CN110012201A - 一种基于全可编程soc的usb3.0超高速相机及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机及其工作方法，该相机包括相机壳体，其上设置有镜头和USB Type C接口，相机壳体内设置有高速图像传感器和全可编程SOC；镜头与高速图像传感器构成图像采集模块，图像采集模块将图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC；全可编程SOC用于：对LVDS差分信号进行校准后进行串并转换，得到同步数据；根据同步数据的帧头、帧尾、行头和行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据拼接成原始图像数据缓存至DDR3存储模块；从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码形成图像数据帧，并等待USB3.0控制逻辑握手发送；DDR3存储模块与USB3.0通信模块相连，USB3.0通信模块用于图像数据帧通过USB Type C接口传输至USB3.0主机。

Description

一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机及其工作方法
技术领域
本公开属于超高速成像领域，尤其涉及一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着机器视觉技术的不断发展，针对运动物体的高速相机越来越多的应用在智能生产、微观科研和运动分析等行业场景中。高速相机能够通过极高的fps把运动场景完整的捕捉并以极慢的速度进行回放。通过高速运动相机，可精准清晰的拍摄到大量连续的运动物体图像，从而详细和准确的记录物体的运动形态和轨迹变化，对于运动物体的动态分析和预测具有极为重要的意义。
目前的普通数码相机主要包括镜头、图像传感器、AD转换器、CPU、存储芯片、LCD和输出接口等部分。工作时，相机中的镜头将光线会聚到CCD或CMOS等感光器件上，感光器件代替传统相机中胶卷的作用，其功能是将光信号转变为电信号，由此产生了对应于拍摄景物的电子图象，继而对该图像进行模数处理获得数字图像信号，然后由MPU对数字信号进行处理并转化为JPEG等特定的图象格式，最后图象文件被存储在内置存储器中或者通过USB等输出接口传到其他设备中。LCD屏可用于显示拍摄的图像或视频。普通数码相机的图像采集密度低，fps较小，通常用于记录物体的静态图像，适用于对物体运动过程要求较低的场景中，无法准确的记录高速运动物体的运动过程。
超高速相机的主要特性是单位时间内输出的图像数量多，因为超高速相机的高帧率输出，所以前端传感器通常具有两个方面的特点，一是数据通道多，二是单个通道的数据率高，这对数据获取模块的涉及提出了很高的要求。为了接口的方便性，高速相机一般采用USB或者网络的方式将数据传递给PC机，而超高速相机瞬时产生的图像数量十分巨大，这之间就造成了数据输出速率无法跟上数据产生速率的矛盾，所以超高速相机内部必须提供大容量缓存对瞬时产生的大量图像进行存储，这就涉及到高速存储器电路涉及，更进一步增加了电路设计复杂性。无丢帧的数据传输即保存在相机内部存储器中的数据图像必须全部传递给PC机，不能丢失一副图像数据，这通常需要较高可靠性的数据传输技术。发明人发现，对于超高速相机的设计，主要有如下几个方面的难点：(1)前端高速传感器的数据读取；(2)大容量数据缓存；(3)无丢帧的数据传输。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其通过全可编程SOC进行图像处理，大幅提升了图像的处理速度；通过USB3.0对外输出视频流，大幅提升了视频流的传输速度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，包括：
相机壳体，所述相机壳体上设置有镜头和USB Type C接口，所述相机壳体内设置有高速图像传感器和全可编程SOC；所述镜头与高速图像传感器构成图像采集模块，所述图像采集模块将图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC；所述全可编程SOC用于：
对LVDS差分信号进行校准，将校准后的LVDS差分信号进行串并转换，得到同步数据；
根据同步数据的帧头、帧尾、行头和行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据拼接成原始图像数据缓存至DDR3存储模块；
从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码形成图像数据帧，并等待USB3.0控制逻辑握手发送；
所述DDR3存储模块与USB3.0通信模块相连，所述USB3.0通信模块用于图像数据帧通过USB Type C接口传输至USB3.0主机。
为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，其通过全可编程SOC进行图像处理，大幅提升了图像的处理速度；通过USB3.0对外输出视频流，大幅提升了视频流的传输速度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，包括：
初始化基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机；
