4mm 间隙；为减小体积，利用上述间隙布置电源电路，主要产生5V、4.2V和 3.3V电压；mSATA接口位于卡的背面；FPGA卡通过2×32欧式排插相连，主要连接GPIO、MIPI_CSI接口、串口、12V电源及地线；IDC3-16P用以连接交互及延时保护卡，主要传输按键信号、关机信号及OLED液晶屏幕驱动信号；拨码用于调整ARM启动的方式。
进一步地，请参见图8，图8为本发明再一实施例提供的一种ARM核心卡设计示意图；如图8所述，考虑到ARM核心卡需要对外连接高速外设，如MIPI_CSI接口速度需达到200M以上，因此采用金手指设计，将所有外设接口引出，包括MIPI_CSI、EIM、LVDS、HDMI、UART、IIC、USB、SATA及RGMII等，在卡上主要设计ARM芯片i.MX6Q、电源管理模块、 1GB DDR3及4GBEMMC。
进一步地，请参见图9，图9为本发明再一实施例提供的一种FPGA卡设计示意图；如图9所述，FPGA及接口电路卡主要包括电源模块、FPGA、 SDRAM及CameraLink电路部分。欧式排插用以连接通讯接口卡，经过测试，该连接器的传输速率能够达到400M/s，满足系统要求；电源电路将底板的12V电源转换为FPGA及其他IC所需的3.3V、2.5V及1.2V电压； MDR-26是CameraLink接口的连接器；另外，引出扩展I/O用以扩展其他的接口形式。
进一步地，请参见图10，图10为本发明再一实施例提供的一种交互及延时保护卡设计示意图；其中，将交互及延时保护卡置于设备前面板背面，用于连接电源、按键、屏幕、风扇等，该卡包括电源系统、按键电路、防插反电路、限压电路、延时保护电路。
本系统电路PCB主要由四部分组成，ARM核心卡，通讯接口卡，FPGA 卡，交互及延时保护卡，且各个板卡具备独立的供电系统，其电源输入端为同一端。采用上述设计方案，一方面能够使各个板卡独立开发验证，另一方面避免某块板卡电源系统出现故障从而影响其它板卡，降低开发风险。
实施例四
进一步地，在上述实施例的基础上，下面根据图像采集系统的机械结构设计对图像采集系统进行详细描述。
具体地，请参见图11，图11为本发明又一实施例提供的一种图像采集系统机械结构示意图；包括：PCB板卡、后壳、散热片、SSD、下壳、上壳、风扇、前壳、电源键、电源及按键等。
优选地，根据板卡大小及层叠安装结构，机械结构采用铝合金型材壳体设计，型材材质为6063-T5，型材规格为125mm×51mm。型材表面处理选用表面喷砂及氧化发黑处理。电气接口均以丝网印工艺丝印接口名称，前面板开孔安装OLED显示屏、按键、电源座及电源开关，后面板开孔安装电气接口(USB、HDMI、MDR26、RJ45及航空插头等)并留散热孔。下壳开孔为90度沉头螺丝孔，安装PCB电路板和风扇支架。
其中，铝合金型材壳体设计具有冲击韧性高、耐蚀性优良等优点，表面喷砂可提高设备表面的机械性能，延长涂膜的耐久性，达到防锈目的。
进一步地，ARM核心板卡位于FPGA板卡与通讯模块卡之间，因此需要加装大散热片，并将散热片贴近外壳侧壁增加导热性。SSD存储器处于板卡的背面，可以通过导热硅胶连接散热片导热，并将散热片直接与铝合金外壳相连提升散热性能。另外为了提升设备散热率，设备内部配有风扇，功率1.08w，后壳预留散热孔，加快空气流速以降低壳体内温度，保证系统散热。
进一步地，PCB板加工完成后需要喷涂三防漆，以降低板卡因环境因素而出现故障的概率。本文所述设备选用ZB8638型超快干自喷三防漆，由烯烃类树脂聚合物制备而成，附着力强，成膜后富有弹性，不产生应力。漆膜一旦形成，无游离基产生，不腐蚀元器件，起到长期密封绝缘作用。该三防漆具有极好的附着力，使用温度范围广，对酸、碱及其他各种化学物有良好稳定性，具有抗盐雾、防霉菌及绝佳的防潮湿性能，室温条件下快干成膜仅需3分钟，无需清洗，可用烙铁直接焊接，极其方便返修。
任何产品都不能保证长时间下无故障工作，因此采取一定的措施降低产品故障率，延长产品的使用寿命。经过多次实验测试，本文采用模块化设计思想，设计各类保护电路，并采取有效的可靠性处理，在一定程度上能够保证设备长时间内的正常工作。
实施例五
