CN114915717A - 一种图像采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像采集系统，包括：图像传感器；以及图像处理单元，输入端电性连接于所述图像传感器，输出端电性连接有上位机，且所述图像处理单元包括：控制器，所述控制器上设置有处理系统端和可编程逻辑端；初始化配置模块，电性连接于所述图像传感器和所述控制器；缓存模块，电性连接于所述处理系统端和所述可编程逻辑端；以及多个传输接口，电性连接于所述控制器和所述上位机，或电性连接于所述控制器和所述图像传感器。本发明提供了一种图像采集系统及方法，能够完整且便利地采集高帧率、高分辨率且高像素的图像。

Description

一种图像采集系统及方法
技术领域
本发明涉及图像采集技术领域，特别涉及一种图像采集系统及方法。
背景技术
图像传感技术是利用光电器件的光—电转化功能，将感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”。图像传感技术将光学图像转换成一维时序信号。在图像传感技术中，包括图像采集和图像处理等多种手段。
其中，图像采集是指图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧缓存模块。随着图像传感技术的发展，也要求图像采集具备传输高帧率、高分辨率、高像素。而现有的图像采集系统很难兼具缓存能力、高帧率、高分辨率、高像素和通用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像采集系统及方法，能够完整且便利地采集高帧率、高分辨率且高像素的图像。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种图像采集系统，包括：
图像传感器；以及
图像处理单元，输入端电性连接于所述图像传感器，输出端电性连接有上位机，且所述图像处理单元包括：
控制器，所述控制器上设置有处理系统端和可编程逻辑端；
初始化配置模块，电性连接于所述图像传感器和所述控制器；
缓存模块，电性连接于所述处理系统端和所述可编程逻辑端；以及
多个传输接口，电性连接于所述控制器和所述上位机，或电性连接于所述控制器和所述图像传感器。
在本发明一实施例中，所述图像处理单元包括连接器，所述连接器电性连接于所述控制器和所述图像传感器。
在本发明一实施例中，所述传输接口包括多个通讯接口，所述通讯接口电性连接于所述处理系统端和所述连接器。
在本发明一实施例中，所述通讯接口包括移动产业处理器接口、数字视频端口和低电压差分信号接口。
在本发明一实施例中，所述传输接口包括通用串行总线接口，所述通用串行总线接口电性连接于所述处理系统端和所述上位机。
在本发明一实施例中，所述图像处理单元包括通讯模块，所述通讯模块电性连接于所述控制器和所述上位机。
在本发明一实施例中，所述图像处理单元包括时钟模块，所述时钟模块包括第一单端时钟单元，且所述第一单端时钟单元电性连接于所述处理系统端。
在本发明一实施例中，所述时钟模块包括第二单端时钟单元和差分时钟单元，且所述第二单端时钟单元和所述差分时钟单元电性连接于所述可编程逻辑端。
在本发明一实施例中，所述图像处理单元包括电源转换模块，所述电源转换模块电性连接于所述图像处理单元和所述图像传感器。
本发明提供了一种图像采集方法，包括：
图像处理单元通过初始化配置模块对图像传感器进行初始化配置；
所述图像传感器拍摄图像，形成图像数据，并通过多个通讯接口将所述图像数据传输给图像处理单元；
所述图像处理单元通过控制器处理所述图像数据，形成缓存图像数据，并将所述缓存图像数据不断写入缓存模块中；
根据上位机的调取命令，所述控制器从所述缓存模块中读出所述缓存图像数据；以及
所述图像处理单元将所述缓存图像数据通过通讯模块或通用串行总线接口传输给所述上位机。
如上所述，本发明提供了一种图像采集系统及方法，能够在图像采集过程将图像数据缓存，且不用去匹配接口传输速度和图像的拍摄速度，就能保证图像数据能够在采集过程中保持完整。且根据本发明提供的图像采集系统，能够在不需要额外增设转接设备的情况下，就能通过MIPI接口、DVP接口和LVDS接口将图像数据传输给图像处理单元，还支持通过USB3.0接口传输图像数据给上位机，因此本发明的图像采集系统，能兼具成本控制和采集系统的通用性，适用范围广，通用性强。本发明提供的图像采集系统，具备大容量的数据存储能力，且能够支持与上位机之间的长距离图像数据传输和高速数据传输。因此，根据本发明提供的一种图像采集系统及方法，能够完整且便利地采集获得高帧率、高分辨率且高像素的图像。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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。
图1为一种图像采集系统的结构示意图。
