基于FPGA的機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)

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1、- 基于FPGA的機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì) 摘要：為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速更新，在此設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器視頻解決方案，借助fpga技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻輸入端口與gige vision ip的使用以及系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)主機(jī)的連接。設(shè)計(jì)方案中采用了新的gige vision標(biāo)準(zhǔn)及gige vision ip核，使系統(tǒng)相比其他現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更簡(jiǎn)單、速度更快，是未來(lái)的開(kāi)展方向。 關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué); 視頻; fpga; gige vision 引言 機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)作為人類視覺(jué)與大腦的延伸，是衡量現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化程度的標(biāo)志之一。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是多媒體技術(shù)和數(shù)字圖像處理及分析理論的成熟，

2、以及大規(guī)模集成電路的迅速開(kāi)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用研究，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由3局部組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。本文介紹了基于fpga的一種機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用gige vision 攝像機(jī)來(lái)獲取圖像，在fpga中采用了gige vision ip核，根據(jù)tcp/ip傳送協(xié)議實(shí)現(xiàn)了fpga與pc機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。 1fpga實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)的優(yōu)勢(shì) 隨著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用中分辨率的提高和壓縮算法的進(jìn)步，對(duì)系統(tǒng)性能和構(gòu)架靈活性提出了更高的要求，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速更新?？蛇x擇的系統(tǒng)構(gòu)架包括標(biāo)準(zhǔn)單元asic，assp以及各種可編程解決方案，如數(shù)字信號(hào)

3、處理器〔dsp〕或媒體處理器和fpga。每種構(gòu)架都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇取決于終端設(shè)備要求和解決方案的可用性。理想構(gòu)架應(yīng)具有以下特點(diǎn)：高性能、靈活性、易升級(jí)性、低開(kāi)發(fā)本錢(qián)以及具有隨著應(yīng)用成熟和產(chǎn)量增加向更低本錢(qián)遷移的能力。fpga具有并行運(yùn)算、反復(fù)使用、大量可使用的軟核的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)理想構(gòu)架的合理選擇。 fpga是小批量系統(tǒng)提高集成度、可靠性的最正確選擇之一。隨著vlsi工藝的不斷提高，單一芯片內(nèi)部已可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管，這使得fpga芯片所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。 fpga有大量軟核，可以方便進(jìn)展二次開(kāi)發(fā)。fpga甚至包含單片機(jī)和dsp軟核，并且io

4、數(shù)僅受fpga自身io限制，所以，fpga又是單片機(jī)和dsp的超集。也就是說(shuō)，單片機(jī)和dsp能實(shí)現(xiàn)的功能，fpga一般都能實(shí)現(xiàn)。在soc設(shè)計(jì)中，基于fpga器件設(shè)計(jì)工藝的開(kāi)展使得越來(lái)越多的功能集成到一個(gè)芯片成為可能。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有一種非常實(shí)用的soc設(shè)計(jì)方法，稱為基于核的設(shè)計(jì)，它將系統(tǒng)的功能劃分為不同的核，采用ip〔intellectual property〕核來(lái)完成特定的設(shè)計(jì)功能。本文就是采用了gige vision的ip核來(lái)完成主要局部設(shè)計(jì)的。 2機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)原理 系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 圖1系統(tǒng)硬件體系構(gòu)造圖這個(gè)解決方案基于*ilin*低功耗低本錢(qián)的spar

5、tan 3e fpga芯片上實(shí)現(xiàn)，它提供了整合camera link，gige vision ip，千兆以太網(wǎng)mac的平臺(tái)和可選的visual applets軟件。 2.2視頻輸入模塊 在its及安防行業(yè)，現(xiàn)在主要使用的是模擬攝像機(jī)，也有局部廠家推出了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(pcamera)。gige vision攝像機(jī)與他們之間的比照方表1所示。 表1各類攝像機(jī)比照 攝像機(jī) 類型gige vision 攝像機(jī)模擬 攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò) 攝像機(jī)成像元件逐行掃描ccd隔行掃描ccd隔行或逐行 掃描ccd有效像素640×4 801 392× 1 040,2 048×2 048720×576640×4

6、80視頻輸出格式8 b/10 b 數(shù)字輸出模擬8 b數(shù)字輸出視頻輸出接口1 000basetbnc10baset/ 100baset*輸出幀率 /〔f/s〕一般：30 最高：2002525~30數(shù)據(jù)壓縮無(wú)壓縮無(wú)壓縮mpeg/jpeg遠(yuǎn)程設(shè)置可以不可以可以局部掃描輸出可以不可以不可以sdk有無(wú)有應(yīng)用開(kāi)發(fā)難度容易難難 從以上的比照表可以看出，gige vision攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是: (1) 逐行掃描； (2) 高清晰，緩高分辨率到達(dá)4百萬(wàn)像素； (3) 幀率高：最高幀率到達(dá)200 f/s； (4) 數(shù)據(jù)未經(jīng)壓縮，無(wú)損失； (5) 可以根據(jù)需要輸出局部掃描數(shù)據(jù)； (6)

7、可以通過(guò)軟件自動(dòng)改變攝像機(jī)參數(shù)，適應(yīng)變化的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境； (7) 后期應(yīng)用開(kāi)發(fā)方便。 基于gige vision攝像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用gige vision攝像機(jī)。 2.3fpga中使用的模塊 fpga中使用camera link來(lái)進(jìn)展與相機(jī)的互連。camera link是一個(gè)應(yīng)用于高端機(jī)器視覺(jué)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通道。它使用一個(gè)專門(mén)的電纜連接和標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議。camera link支持大量的數(shù)據(jù)和高數(shù)據(jù)傳輸率，適合今天的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆? 在系統(tǒng)中*ilin* fpga中使用的gige vision是一種由aia〔automated imaging association〕開(kāi)發(fā)的相機(jī)接口