将采集的图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC的LVDS Serdes逻辑，LVDSSerdes逻辑使用带有SERDES功能的引脚接收LVDS信号；
再使用IDELAY和ISERDES2功能对LVDS差分信号进行校准，接着将LVDS差分信号进行串并转换，并将转换结果传输至数据处理逻辑；
数据处理逻辑根据同步数据的帧头、帧尾、行头、行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据传输至图像处理逻辑，图像处理逻辑将像素数据拼接成原始图像数据；
图像缓存逻辑将原始图像数据缓存至DDR3存储模块中；
图像编码逻辑从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码，并送到数据缓冲处理逻辑，等待USB3.0控制逻辑握手发送。
本公开的有益效果是：
利用高速LVDS接口与图像传感器模块进行连接，大幅提高了视频流进入处理模块的速度，从源头上解决了前端高速传感器的数据读取难点；
通过全可编程SOC进行图像处理，并将处理后的数据传输至DDR3存储模块内，解决了大容量数据的处理和缓存问题；
通过USB3.0对外输出视频流，并依据前端超高速的数据传递解决了无丢帧的数据传输需求，从源头图像摄取至末端图像传输，全程从软硬件层面进行同时提速为超高速拍摄提供可能。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例提供的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机结构示意图。
图2是本公开实施例提供的全可编程SOC的内部工作逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
术语解释：
(1)SerDes(Serializer-Deserializer)是串行器和解串器的简称。串行器(Serializer)也称为SerDes发送端(Tx)，(Deserializer)也称为接收端Rx。
SerDes不传送时钟信号，这也是SerDes最特别的地方，SerDes在接收端集成了CDR(Clock Data Recovery)电路，利用CDR从数据的边沿信息中抽取时钟，并找到最优的采样位置。
SerDes采用差分方式传送数据。一般会有多个通道的数据放在一个group中以共享PLL资源，每个通道仍然是相互独立工作的。
SerDes需要参考时钟(Reference Clock)，一般也是差分的形式以降低噪声。接收端Rx和发送端Tx的参考时钟可以允许几百个ppm的频差(plesio-synchronous system)，也可以是同频的时钟，但是对相位差没有要求。
相比源同步接口，SerDes的主要特点包括:
SerDes在数据线中时钟内嵌,不需要传送时钟信号。
SerDes通过加重/均衡技术可以实现高速长距离传输，如背板。
SerDes使用了较少的芯片引脚。
(2)IDELAY：输出延迟。
(3)ISERDES2：串并转换器。ISERDES2可以实现1:2、1:3或1:4串并转换器功能，而且通过级联的方式还可以实现1:5、1:6、1:7、1:8串并转换器功能。
如图1所示，本实施例的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，包括：相机壳体1、镜头2、高速图像传感器3、全可编程SOC4、DDR3存储模块5、USB3.0通信模块6以及USBType C接口7。镜头2与高速图像传感器3构成图像采集模块，之后利用FPC排线以LVDS差分信号传输给全可编程SOC4内进行图像数据帧处理，这为图像从源头光信号转变为电信号提供了高速可能。
具体地，所述相机壳体上设置有镜头和USB Type C接口，所述相机壳体内设置有高速图像传感器和全可编程SOC；所述镜头与高速图像传感器构成图像采集模块，所述图像采集模块将图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC。
作为一种实施方式，所述镜头内嵌有专用镜头控制板，所述专用镜头控制板用于根据采集图像的亮度及清晰度来对镜头参数进行调整。
具体地，在所述专用镜头控制板中，根据采集图像的亮度自动控制光圈；
当图像亮度低于预设亮度阈值时，专用控制板发送光圈增大命令以增加进光量；
当图像亮度等于预设亮度阈值时，专用控制板发送光圈锁定命令，将光圈固定在当前位置；
当图像亮度高于预设亮度阈值时，专用控制板发送光圈缩小命令以减少进光量。
在所述专用镜头控制板中，根据图像的清晰度进行对焦环和调焦环控制；所述对焦环控制支持对焦距进行调长和调短操作，以使焦平面前移或后移；所述调焦环控制包括对视野进行变大和变小操作。
自定义光圈：可越过自动控制面板，支持用户对光圈的大小进行调整以控制进光量。
自定义对焦环：可越过自动控制面板，支持用户调整对焦环和调焦环，可前进或后退任意步长。
镜头2具有镜头状态监测，相机本体实时接收镜头专用控制板所发送的镜头状态参数。专用镜头控制板与相机本体1通过雷莫航空插头相连，为镜头提供工作主电源并以uart串口进行通信，其接口信息如下：1)3.3V电源(为镜头控制板提供电源)；2)GND(电源地)；3)TX(uart串口的数据发送引脚，用于向镜头控制板发送控制命令)；4)RX(uart串口的数据接收引脚，用于实时接收镜头控制板发送的镜头信息)。
如图2所示，全可编程SOC4内包括FPGA及ARM处理器，其中FPGA包括LVDS Serdes逻辑、数据处理逻辑、图像处理逻辑、图像缓存逻辑、图像管理逻辑、图像编码逻辑、数据缓冲处理逻辑、USB3.0控制逻辑。