图2为图像处理单元的结构示意图。
图3为电源转换模块的输出端口连接示意图。
图4为时钟模块与控制器的连接结构示意图。
图5为缓存模块与控制器的连接结构示意图。
图6为第二连接器和控制器的连接结构示意图。
图7为本发明所述图像处理方法的流程图。
图中：10、图像采集系统；20、图像传感器；30、图像处理单元；301、控制器；3011、第一连接端；3012、第二连接端；3013、初始化配置模块；302、供电模块；303、电源转换模块；3031、第一电源转换器；3032、第二电源转换器；3033、第三电源转换器；3034、第四电源转换器；304、时钟模块；305、缓存模块；306、存储模块；307、通讯模块；308、网口；309、第一连接器；310、通讯接口；311、连接器；312、通用串行总线接口；40、上位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图像采集是基于图像传感器实现的。图像传感器是将受光面上的光像，分成许多小单元，并将光信号转换成可用的电信号的一种功能器件。图像采集系统用于摄影摄像，例如应用于高清摄像机、数码相机、摄录影机、监视摄影机、扫描器和传真机等设备中。图像采集系统不仅可以应用在摄影摄像设备中，也可被进一步应用到监控、安防、娱乐、交通、医疗等应用环境中。
请参阅图1和图2所示，本发明提供了一种图像采集系统10，图像采集系统10包括图像传感器20和图像处理单元30，图像处理单元30电性连接于图像传感器20。在本实施例中，图像传感器20为互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)。其中，图像处理单元30包括控制器301、时钟模块304、缓存模块305、存储模块306。其中，控制器301为现场可编程门阵列芯片。时钟模块304电性连接于控制器301，为控制器301提供参考时钟。缓存模块305电性连接于控制器301，为控制器301提供带宽和数据存储空间。存储模块306电性连接于控制器301，用于启动存储配置和系统文件。
请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，控制器301中内置有初始化配置模块3013，初始化配置模块3013电性连接于图像传感器20，以将初始化指令传递给图像传感器20。其中，初始化配置模块3013例如为ARM处理器(Advanced RISC Machine)、无线电处理器(Radio Processing Unit，RPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和整车控制器(Vehicle control unit，VCU)等等。其中，ARM处理器支持四核Cortex-A53处理器。无线电处理器支持双核Cortex-R5处理器。图像处理器支持Mali-400MP2处理器。整车控制器支持H.264/H.265视频编解码，且整车控制器支持PCIE、USB3.0、SATA3.1和DisplayPort等高速接口，以及USB2.0、SDIO、UART、I2C、SPI等普通接口。在本实施例中，控制器301例如为Xilinx的XCZU5EV-2SFVC784I芯片，其中控制器301的最大频率为例如1500MHz，逻辑块数例如为256200个。
请参阅图1至图3所示，在本发明一实施例中，图像处理单元30包括供电模块302和电源转换模块303，电源转换模块303电性连接于供电模块302的供电端。供电模块302可以提供例如12V的电源。电源转换模块303包括多个电源转换器。在本实施例中，电源转换模块303包括第一电源转换器3031、第二电源转换器3032、第三电源转换器3033和第四电源转换器3034。其中，第一电源转换器3031电性连接于控制器301的核电压端。第一电源转换器3031例如为MYMGM1R824ELA5RA转换芯片，可以将例如12V的供电电压转换为例如0.95V的电源电压，以作为控制器301核心芯片的驱动电压。第二电源转换器3032电性连接于控制器301的输入端和缓存模块305。第二电源转换器3032例如为TPS54327DDAR转换芯片，可以将例如12V的供电电压转换为例如1.2V的电源电压。第三电源转换器3033电性连接于控制器301的输入端、存储模块306，以及通讯模块307的输入端。其中，第三电源转换器3033例如为TPS54327DDAR转换芯片，可以将例如12V的供电电压转换为例如1.8V的电源电压。第四电源转换器3034电性连接于控制器301的输入端、通讯模块307的输入端、时钟模块304和图像传感器20。其中，第四电源转换器3034例如为TPS54327DDAR转换芯片，可以将例如12V的供电电压转换为例如3.3V的电源电压。