8、標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)開(kāi)放性的標(biāo)準(zhǔn)，它能讓來(lái)自不同廠家的攝像機(jī)與應(yīng)用軟件通過(guò)吉比特以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相互間的無(wú)間合作。gige vision 使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)連接同其高帶寬〔1 gb/s〕實(shí)現(xiàn)了未經(jīng)壓縮圖像和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。使用gige vision ip是實(shí)現(xiàn)高性能機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的理想解決方案。一個(gè)吉比特以太網(wǎng)相機(jī)使用camera link與gige vision相連。 gige vision 是一種實(shí)現(xiàn)單/多相機(jī)與單/多計(jì)算機(jī)相連接進(jìn)展數(shù)據(jù)集中和分布式處理的理想標(biāo)準(zhǔn)。使用標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)允許使用標(biāo)準(zhǔn)電纜和連接器，從而降低材料費(fèi)和整合本錢(qián)以及后續(xù)增長(zhǎng)以太網(wǎng)帶寬的可擴(kuò)展性。 本方案中使用的gig

9、e vision ip核是根據(jù)的gige vision規(guī)*1.0版的gige vision 數(shù)據(jù)流協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)。它是由*ilin*的合作伙伴feith sensortoimage gmbh發(fā)開(kāi)的。因?yàn)橥ㄟ^(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通道可以到達(dá)千兆以太網(wǎng)的最大吞吐量。ip核的構(gòu)造如圖2所示。 圖2gige vision ip核構(gòu)造gige vision的核心由內(nèi)存控制器、吉比特以太網(wǎng)mac、控制微處理器和一個(gè)視頻處理單元組成。 gige vision核提供了吉比特以太網(wǎng)mac接入系統(tǒng)的其余局部，處理gige vision 數(shù)據(jù)流通道，對(duì)gige vision通道再發(fā)送申請(qǐng)包進(jìn)展解碼，并提供一個(gè)嵌

10、入式cpu的網(wǎng)絡(luò)接口。cpu處理了除gige vision數(shù)據(jù)流控制以外的所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。內(nèi)存控制器作為特殊的視頻幀緩沖區(qū)，它不是緩沖輸入的視頻幀，而是把它們分成可供網(wǎng)絡(luò)傳輸和實(shí)現(xiàn)gige vision數(shù)據(jù)流協(xié)議的局部處理包重發(fā)送功能的較小區(qū)域。 fpga中與計(jì)算機(jī)相連的局部使用的是finger lakes engineering為*ilin*開(kāi)發(fā)的phantom trimode mac ip核。它與gige vision ip核集成在一起，充分應(yīng)用1 gb/* r*/t*速率，支持ipv4，ipv6，jumbo packet和mdio。phantom核具有獨(dú)特的重新計(jì)時(shí)路徑，從而能降低時(shí)鐘

11、緩沖器計(jì)數(shù)值同時(shí)簡(jiǎn)化核的集成度，對(duì)于低本錢(qián)的spartan器件和高性能的virte*構(gòu)架都是理想的選擇。 2.4主機(jī)接口設(shè)計(jì) 本方案中使用吉比特以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)上需安裝visual applets軟件。 visual applets是由silicon software開(kāi)發(fā)的一款軟件，可完全兼容*ilin*的fpga。visual applets完成了一個(gè)極其強(qiáng)大、靈活、快速和優(yōu)化的gige vision開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它使不熟悉fpga的機(jī)器視覺(jué)專家也能簡(jiǎn)單地操作這個(gè)系統(tǒng)。 silicon software開(kāi)發(fā)的visual applets為最先進(jìn)的fpga設(shè)計(jì)工具，經(jīng)由易學(xué)易用的

12、圖形接口，可以開(kāi)發(fā)出圖像處理專用的fpga configuration，即所謂的applet。 借由visual applets可以： (1) 使影像卡變成一個(gè)高效能的影像處理器； (2) 現(xiàn)代fpga的潛能可由任何使用者自行發(fā)揮； (3) 影像處理的解決方案可在數(shù)分鐘內(nèi)完成； (4) 達(dá)成硬件階層的快速開(kāi)發(fā)。 使用visual applets，不必?fù)碛休^深的硬件知識(shí)，如數(shù)字電路、時(shí)間分析、fpga硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言。使用visual applets只要將各個(gè)處理模塊之間作，各種的兼容性可實(shí)時(shí)顯示，各模塊間能以不同的位相關(guān)系作，同時(shí)也能評(píng)估系統(tǒng)需求資源與數(shù)據(jù)帶寬分析，甚至于分析每個(gè)模塊連

13、接點(diǎn)之間的流量，快速找到設(shè)計(jì)瓶頸。設(shè)計(jì)完成后，產(chǎn)生編譯檔只要幾分鐘的時(shí)間，期間不需要任何人工動(dòng)作，applet可立即在 microdisplay中使用并進(jìn)展參數(shù)設(shè)定，同時(shí)也會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)visual c++ sdk project。 3結(jié)語(yǔ) 本文根據(jù)以fpga芯片為核心設(shè)計(jì)了一種通用的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，可以應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)線、車輛智能監(jiān)控管理等各種場(chǎng)合。采用最新的高性能視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際知名大公司開(kāi)發(fā)的ip核以及主機(jī)visual applets 軟件的使用極大地提升了系統(tǒng)的性能、可靠性。 參考文獻(xiàn) ［1］feith. gige vision ip specification: feith sen

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