FPGA与DDR3存储模块以及USB3.0通信模块进行连接，将从高速图像传感器3所接收到的光信号进行编译为电信号并以极快的传输速率传输至DDR3存储模块5内进行缓存，后将DDR3存储模块5内的图片数据帧依次传递给USB3.0通信模块6。
ARM处理器通过SPI接口与图像传感器3相连，并对高速图像传感器3的分辨率和传输速度进行配置。
USB3.0通信模块6与USB Type C接口7相连，同时USB Type C接口7负责与USB3.0主机相连。
全可编程SOC内的数据处理逻辑为：
采集的图像数据通过FPC排线以LVDS差分信号传输至全可编程SOC，全可编程SOC对LVDS差分信号进行校准，接着将LVDS差分信号进行串并转换，并将转换结果传输至数据处理逻辑；
数据处理逻辑根据同步数据的帧头、帧尾、行头、行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据传输至图像处理逻辑，图像处理逻辑将像素数据拼接成原始图像数据；
图像缓存逻辑将原始图像数据缓存至DDR3存储模块中；
图像编码逻辑从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码，并送到数据缓冲处理逻辑，等待USB3.0控制逻辑握手发送。
在图像缓存逻辑之后且图像编码逻辑之前，还包括：
图像管理逻辑根据图像行、列、时钟信息为图像添加分辨率和时间戳信息头，并将图像按时间顺序存放。
当图像溢出DDR3存储模块的存储空间时，图像管理逻辑采用先进先出机制排空历史图像。
需要说明的是，所述高速图像传感器包括但不限于LUXIMA公司的lux系列传感器、安森美公司的VITA、PYTHON系列传感器；
所述全可编程SOC包括但不限于Xilinx公司的ZYNQ、Spartan系列或Intel公司的Cyclone芯片。
作为一种可选实施方式，所述DDR3内存颗粒5采用三星、镁光、ISSI公司的DDR3芯片。
作为一种可选实施方式，所述USB3.0通信模块6使用CYPRESS或FTDI公司的USB3.0控制芯片。
作为一种可选实施方式，所述USB Type C接口7采用安普公司的USB3.0Type C插座。
作为一种可选实施方式，所述USB Type C接口7中的逻辑控制芯片采用仙童半导体公司的CC逻辑控制芯片。
作为一种可选实施方式，所述FPC插座使用Molex公司的FPC屏蔽座。
作为一种可选实施方式，所述FPC排线使用Molex公司的FPC屏蔽线。
作为一种可选实施方式，所述TRIGGER采用雷莫公司的航插连接器。
本实施例的基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，具有如下有益效果：
1)镜头本体内嵌有专用镜头控制板，可根据图像分析结果进行镜头参数(光圈、焦环)的调整以获得最佳图像效果，也可根据操作人员的想法进行调整，将自动操作和人工操作进行结合，可满足不同图像摄取需求；
2)利用高速LVDS接口与图像传感器模块进行连接，大幅提高了视频流进入处理模块的速度，从源头上解决了前端高速传感器的数据读取难点；
3)通过全可编程SOC进行图像处理，并将处理后的数据通过排线传输至DDR3存储模块内，解决了大容量数据的处理和缓存问题；
4)通过USB3.0对外输出视频流，并依据前端超高速的数据传递解决了无丢帧的数据传输需求。从源头图像摄取至末端图像传输，全程从软硬件层面进行同时提速为超高速拍摄提供可能。
在另一实施例中，提供了一种如图1所示的基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，包括：
初始化基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机；
将采集的图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC的LVDS Serdes逻辑，LVDSSerdes逻辑使用带有SERDES功能的引脚接收LVDS信号；
再使用IDELAY和ISERDES2功能对LVDS差分信号进行校准，接着将LVDS差分信号进行串并转换，并将转换结果传输至数据处理逻辑；
数据处理逻辑根据同步数据的帧头、帧尾、行头、行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据传输至图像处理逻辑，图像处理逻辑将像素数据拼接成原始图像数据；
图像缓存逻辑将原始图像数据缓存至DDR3存储模块中；
图像编码逻辑从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码，并送到数据缓冲处理逻辑，等待USB3.0控制逻辑握手发送。
作为一种实施方式，在图像缓存逻辑之后且图像编码逻辑之前，还包括：
图像管理逻辑根据图像行、列、时钟信息为图像添加分辨率和时间戳信息头，并将图像按时间顺序存放。
具体地，当图像溢出DDR3存储模块的存储空间时，图像管理逻辑采用先进先出机制排空历史图像。
作为一种实施方式，初始化基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机之前，还包括：
当USB Type C接口7与USB Type C公头8连接后，USB Type C接口7将判断USBType C接口的接入方向，并与USB3.0通信模块6建立数据通路，同时负责为整个基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机接通电源。
