CN108234909B - 一种基于隔列转移型ccd的工业相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于隔列转移型CCD的工业相机，所述工业相机包括隔列转移型CCD、模数转换模块、行缓冲模块、CCD时序发生模块、外部接口模块，所述隔列转移型CCD包括像敏区域、行移位寄存器、列移位寄存器，本发明的工业相机只需要具有能够满足CCD两行像素存储的行缓冲模块，就可以实现了低成本工业相机在数据传输发生阻塞时，不借助外部存储器直接进行数据缓冲存储，就可以避免由于瞬时传输带宽下降造成的图像数据丢失。相比传统的帧缓冲器方式，本发明的工业相机由于发现了隔列转移型CCD的自身特有性质，通过时序控制完成由于瞬时有效带宽下降造成的数据阻塞问题，节约了电路硬件成本，电路设计的复杂程度，节约产品的电路板空间。

Description

一种基于隔列转移型CCD的工业相机
技术领域
本发明涉及一种图像采集领域，具体涉及一种利用CCD(Charge-coupled Device)自身结构特性，实现在数据传输发生阻塞时，不借助外部存储器直接进行数据缓冲存储，就可以避免由于瞬时传输带宽下降造成的图像数据丢失的低成本工业相机。
背景技术
在工业相机的传输系统中，由于主机操作系统的时间分配、外设驱动的性能以及多台工业相机共用接口带宽等问题，会导致数据传输瞬时带宽下降，造成瞬时阻塞，阻塞时间一般不超过1ms。为了保证在发生传输阻塞时图像数据不丢失，工业相机内部需要对图像数据进行缓冲处理。
现有工业相机进行图像缓冲的方法主要是利用外部帧缓冲器来实现，外部缓冲器可以存储大量的图像数据。外部缓冲器一般由控制器和存储器组成，控制器一般由FPGA(Field－Programmable Gate Array)通过编程来实现；常见的存储器分为静态随机存储器(SRAM，Static Random Access Memory)和动态随机存储器(DRM，Dynamic Random AccessMemory)，SRAM价格高，速度慢，但控制器逻辑简单，易于实现；DRAM价格低，速度快，但控制逻辑相对较为复杂，需要占用较多的FPGA资源。
使用外部缓冲器不但会导致硬件成本和焊接费用的增加，提高系统设计的复杂度，而且还会占用PCB(Printed Circuit Board)的空间资源，不利于低成本工业相机的小型化设计。
发明内容
本发明针对现有工业相机需要设计单独的外部缓冲器的问题，提出了一种使用隔列转移型CCD(Interline CCD)的低成本工业相机。
发明原理
本申请的发明人注意到，现有的CCD工业相机中大部分采用的是隔列转移型CCD。现有技术中对于工业相机中避免阻塞的方式都是采用外部缓冲器，CCD先将整幅的图像传输给外部缓冲器，再由外部缓冲器对外输出，以保证图像采集过程的完整，避免图像数据丢失。
本领域技术人员在使用CCD时，从未考虑过要对CCD本身的读出过程进行干预，这是因为，CCD相机在读出过程中，若突然停止，会打断CCD的工作过程，导致采集数据丢失。但是，申请人在对隔列转移型CCD相机进行研究时却发现，并不是任何时刻对CCD相机进行打断都会造成数据的丢失，若是能够在两行数据读取的间隙对CCD相机进行中断并不会造成数据的丢失。
具体而言，隔列转移型CCD的数据读出并非像本领域技术人员通常理解的那样是一帧图像、一帧图像的读出，而是分成三步。隔列转型性CCD在图像完成曝光后，通过以下步骤从CCD中读出图像数据：第一步，像敏区到垂直移位寄存器的转移，图像的转移一次完成，实现CCD的整帧曝光，即每一行像素单元将其所采集到的像素的RGB值传输给垂直移位寄存器；第二步，垂直移位寄存器到水平移位寄存器的转移，每次转移一行，发生在行正程期间，即垂直移位寄存器逐行将各行像素的RGB值传输给水平寄存器；第三步，水平移位寄存器的读出。每次转移一个像素，发生在行正程期间，即，水平寄存器将各行像素的RGB值逐个对外输出，直到完成一帧输出。