请参阅图1至图3所示，在本发明一实施例中，控制器301包括多个内存库(bank)。第二电源转换器3032、第三电源转换器3033和第四电源转换器3034连接控制器301中不同的内存库034电输入端口，为控制器301中的驱动电路提供给工作电压。其中，第三电源转换器3033和第四电源转换器3034连接通讯模块307的不同电源端。在本实施例中，通讯模块307为端口物理层芯片，具体的，例如为88E1512模块。第三电源转换器3033电性连接于通讯模块307的AVDD18电源端，第四电源转换器3性连接于通讯模块307的AVDD33电源端。
请参阅图2至图5所示，在本发明一实施例中，缓存模块305有多个，且缓存模块305电性连接于控制器301的输入端，缓存模块305和控制器301之间可以进行数据的双向沟通，组成数据总线带宽和存储空间。具体的，控制器301包括第一端口3011和第二端口3012。第一端口3011例如为处理系统(Processing System，PS)端，第二端口3012例如为可编程逻辑(Progarmmable Logic，PL)端。其中，第一端口3011连接有多个缓存模块305。其中，缓存模块305为双数据速率同步动态存储器(Dual Data Rate Synchronous Dynamic randomaccess memory，DDR SDRAM)，具体的，缓存模块305例如为DDR4模块。在本实施例中，第一端口3011连接有例如4个缓存模块305。其中，缓存模块305为MT40A512M16LY芯片，从而组成例如64位的数据总线带宽和例如4GB的存储容量，且第一端口3011连接的缓存模块305最高运行速度可以达到例如1200MHz。其中，第二端口3012连接有至少1个缓存模块305。在本实施例中，第二端口3012电性连接有例如1个缓存模块305，从而组成例如16位数据总线带宽和例如1GB的存储容量，且第二端口3012的最高运行速度可以达到例如1066MHz。在本实施例中，第一端口3011和第二端口3012连接不同的内存库中。第一端口3011例如连接于XCZU5EV-2SFVC784I芯片的504号内存库(Bank504)，第二端口3012例如连接于XCZU5EV-2SFVC784I芯片的66号内存库(Bank66)。其中，控制器301的内存库和缓存模块305之间连接有地址线、控制线和数据线。
请参阅图1、图2和图5所示，在本发明一实施例中，时钟模块304电性连接于控制器301，为控制器301提供参考时钟。其中，时钟模块304包括第一单端时钟单元3041、第二单端时钟单元3042和差分时钟单元3043。第一单端时钟单元3041电性连接于第一端口3011，第二单端时钟单元3042和差分时钟单元3043电性连接于第二端口3012。其中，第二单端时钟单元3042和差分时钟单元3043连接于不同的内存库。在本实施例中，第二单端时钟单元3042电性连接于66号内存库(Bank66)，差分时钟单元3043电性连接于65号内存库(Bank65)，第一单端时钟单元3041电性连接于500号内存库(Bank500)。其中，第一单端时钟单元3041的时钟频率例如为33.33MHz，能够为控制器301中的ARM处理器提供时钟参考，从而使控制器301能够完成对图像的预处理过程，再将预处理过的图像数据传输给上位机40，从而减少上位机40的计算量。第二单端时钟单元3042的时钟频率例如为10MHz-50MHz，具体的，第二单端时钟单元3042的时钟频率例如为25MHz，能够为例如数字视频端口(digitalvideo port，DVP)信号提供时钟参考。其中，差分时钟单元3043的时钟频率例如为100MHz-125MHz，具体的，差分时钟单元3043的时钟频率例如为100MHz，能够为例如移动产业处理器(Mobile Industry Processor Interface，MIPI)信号和低电压差分信号(Low VoltageDifferential Signaling，LVDS)提供时钟参考。从而使控制器301能够对多种信号进行处理，增强了图像采集系统10的通用性。
请参阅图2所示，在本发明一实施例中，控制器301和存储模块306电性连接。具体的，控制器301和存储模块306通过多个串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)电性连接。其中，串行外设接口可以传输时钟信号(Serial Peripheral InterfaceCLOCK，SCLK)、从机输入信号(Master Out Slave In，MOSI)、从机输出信号(Master InSlave Out，MISO)和至少1个片选信号(Chip Select，CS)。
