CN202077149U

CN202077149U - 一种tfds新型图像采集装置

Info

Publication number: CN202077149U
Application number: CN 201120214422
Authority: CN
Inventors: 张益�; 韩涛; 赵新国; 李侠; 刘庆庆
Original assignee: BEIJING KANGTUO INFRA-RED TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Control Infrared Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-06-23

Abstract

本实用新型公开了一种TFDS新型图像采集装置，包括图像传感器、CPU、JPEG硬件压缩核、DDR3控制器、传感器驱动电路、网络接口、电源模块和GPIO模块；图像传感器捕获影像信息，GPIO模块接收计算机应用程序发出的触发信号，CPU据图像传感器获取的当前图像信息，对图像信息进行处理，将当前图像对应的拍摄线号存入图像数据中；JPEG压缩核对CPU得到的图像数据进行实时压缩；DDR3控制器对压缩后的图像数据进行存储；网络接口将DDR3控制器存储的图像数据传输给计算机应用程序。本实用新型以硬件压缩的方式代替软件压缩的方式，提高图像处理的速度，有助于数据网络传输的准确性和快捷性。

Description

一种TFDS新型图像采集装置

技术领域

本实用新型属于数字图像处理技术领域，涉及一种TFDS新型图像采集装置。

背景技术

TFDS(货车故障轨边图像检测系统)设备是货车运行故障的重要检测设备。它集图像采集、计算机和通讯技术为一体，是“5T”设备中的重要运用安全检测设备。

TFDS线扫描设备的优势之一就是以线阵采图方式代替面阵采图。线阵带给我们直观的利益就是方便尽可能精确定位截图，因为图片和车辆部位一一对应是TFDS系统的严格要求。图像作为信息载体，是TFDS系统中非常关键的元素，所以对于前端图像采集装置各方面性能的要求都必须严格。目前TFDS线扫描设备采用市场上传统的线阵摄像机作为前端图像采集装置。TFDS线扫描设备图像采集系统由前端图像采集装置、图像数据处理计算机、服务器，3个部分组成。

虽然TFDS线扫描设备的图像采集系统在很大程度上满足快速列车在线检测的要求，但是在使用的过程中，发现TFDS线扫描设备图像采集系统还是存在着诸多的不足和局限性，具体表现在以下几个方面：

a前端图像采集设备使用的是市场上传统的工业摄像机，增加二次开发的难度、灵活性不高。

b传统工业摄像机输出的图像数据很大，对于TFDS线扫描设备系统来说并没有什么实际的使用意义，那么就必须增加图像数据处理计算机对数据进行压缩处理，因此增加了硬件成本和TFDS先扫描设备系统的复杂性。

c由于软件压缩算法和计算机内存的局限性，高速列车在线检测的情况下容易造成图像处理计算机故障。

d前端图像采集装置和轨边探测站之间有一定的距离，而传统工业摄像机的输出的原始图像数据很大，不利于网络数据传输。

e没有反馈所拍摄的线数和线号，不利于定位截图。现有的方式是通过记录控制计算机所发送的脉冲数来确定定位截图所需要的信息，这样容易造成丢图或定位截图不准的风险。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提出一种TFDS新型图像采集装置，采用了高度集成方式通过JPEG硬件压缩核使图像采集和压缩集为一体，达到了减少硬件成本的效果，具有便捷、性能优异、可靠的优势，和提高TFDS线扫描设备系统质量的意义。

一种TFDS新型图像采集装置，包括图像传感器、CPU、JPEG硬件压缩核、DDR3控制器、传感器驱动电路、以太网PHY及RJ45接口、电源模块和GPIO模块；

图像传感器捕获影像信息，将模拟信号转为数字信号，将图像信息发送给CPU；传感器驱动电路对图像传感器的模拟信号进行增益放大、差分信号到单端信号转换，输出用户需求的图像数字信号；GPIO模块接收计算机应用程序发出的触发信号，通知装置记录当前所拍摄图像信息的线号；CPU据图像传感器获取的当前图像信息，自动控制曝光时间和增益值，对图像信息进行处理，将当前图像对应的拍摄线号存入图像数据中，得到的图像数据输出至JPEG压缩核；JPEG压缩核按jpg格式对CPU得到的图像数据进行实时压缩；DDR3控制器对压缩后的图像数据进行存储；以太网PHY及RJ45接口将DDR3控制器存储的图像数据传输给计算机应用程序，应用程序通过以太网PHY及RJ45接口给CPU发送控制指令；电源模块连接传感器驱动电路、以太网PHY及RJ45接口、GPIO模块，电源模块接收外部电流输入，为装置提供电源。

本实用新型的优点在于：

(1)大分辨率前端视频和数据图像采集，保证信息的可靠性和实用性。

(2)图像处理方面以硬件压缩的方式代替软件压缩的方式，提高图像处理的速度、降低外部应用程序的操控数据量，有助于数据网络传输的准确性和快捷性等。

(3)结构巧小，耗能低。

(4)把图像采集和压缩合为一体，一定程度上减少了硬件的成本。

(5)可根据需要迅时反馈当前拍摄的线号，有助于精确定位截图。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的效果对比图；

图中：

1-图像传感器，2-CPU，3-JPEG硬件压缩核，4-DDR3控制器，5-传感器驱动电路，6-以太网PHY及RJ45接口，7-电源模块，8-GPIO模块。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型是一种TFDS新型图像采集装置，如图1所示，包括图像传感器1、CPU2、JPEG硬件压缩核3、DDR3控制器4、传感器驱动电路5、以太网PHY及RJ45接口6、电源模块7和GPIO模块8。