本申请的发明人发现，CCD在一帧图像读取过程中并非是不可打断的，只要保证在CCD数据读取过程中，其第二步的执行不被打断，就不会影响CCD的正常使用，即不会影响图像质量。因此，本申请的发明人利用隔列转移型CCD的结构特点，当外部数据传输发生瞬时阻塞时，通过在一帧图像之内暂停读出时序的方法，使得未读出的图像数据缓存在CCD中，当阻塞时间在ms级别时，并不会对图像质量造成影响，从而解决无外部帧缓冲器的低成本工业相机由于数据传输瞬时阻塞造成的图像数据丢失问题。
本发明提供一种基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述工业相机包括隔列转移型CCD、模数转换模块、行缓冲模块、CCD时序发生模块、外部接口模块，所述隔列转移型CCD包括像敏区域、行移位寄存器、列移位寄存器，所述像敏区域采集的图像数据通过所述行移位寄存器转移至所述列移位寄存器再输出给所述模数转换模块进行数字化，所述行缓冲模块接收所述模数转换模块输出的数字化图像数据并通过外部接口模块进行输出，所述CCD时序发生模块分别与所述隔列转移型CCD和所述行缓冲模块相连，用以接收所述行缓冲模块的缓存状态并基于缓存状态控制所述隔列转移型CCD的读出时序。
进一步地，所述外部接口模块以预定时间间隔检测所述工业相机的对外输出过程是否发生阻塞。
进一步地，所述外部接口模块用于在检测到所述工业相机的对外输出过程发生阻塞时，向所述行缓存模块发出阻塞反馈以暂停数据的对外输出。
进一步地，所述行缓存模块用于在其缓存量达到预定过满阈值以上之后向所述时序发生模块发出预警信号。
进一步地，所述CCD时序发生模块用于检测所述隔列转移型CCD的数据读出状态，并基于数据读出状态向所述发出隔列转移型CCD中断信号。
进一步地，所述外部接口模块还用于确定所述工业相机对外输出的阻塞是否解除并提供反馈信号。
进一步地，所述行缓存模块的缓存量的预定过满阈值为所述行缓存模块总数据存储量的50％。
进一步地，所述行缓存模块的总存储量为隔列转移型CCD所采集单行数据量的2倍以上。
进一步地，所述行缓存模块在FPGA中实现。
进一步地，所述外部接口模块为USB2.0/USB3.0或者GigE接口。
本发明中所提到的“CCD时序发生模块接收所述行缓冲模块的缓存状态并基于缓存状态控制所述隔列转移型CCD的读出时序”优选指的是CCD时序发生模块基于所述行缓冲模块的缓存量超过预定阈值的信号，判断所述隔列转移型CCD当前行的数据读出是否完成，若当前行的数据读出完成，则中断所述隔列转移型CCD的数据读出，并且基于所述行缓冲模块的缓存量低于预定阈值的信号启动所述隔列转移型CCD下一行的读出。
本发明工业相机中的隔列转移型CCD的像敏区采集图像的RGB数据并输出给相应行寄存器，行寄存器逐行将各行中的数据输出给所述列寄存器。
技术效果
相比传统的帧缓冲器方式，本发明的工业相机，由于发现并充分利用了CCD自身的特有性质，通过时序控制完成由于瞬时有效带宽下降造成的数据阻塞问题，节约了电路硬件成本，电路设计的复杂程度，节约产品的电路板空间。
附图说明
图1为：隔列转移型CCD进行数据读取时的读出过程示意图；
图2为：用于执行本发明方法的工业相机的一种实现方式的内部系统结构；
图3为：CCD钳位示意图；
图4为：本发明的无帧存USB2.0/USB3.0接口小型工业CCD相机系统结构；
图5为：本发明的无帧存GigE接口小型工业CCD相机系统结构。
具体实施方式
以下结合附图及其实施例对本发明进行详细说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例描述的范围之中。
图1示出了本发明工业相机中采用的隔列转移型CCD的读出结构。
如图1所示，其中1、2、3分别代表CCD读出过程的一个步骤。1为像敏区到垂直移位寄存器(或称行寄存器)的转移，2为垂直移位寄存器到水平移位寄存器(或称列寄存器)的转移，3为水平移位寄存器的读出。
本发明的工业相机的系统结构如图2所示，其包括数模转换(AD)模块、行缓冲模块、外部接口模块以及CCD时序发生模块。