请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，通讯模块307电性连接于控制器301，且通讯模块307电性连接有网口308。其中，通讯模块307为端口物理层芯片，具体的，例如为88E1512模块。通讯模块307包括精简吉比特介质独立接口(Reduced Gigabit MediaIndependent Interface，RGMII)和串行吉比特媒体独立接口(Serial Gigabit MediaIndependent Interface，SGMII)。通讯模块307的传输速率包括例如10Mbps、100Mbps和1000Mbps等多个档位。通过通讯模块307，图像数据的最大传输带宽为例如1.0Gbps，且全速传输模式下，图像数据的传输速率可达到例如125MB/s。并且，图像采集系统10中，图像数据的传输距离达到例如100m。
请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，图像处理单元30包括预留模块，具体的，预留模块为第一连接器309和第一连接器309的引脚连接结构。其中，第一连接器309电性连接于控制器301。具体的，第二端口3012电性连接于第一连接器309。在本实施例中，第二端口3012中，一个内存库包括例如48个引脚。第一连接器309例如为连接器FX10A-120P-SV，第一连接器309包括例如120个接口，能够实现例如2个内存库的引脚输出。因此可以从第二端口3012引出多个引脚电性于第一连接器309，例如引出10个引脚，连接于第一连接器309的接口，作为拓展接口备用。
请参阅图1和图2以及图5和图6所示，在本发明一实施例中，图像处理单元30包括通讯接口310和第二连接器311，通讯接口310电性连接于控制器301，通讯接口310电性连接于第二连接器311。第二连接器311电性连接于图像传感器20。其中，通讯接口310包括移动产业处理器(Mobile Industry Processor Interface，MIPI)接口、数字视频端口(digitalvideo port，DVP)和低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)接口。其中，通讯接口310电性连接于第一端口3011。第二连接器311接收到图像传感器20传输的图像数据，并通过通讯接口310将图像数据传输到控制器301中处理。在本实施例中，以MIPI接口为例，在不额外增加MIPI转换芯片的情况下，就能将图像数据通过MIPI接口传输给控制器301。在成本可控的基础上，使图像处理单元30和图像传感器20，尤其是与CMOS图像传感器之间的数据传输能满足多种应用情况。并且图像采集系统10还兼具了大容量的数据缓存能力和多种上位机通讯方式，使其适应面更广。在本实施例中，第二连接器311的选用型号例如为TF38-40S-0.5SV(830)。
请参阅图1和图2所示，在本发明一实施例中，图像处理单元30包括通用串行总线接口312。其中，通用串行总线接口312为USB3.0接口，且通用串行总线接口312电性连接于控制器301和上位机40。具体的，通用串行总线接口312电性连接于第一端口3011，从而使控制器301处理完的图像数据能够通过通用串行总线接口312直接发送到上位机40。在本实施例中，通用串行总线接口312的选用型号例如为GSB3211311WEU。在本实施例中，通用串行总线接口312和控制器301的505号内存(Bank505)电性连接。通过通用串行总线接口312传输图像数据，最大传输带宽可达例如5.0Gbps，全速传输图像数据的速率可达例如500MB/s。在例如5m内的传输距离内，可以实现高速且有缓存接口的数据传输。
请参阅图1、图2和图7所示，本发明还提供了一种图像采集方法，包括步骤S10至步骤S60。
S10、通过初始化配置模块对图像传感器进行初始化配置，并且图像传感器完成摄像头对焦。
S20、通过图像传感器的摄像头拍摄图像，并形成图像数据。
S30、图像传感器将图像数据传输给控制器。
S40、控制器将处理的图像数据不断写入缓存模块，再从缓存模块中读出。
S50、图像处理单元将图像数据通过通讯模块或通用串行总线接口传输给上位机。
S60、上位机显示图像。
请参阅图1、图2、图5和图7所示，在本发明一实施例中，图像传感器20包括摄像头。在步骤S10中，在进行图像采集和处理之前，控制器301通过例如I2C总线对图像传感器20进行初始化配置，并且根据图像对摄像头进行对焦。在步骤S20中，通过摄像头拍摄图像。在步骤S30中，将拍摄的图像通过第二连接器311和通讯接口310传输给控制器301。在步骤S40中，控制器301对图像数据进行处理，处理过程中的缓存图像数据不断地通过第一端口3011和第二端口3012传输给缓存模块305，再从缓存模块305中被读出，以保证图像传输和处理的过程中，数据能够保持完整，不会出现数据的丢失。在步骤S50中，将图像数据通过通讯模块307或通用串行总线接口312传输给上位机40。其中，可以根据应用场合选自由选择使用通讯模块307或通用串行总线接口312。当传输距离短，例如小于5m时，可以使用通用串行总线接口312将图像数据传输至上位机40。当传输距离长，例如大于5m且小于等于100m时，可以用通讯模块307将图像数据传输至上位机40。当对传输的带宽或是传输速率有要求时，若传输带宽不超过1.0Gbps，可以使用通讯模块307或通用串行总线接口312将图像数据传输给上位机40。若传输带宽超过1.0Gbps，可以使用通用串行总线接口312将图像数据传输给上位机40。