图像传感器1用来捕获影像信息，采用CMOS传感器；图像传感器1中包括感光二极管、放大器和模数转换电路，感光二极管接受光照，产生模拟的电信号，电信号由放大器放大，然后模数转换电路将模拟电信号转换成对应的数字信号，图像传感器1将数字信号传输给CPU2。本实用新型中图像传感器1作为大分辨率前端视频和数据图像采集，保证信息的可靠性和实用性。

传感器驱动电路5处理由图像传感器1输入的原始模拟信号，对模拟信号进行增益放大、差分信号到单端信号转换，最后输出用户需求的图像数字信号，基于FPGA设计的传感器驱动电路5是可再编程的，与传统的方法相比，其优点是集成度高、速度快、可靠性好。若要改变传感器驱动电路5的时序，增减某些功能，仅需要对器件重新编程即可，在不改变任何硬件的情况下，即可实现驱动电路的更新换代。

所提到的应用程序是指：与采集装置连接的计算机上的软件，用于获取装置采到的每一帧图像。

GPIO模块8接收应用程序发出的触发信号，触发信号的作用：通知装置中CPU2记录当前所拍摄的线号，并把这个值整合(jpg头文件中)到图像数据中。GPIO模块8输入输出采用光耦隔离，输出采用OC门(即三极管集电极开路输出)输出，GPIO模块8输入输出地线同该图像采集装置供电电源地线完全隔离，可靠保证外围设备工作状态以及电压波动等异常情况不会对相机产生影响。

CPU2采用基于超大规模可编程逻辑器件的SOC芯片，CPU2进行图像处理，根据图像传感器1获取的当前图像信息，自动控制曝光时间和增益值，对图像信息进行处理，将当前图像对应的拍摄线号存入图像数据中，此时，得到的图像数据输出至JPEG压缩核3。

JPEG压缩核3按jpg格式对CPU2得到的图像数据进行实时压缩，本实用新型是以车辆速度来作为拍摄依据的，所以在高速列车在线检测时，图像数据压缩速度就显得极为重要。JPEG压缩核3采用硬件电路完成，所有数据处理采用并行方式，相比传统的穿行软件压缩方式，在处理速度(是软件压缩5～10倍)和压缩时间延迟方面有极大的提高，如图2所示。

DDR3控制器4对压缩后的图像数据进行存储，DDR3控制器4最大支持2Gbit DDR3SDRAM，最大数据传输速率1066Mbps，实现高效的存储技术，提高CPU性能。

以太网PHY及RJ45接口6用于与应用程序进行通讯，以太网PHY及RJ45接口6就是网络接口，将DDR3控制器4存储的图像数据传输给应用程序。应用程序通过以太网PHY及RJ45接口6给CPU2是发送控制指令(如开、关机等)。以太网PHY及RJ45接口6采用高性能工业级以太网PHY，无差错可靠传输距离超过100米。RJ45接口集成变压器和LED。RJ45为网口接线的类型，根据线的排序不同的法有两种，一种是橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕；另一种是绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。

电源模块7接收外部电流输入，为装置提供电能。电源模块7连接传感器驱动电路5，以太网PHY及RJ45接口6，GPIO模块8。由于采用超大规模可编程逻辑器件，其内核电压需要交大电流支持，在图像处理中对电源纹波及稳定性要求较高，虽然使用LDO其纹波和稳定性会增加，但其效率较低，且在大电流情况下发热量过大，需增加散热片，因此LDO不适合于在体积较小摄像机内部使用，而效率高的且在大电流情况下不会有交大热量产生的DC/DC电源是最佳方案。

本发明中CMOS传感器与CCD相比，CMOS影像传感器的优点在于：

1.电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一像素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。

2.与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的体积很困难。

3.电子、电压转换率标识每个信号电子转换为电压信号的大小。由于CMOS图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压传唤率要优优于CCD图像传感器。

4.高帧摄像时选用CMOS摄像机更佳。CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，每个专用通道中的电荷全部经过一个″放大器″进行电压转变。因此，这个″放大器″就成为了制约图像处理速度的瓶颈。所有电荷由单一通道输出，当数据量大时就容易发生信号拥堵。而像素越高，需要传输和处理的数据也就越多，使用单CCD无法满足高速读取大量高清数据的需要。而CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的光电信号转变成数字信号，因此处理非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，速度能达到400到2000帧/秒。所以对于高速摄像场所，选用CMOS摄像机效果更佳。

本实用新型采用了高度集成方式通过JPEG硬件压缩核使图像采集和压缩集为一体，达到了减少硬件成本的效果，具有便捷、性能优异、可靠的优势，和提高TFDS线扫描设备系统质量的意义。

Claims

1.一种TFDS新型图像采集装置，其特征在于，包括图像传感器、CPU、JPEG硬件压缩核、DDR3控制器、传感器驱动电路、以太网PHY及RJ45接口、电源模块和GPIO模块；

2.根据权利要求1所述的一种TFDS新型图像采集装置，其特征在于，所述的图像传感器采用CMOS传感器。

3.根据权利要求1所述的一种TFDS新型图像采集装置，其特征在于，所述的以太网PHY及RJ45接口采用高性能工业级以太网PHY。

4.根据权利要求1所述的一种TFDS新型图像采集装置，其特征在于，所述的GPIO模块的输入输出采用光耦隔离，输出采用三极管集电极开路输出，GPIO模块输入输出地线与图像采集装置电源地线隔离。