本实施例中，数模转换(AD)模块、行缓冲模块、外部接口模块以及CCD时序发生模块都是通过FPGA实现的，但是，本领域技术人员可以采用其他的硬件来实现本发明的各个模块，只要其能够实现本发明中所限定的功能即可。
模数转换(AD)模块用于完成CCD信号的模数转换以及黑电平钳位操作；行缓冲模块的大小为两行像素数据的深度，用来暂存CCD的读出数据；外部接口模块是工业相机的外部输出接口，与图像采集主机或者中间设备互联，传输图像数据。
CCD时序发生模块，用来产生CCD读出时序，完成图1所示三个步骤1、2、3中的图像读出，并且基于行缓冲模块的存储量以及CCD的读出状态进行CCD读出的中断。
阻塞缓冲
在图像数据的采集和输出过程中，主要通过外部接口模块进行数据输出。外部接口模块要实时地或者以一定时钟频率地对数据的传输情况进行监测并反馈，将反馈结果输出给行缓冲模块以及/或者CCD时序发生模块。
一旦外部接口模块测得工业相机的对外输出过程发生阻塞，则控制行缓存模块暂停图像数据从外部接口模块对外输出。但是此时，CCD与行缓存模块之间的数据传输不能停止，若突然停止，会打断CCD的工作过程，如果停止时CCD相机未完成一行数据的读出，将会导致CCD采集数据丢失。这是因为在隔列转移型CCD的相机结构中，AD进行钳位的位置一般是由内部计数器根据行场信号的起始来确定的，在每行读出过程中立即停止读出会导致钳位位置的改变，进而影响图像质量，如图3所示。
所以，在发生外部阻塞时，由行缓存模块继续接收隔列转移型CCD的数据输出，数据开始在行缓冲模块累积，直到完成一行数据的读出。
接下来，判断行缓存模块的缓存量是否达到预定阈值，由于本实施例中行缓存模块只设定了两行数据的存储量，所以阈值为半满状态。若行缓存模块的缓存量达到半满状态，则CCD时序控制模块(或其他模块)监测判断隔列转移型CCD是否完成当前行的数据传输，若未完成则继续进行数据缓存并持续判断。
若隔列转移型CCD完成当前行的数据传输，则CCD时序控制模块控制隔列转移型CCD停止数据读出。即暂停CCD相机对AD的数据输出。
返回图1，我们可以了解到，此时CCD相机中的数据已经由像敏区转移到垂直移位寄存器中，而垂直移位寄存器中的数据正在逐行向水平移位寄存器转移，并经由水平移位寄存器对外输出。若CCD相机接收到CCD时序发生模块暂停数据读取的信号，此时，CCD相机已经发送完某一行的数据，CCD相机内的其余行寄存器内的像素值各自保留在各自的寄存器内，不对外输出。CCD时序发生模块继续实时检测行缓冲模块的半满状态。
此外，外部数据接口实时判断工业相机对外输出的阻塞是否解除，当系统阻塞恢复时，外部接口模块的阻塞反馈解除，行缓冲模块继续对外发送图像数据。
随之其半满信号解除，CCD时序发生模块控制CCD开始新一行数据读出。
本发明中，CCD时序发生模块收到半满通知时，并不立即停止读出时序，而是把一行内的所有图像数据从水平移位寄存器读出之后再停止，可以保证每行数据钳位的位置不受影响。为了不立即打断当前的读出，本发明在FPGA中设置了大小为两行的行缓冲区，以分辨率为1920*1080的图像为例，需要4K的行缓冲区，对于FPGA来说非常容易实现。
图4示出了无帧存USB2.0/USB3.0接口小型工业CCD相机的结构。
如图所示，USB2.0/USB3.0小型工业CCD相机由数模转换(AD)模块、行缓冲模块、USB2.0或者USB3.0接口模块以及CCD时序发生模块组成。当系统发生传输阻塞时，USB2.0或者USB3.0接口模块会发出反馈信号给行缓冲模块，数据缓冲模块暂停数据的发送，数据开始在行缓冲模块累积。当行缓冲模块达到半满状态时，向CCD时序发生模块发出通知，当CCD时序发生模块读出当前行数据后，停止读出时序，并实时检测行缓冲模块的半满状态。当系统阻塞恢复时，USB2.0或者USB3.0接口模块的阻塞反馈解除，行缓冲模块继续发送图像数据，随之其半满信号解除，CCD时序发生模块开始新一行数据读出。