本发明提供了一种图像采集系统，包括图像传感器和图像处理单元，图像处理单元电性连接于图像传感器。图像处理单元包括控制器、时钟模块、缓存模块、存储模块、通讯模块、通用串行总线接口和第一连接器，以及第二连接器。其中，时钟模块电性连接于控制器，为控制器提供参考时钟。缓存模块和电性连接于控制器，为控制器提供带宽和数据存储空间。存储模块电性连接于控制器，用于启动存储配置和系统文件。通讯模块和通用串行总线接口电性连接于控制器和上位机，用于传输采集的图像数据。第一连接器电性连接于控制器，用于提供预留存储空间。第二连接器电性连接于图像传感器和控制器，用于传输拍摄的图像数据。其中，第二连接器电性连接有多个通讯接口，用于适配各种信号。本发明提供的图像采集系统，具备大容量的数据存储能力，且能够支持与上位机之间的长距离图像数据传输和高速数据传输，兼具通用性，能够完整且便利地采集获得高帧率、高分辨率且高像素的图像。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种图像采集系统，其特征在于，包括：
图像传感器；以及
图像处理单元，输入端电性连接于所述图像传感器，输出端电性连接有上位机，且所述图像处理单元包括：
控制器，所述控制器上设置有处理系统端和可编程逻辑端；
初始化配置模块，电性连接于所述图像传感器和所述控制器；
缓存模块，电性连接于所述处理系统端和所述可编程逻辑端；以及
多个传输接口，电性连接于所述控制器和所述上位机，或电性连接于所述控制器和所述图像传感器。
2.根据权利要求1所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述图像处理单元包括连接器，所述连接器电性连接于所述控制器和所述图像传感器。
3.根据权利要求2所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述传输接口包括多个通讯接口，所述通讯接口电性连接于所述处理系统端和所述连接器。
4.根据权利要求3所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述通讯接口包括移动产业处理器接口、数字视频端口和低电压差分信号接口。
5.根据权利要求1所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述传输接口包括通用串行总线接口，所述通用串行总线接口电性连接于所述处理系统端和所述上位机。
6.根据权利要求1所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述图像处理单元包括通讯模块，所述通讯模块电性连接于所述控制器和所述上位机。
7.根据权利要求1所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述图像处理单元包括时钟模块，所述时钟模块包括第一单端时钟单元，且所述第一单端时钟单元电性连接于所述处理系统端。
8.根据权利要求7所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述时钟模块包括第二单端时钟单元和差分时钟单元，且所述第二单端时钟单元和所述差分时钟单元电性连接于所述可编程逻辑端。
9.根据权利要求1所述的一种图像采集系统，其特征在于，所述图像处理单元包括电源转换模块，所述电源转换模块电性连接于所述图像处理单元和所述图像传感器。
10.一种图像采集方法，其特征在于，包括：
图像处理单元通过初始化配置模块对图像传感器进行初始化配置；
所述图像传感器拍摄图像，形成图像数据，并通过多个通讯接口将所述图像数据传输给图像处理单元；
所述图像处理单元通过控制器处理所述图像数据，形成缓存图像数据，并将所述缓存图像数据不断写入缓存模块中；
根据上位机的调取命令，所述控制器从所述缓存模块中读出所述缓存图像数据；以及
所述图像处理单元将所述缓存图像数据通过通讯模块或通用串行总线接口传输给所述上位机。
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CN112311989A (zh) * 2020-10-29 2021-02-02 苏州浪潮智能科技有限公司 一种高速成像与传输系统
CN114244967A (zh) * 2021-10-13 2022-03-25 深钛智能科技(苏州)有限公司 一种半导体芯片图像采集系统

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