进一步地，在上述实施例的基础上，下面对图像采集系统的实现方法(11) 进行详细描述。
具体地，请参见图12～图1，图3为本发明实施例提供的一种采集卡的结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种FPGA芯片与ARM芯片的连接结构示意图；图5为本发明实施列提供的一种数据块的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种CSI接口在Gated Mode时的工作时序图；图7为本发明实施例提供的一种CSI接口在Non-Gated Mode时的工作时序图。
进一步地，图像采集系统通过系统软件实现系统采集和传输图像数据的功能，系统软件包括采集卡嵌入式软件和上位机软件；采集卡嵌入式软件通过控制图像源和采集卡执行源图像采集和传输工作，上位机软件控制采集卡将源图像数据传输至上位机，由上位机软件在上位机上调取该源图像数据并进行播放，以供用户查看。
具体地，对系统工作过程及原理进行详细描述如下：
首先，通过设置采集卡的IP建立网络连接后，采用了阻塞队列的数据结构来等待要发送的指令，当队列中有数据就取出数据发送给服务器，在这个模块中为保障连接正常加入了心跳机制。
进一步地，请再次参见图4，当用户通过系统软件向图像源发送采集指令，FPGA芯片接收到采集指令后，通过串口将采集指令发送至DS90LV019 芯片，DS90LV019芯片将该采集指令由TTL信号转换为LVDS并通过 CameraLink接口发送至图像源。
图像源接收到采集指令后，开始进行图像采集以产生源图像数据，图像源将该源图像数据通过CameraLink接口传输至DS90CR288A芯片； CameraLink接口采用LVDS进行传输，根据CameraLink标准协议，接口信号主要由4对数据线、1对时钟线、2对串行通信线及4对图像源控制线组成。
DS90CR288A芯片接收到通过CameraLink接口传输的LVDS后，将其中的4对数据线及1对时钟线转换为28位并行的TTL信号，其中包括24 位数据信号、1位行信号HSYNC、1位场信号VSYNC、1位数据有效信号及1位扩展信号；转换完成后，DS90CR288A芯片将TTL信号传输至FPGA 芯片。
在FPGA芯片接收到DS90CR288A芯片传输的TTL信号后，将其中的 24位数据信号进行编码以形成图像数据；获取每个数据帧的第一个有效像素在所述源图像中的位置信息；通过统计已发送的所述数据块的数目以获取所述源图像的CSI帧号信息；在所述场信号有效期间，通过统计所述行信号拉高的次数以获取所述源图像的行分辨率信息；在所述行信号有效期间；通过统计所述场信号有效数据的个数以获取所述源图像的场分辨率信息；通过计数一定时间内所述场信号的有效次数以获取所述源图像的帧率信息；通过比较所述源图像的当前像素值与当前像素最大值以获取所述源图像的像素最大值信息；通过比较所述源图像的当前像素值与当前像素最小值以获取所述源图像的像素最小值信息；
进一步地，请参见图12，图12为本发明又一实施例提供的一种FPGA 芯片与ARM芯片的连接结构示意图；由于ARM芯片还通过3个GPIO接口连接到FPGA芯片，具体请再次参见图4；FPGA芯片通过检测3个GPIO 接口来判断当前图像的采样位深信息，其中，当3个GPIO接口的状态为 000时，表示当前图像的采样位深为8位，当3个GPIO接口的状态为001 时，表示当前图像的采样位深为10位，当3个GPIO接口的状态为010时，表示当前图像的采样位深为12位，当3个GPIO接口的状态为100时，表示当前图像的采样位深为14位，当3个GPIO接口的状态为101时，表示当前图像的采样位深为16位，当3个GPIO接口的状态为110时，表示当前图像的采样位深为8位，当3个GPIO接口的状态为111时，表示当前图像的采样位深为8位，若采样位深为8位，则后面的有效数据单字节为一个像素数据，若采样位深为其他，则双字节表示一个像素数据；
在获取上述信息后，FPGA芯片将上述信息作为头信息并与图像数据整合形成数据块，该数据块为根据后端传输端口定义的固定大小的数据包，若一帧图像不足以填充一个数据包时，则用后一帧图像的前一部分图像数据进行填充，以此类推。