图5示出了无帧存GigE接口小型工业CCD相机。
如图所示，GigE小型工业CCD相机由数模转换(AD)模块、行缓冲模块、GigE链路层接口模块以及CCD时序发生模块组成。当系统发生传输阻塞时，GigE链路层接口模块会发出反馈信号给行缓冲模块，数据缓冲模块暂停数据的发送，数据开始在行缓冲模块累积。当行缓冲模块达到半满状态时，向CCD时序发生模块发出通知，当CCD时序发生模块读出当前行数据后，停止读出时序，并实时检测行缓冲模块的半满状态。当系统阻塞恢复时，GigE链路层接口模块的阻塞反馈解除，行缓冲模块继续发送图像数据，随之其半满信号解除，CCD时序发生模块开始新一行数据读出。
目前，工业相机的研发利用还是割裂开来的，CCD的生产厂商专注于CCD的自身阵列构造的研究，而工业相机的应用方或者外围厂商则专注于CCD外部控制电路的研发。这就造成了CCD最直接的应用者对CCD自身的内部特性并不了解。导致本领域技术人员在CCD相机的应用过程中，从来不会考虑到CCD相机自身内部的时序，更不敢对其时序进行干扰。
而本发明破天荒的提出了在工业相机的应用过程中，从外部对CCD自身的时序进行参与，却意外收获了巨大的成本效益，具有重大的经济价值和社会价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述工业相机包括隔列转移型CCD、模数转换模块、行缓存模块、CCD时序发生模块、外部接口模块，所述隔列转移型CCD包括像敏区域、行移位寄存器、列移位寄存器，所述像敏区域采集的图像数据通过所述行移位寄存器转移至所述列移位寄存器再输出给所述模数转换模块进行数字化，所述行缓存模块接收所述模数转换模块输出的数字化图像数据并通过外部接口模块进行输出，所述CCD时序发生模块分别与所述隔列转移型CCD和所述行缓存模块相连，用以接收所述行缓存模块的缓存状态并基于缓存状态控制所述隔列转移型CCD的读出时序。
2.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述外部接口模块以预定时间间隔检测所述工业相机的对外输出过程是否发生阻塞。
3.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述外部接口模块用于在检测到所述工业相机的对外输出过程发生阻塞时，向所述行缓存模块发出阻塞反馈以暂停数据的对外输出。
4.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，
所述行缓存模块用于在其缓存量达到预定过满阈值以上之后向所述CCD时序发生模块发出预警信号。
5.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，
所述CCD时序发生模块用于检测所述隔列转移型CCD的数据读出状态，并基于数据读出状态向所述隔列转移型CCD发出中断信号。
6.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述外部接口模块还用于确定所述工业相机对外输出的阻塞是否解除并提供反馈信号。
7.根据权利要求4所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述行缓存模块的缓存量的预定过满阈值为所述行缓存模块总数据存储量的50％。
8.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述行缓存模块的总存储量为隔列转移型CCD所采集单行数据量的2倍以上。
9.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述行缓存模块在FPGA中实现。
10.根据权利要求1所述的基于隔列转移型CCD的工业相机，其特征在于，所述外部接口模块为USB2.0/USB3.0或者GigE接口。
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