USB3.0控制逻辑将根据USB3.0协议，协调处理器系列图像处理逻辑(DEVICE端)与上位机(HOST端)交互。
USB3.0通信模块负责将图片数据帧通过USB Type C接口传输给USB3.0主机。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其特征在于，包括：
相机壳体，所述相机壳体上设置有镜头和USB Type C接口，所述相机壳体内设置有高速图像传感器和全可编程SOC；所述镜头与高速图像传感器构成图像采集模块，所述图像采集模块将图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC；所述全可编程SOC用于：
对LVDS差分信号进行校准，将校准后的LVDS差分信号进行串并转换，得到同步数据；
根据同步数据的帧头、帧尾、行头和行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据拼接成原始图像数据缓存至DDR3存储模块；
从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码形成图像数据帧，并等待USB3.0控制逻辑握手发送；
所述DDR3存储模块与USB3.0通信模块相连，所述USB3.0通信模块用于图像数据帧通过USB Type C接口传输至USB3.0主机。
2.如权利要求1所述的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其特征在于，所述镜头内嵌有专用镜头控制板，所述专用镜头控制板用于根据采集图像的亮度及清晰度来对镜头参数进行调整。
3.如权利要求2所述的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其特征在于，在所述专用镜头控制板中，根据采集图像的亮度自动控制光圈；
当图像亮度低于预设亮度阈值时，专用控制板发送光圈增大命令以增加进光量；
当图像亮度等于预设亮度阈值时，专用控制板发送光圈锁定命令，将光圈固定在当前位置；
当图像亮度高于预设亮度阈值时，专用控制板发送光圈缩小命令以减少进光量。
4.如权利要求2所述的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其特征在于，在所述专用镜头控制板中，根据图像的清晰度进行对焦环和调焦环控制；所述对焦环控制支持对焦距进行调长和调短操作，以使焦平面前移或后移；所述调焦环控制包括对视野进行变大和变小操作。
5.如权利要求1所述的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其特征在于，所述全可编程SOC，还用于：
根据图像行、列、时钟信息为图像添加分辨率和时间戳信息头，并将图像按时间顺序存放至DDR3存储模块中。
6.如权利要求1所述的一种基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机，其特征在于，所述全可编程SOC，还用于：
当图像溢出DDR3存储模块的存储空间时，采用先进先出机制排空历史图像。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，其特征在于，包括：
初始化基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机；
将采集的图像数据以LVDS差分信号传输至全可编程SOC的LVDS Serdes逻辑，LVDSSerdes逻辑使用带有SERDES功能的引脚接收LVDS信号；
再使用IDELAY和ISERDES2功能对LVDS差分信号进行校准，接着将LVDS差分信号进行串并转换，并将转换结果传输至数据处理逻辑；
数据处理逻辑根据同步数据的帧头、帧尾、行头、行尾信息，解析出像素数据，并将像素数据传输至图像处理逻辑，图像处理逻辑将像素数据拼接成原始图像数据；
图像缓存逻辑将原始图像数据缓存至DDR3存储模块中；
图像编码逻辑从DDR3存储模块中顺序获取图像数据，按USB3.0控制逻辑编码格式进行编码，并送到数据缓冲处理逻辑，等待USB3.0控制逻辑握手发送。
8.如权利要求7所述的基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，其特征在于，在图像缓存逻辑之后且图像编码逻辑之前，还包括：
图像管理逻辑根据图像行、列、时钟信息为图像添加分辨率和时间戳信息头，并将图像按时间顺序存放。
9.如权利要求8所述的基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，其特征在于，当图像溢出DDR3存储模块的存储空间时，图像管理逻辑采用先进先出机制排空历史图像。
10.如权利要求7所述的基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机的工作方法，其特征在于，初始化基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机之前，还包括：
当USB Type C接口与USB Type C公头连接后，USB Type C接口将判断USB Type C接口的接入方向，并与USB3.0通信模块建立数据通路，同时负责为整个基于全可编程SOC的USB3.0超高速相机接通电源。
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