具体地，请参见图13，图13为本发明又一实施列提供的一种数据块的结构示意图，其中，第一单元为帧头信息，为固定值36’h01，用于表示第一行的开始；第二单元为CSI帧号信息，用于表示该数据帧的排列序号；第三单元为帧率信息，用于后端控制源图像的播放速率；第四单元为行分辨率信息、第五单元为场分辨率信息，用于后端进行解析以复原为源图像；第六单元为采样位深信息、第七单元为像素最大值信息、第八单元为像素最小值信息，用于表征后端显示源图像时的显示效果；第九单元为位置信息，表征每个数据帧的第一个有效像素在所述源图像中的位置信息，作为后端解析数据块时起始位置；第十单元为图像数据；其中，第二单元至第九单元为头信息部分。
FPGA芯片通过CSI接口将数据块传输至ARM芯片；其中，CSI接口主要包含五个信号：Clock，Data_en，Vsync，Hsync，Data；CSI接口有两种工作模式：Gated Mode，Non-GatedMode；当CSI接口工作在Gated Mode 时，其工作时序请参见图14，图14为本发明又一实施例提供的一种CSI 接口在Gated Mode时的工作时序图；其中，Vsync用于指示每一帧起始，Hsync用于指示每一行起始，在Clock的下降沿对数据进行采样；当CSI 接口工作在Non-Gated Mode时，其工作时序请参见图15，图15为本发明又一实施例提供的一种CSI接口在Non-Gated Mode时的工作时序图。在本发明的实施例中，采用CSI接口的Gated Mode工作模式。
ARM芯片通过CSI接口接收到FPGA芯片传输的数据块后，根据每个数据帧的第一个有效像素在源图像中的位置信息、源图像的CSI帧号信息、源图像的行分辨率信息及源图像的场分辨率信息，将图像数据解析为独立的每一帧图像，并按顺序进行存储或者传输；FPGA芯片在传输数据时要告知ARM芯片当前帧为CSI接口接收的第几帧，以及每帧数据第一个有效像素在原始图像中的位置，即使数据丢失，也能根据数据头的信息恢复出原始图像；此外，ARM芯片还根据采样位深信息、源图像的像素最大值信息及源图像的像素最小值信息，使得源图像的显示效果达到最佳。
当用户通过系统软件发送出传输指令后，则将ARM芯片解析后的数据帧逐帧传输至上位机中，该数据帧可以为实时解析后得到的数据帧，也可以为ARM芯片解析完后存储在SSD中的数据帧；在传输过程中，当传输命令发送至采集卡后，采集卡上的服务器开启多线程建立Socket与上位机进行文件的传输，当上位机接受的数据帧的数目等于采集卡发送的数据帧的数目，则删除采集卡中的原始数据；此外，在传输过程中还加入了断电(或者因其他原因导致的传输中断)续传功能，通过写一个属性文件记录当前下载文件的数目，继续下载时通过读取属性文件来继续下载文件。
类似地，当用户通过系统软件发送播放指令后，则系统软件控制上位机按采集顺序逐帧播放源图像，其中，可以通过采样位深信息、源图像的像素最大值信息及源图像的像素最小值信息使得源图像的播放效果达到最佳。
本发明提供的图像采集系统采用FPGA芯片将源图像进行编码形成数据块，再经ARM芯片解析后复原为源图像，能够自适应不同分辨率的相机；同时能够离线采集与存储数据，解决了工业相机一般需要特定采集卡的需求。
实施例六
为便于更清楚地理解，下面对图像采集系统的工作流程进行详细描述。
具体地，请参见图16，图16为本发明又一实施例提供的一种图像采集系统工作流程图。包括：
S201，连接系统电源、采集显示线缆等；
S202，上电启动系统；
S203，对采集卡的参数(采集位深，即图像位数)进行设置；
S204，开始采集图像数据；
S205，存储图像数据；
S206，停止采集图像数据；
S207，下载存储的图像数据；
S208，显示处理图像数据。
其中，S201～S206步骤可以在脱机情况下由采集卡独立完成。
优选地，在停止采集图像数据后，可以利用上位机软件将存储的图像数据下载至上位机进行显示处理等。
本发明提供的图像采集系统集图像采集与数据存储于一体，具有小型化和便携式的特点，可以适应野外、高空、机载等不同应用环境；同时能够离线采集与存储数据，解决了工业相机一般需要特定采集卡的需求。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明的原理和方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种图像采集系统，其特征在于，包括：
图像源(11)，用于产生源图像；
采集卡(12)，电连接所述图像源(11)，用于对所述源图像进行编码及解析处理；
系统软件(13)，用于控制所述图像源(11)和所述采集卡(12)进行图像采集与传输。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统软件(13)包括采集卡嵌入式软件和上位机软件；其中，所述采集卡嵌入式软件安装于所述采集卡(12)上，用于控制所述图像源(11)和所述采集卡(12)进行图像采集与传输；所述上位机软件安装于与所述采集卡(12)电连接的上位机上，用于远程控制所述图像源(11)和所述采集卡(12)进行图像采集与传输。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集卡(12)包括：FPGA模块(121)、ARM模块(122)、存储模块(123)、终端模块(124)及通讯模块(125)；其中，所述FPGA模块(121)通过CameraLink接口电连接所述图像源(11)，用于对所述源图像进行编码以形成固定大小的数据块；所述ARM模块(122)通过CSI接口电连接所述FPGA模块(121)，用于对所述数据块进行解析以形成图像帧数据；所述存储模块(123)通过mSATA接口电连接所述ARM模块(122)，用于存储所述图像帧数据。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述FPGA模块(121)包括：FPGA芯片、第一转换芯片、第二转换芯片及第一存储单元；其中，所述第一转换芯片串接于所述图像源(11)与所述FPGA芯片之间，用于将所述源图像由LVDS信号转换为TTL信号；所述第二转换芯片串接于所述图像源(11)与所述FPGA芯片之间，用于实现所述源图像的LVDS信号与TTL信号之间的转换；所述第一存储单元电连接所述FPGA芯片，用于存储驱动所述FPGA芯片的配置文件和临时存储所述数据块。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述ARM模块(122)包括：ARM芯片和第二存储单元；其中，所述第二存储单元电连接所述ARM芯片，用于存储所述ARM芯片的临时数据。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述存储模块(123)为SSD存储器。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述终端模块(124)包括显示单元和用户控制单元；其中，所述显示单元和所述用户控制单元分别电连接所述ARM模块(122)。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述通讯模块(125)包括：金手指插槽、欧式排插及外设接口；其中，所述金手指插槽用于电连接所述ARM模块(122)；所述欧式排插用于电连接所述FPGA模块(121)。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述采集卡(12)还包括电源管理电路和延时保护电路；其中，所述电源管理电路包括依次串行电连接的DC-DC芯片、过压保护电路及防插反电路；所述DC-DC芯片分别电连接所述FPGA模块(121)和所述ARM模块(122)；所述延时保护电路电连接所述电源管理电路。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像源(11)为相机或摄像头。
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