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38100字硕士毕业论文嵌入式高清工业相机的分析与实现

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38100字
论点:图像,相机,视觉
论文概述:

对嵌入式高清工业相机整体性能需求进行分析,根据性能需求选择合适的体系结构的芯片、开发平合、传感器芯片等。本课题对两种方案展开了深入研究,一种是基于FPGA, —种是基于Ti的Davinc

论文正文:

介绍

1.1项目研究背景
随着科学技术的发展,现代工业自动化生产涉及到样品检测、状态监测和零件识别等多项任务。由于疲劳和其他因素,人眼通常无法长时间稳定地完成这些高度重复性和智能的任务。因此,人们开始使用图像传感器来收集样本图像。根据采集图像的灰度、颜色等信息,利用计算机或专门的图像采集处理系统提取特征,完成尺寸、形状、颜色等的判别。因此,机器视觉的概念(1)是由光电技术和计算机技术相结合而形成的。机器视觉从诞生至今已有近20年的历史。随着各行业对测试和自动化要求的不断提高,机器视觉的应用已经逐渐从原来的半导体、生物等行业扩展到汽车、通信、医疗器械、军事等行业。使用机器视觉系统不仅可以代替人眼承担高强度的监控和检测任务,提高生产效率,而且可以将被测和被测分开,在很大程度上保证了两者的安全。在一些不适合人工操作或人工视觉难以满足要求的危险工作环境中,机器视觉通常用来代替人眼观察。此外,机器视觉可以使用特殊的传感器来观察人眼不能直接观察到的领域,如红外紫外波段、x光、微波等。工业摄像机是机器视觉系统的核心部件。它通常作为机器视觉系统的前端,承担图像的采集和传输。它的性能直接影响后端的处理和显示。与传统摄像机相比,它需要高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力。随着加工业的发展和技术的进步以及质量要求的不断提高,机器视觉市场正逐步从低端走向高端。未来,为了满足机器视觉发展的需要,需要更智能、更快、更高分辨率的工业摄像机。过去,工业相机基本上是基于个人电脑的。图像采集与其他控制和处理相分离。所有后端处理都依赖于个人电脑,这需要高后端处理。整个系统体积庞大,功耗和成本高。随着计算机技术和微电子技术的飞速发展,嵌入式系统的应用越来越广泛,尤其是其低功耗使得机器视觉的发展在未来将会非常使用嵌入式技术。国外对工业摄像机本身作为独立机器视觉终端的研究已经成为热点。开发低功耗、低成本、高分辨率的嵌入式工业相机已成为一个重要课题。

1.2研究现状

1.2.1国外工业摄像机的现状
国外机器视觉的发展大致经历了以下几个阶段:机器视觉的概念最早是在20世纪50年代由于机器人的发展而提出的;20世纪70年代,随着CCD图像传感器的出现,机器视觉开始真正发展起来;20世纪80年代,计算机硬件技术如中央处理器、数字信号处理器和图像处理技术的快速发展为机器视觉的发展提供了基础条件。机器视觉的发展在20世纪90年代趋于成熟,然后进入了一个快速发展的时期。研究报告指出,目前全球视觉市场总量至少为150亿美元,正以8%左右的年增长率增长。目前,世界知名的工业相机供应商包括加拿大的达尔萨公司、德国的联合视觉技术(AVT)、巴斯勒公司、成像源公司和丹麦的JAI公司。其中,达尔萨公司(Dalsa Company)是最著名的电荷耦合器件/互补金属氧化物半导体工业相机制造商,也是世界上唯一拥有包括半导体制造、芯片设计与制造、相机设计与制造、图像采集与处理软硬件设计能力等所有产品设计能力的企业。它是成像和机器视觉行业的先驱。下图1.1显示了达尔萨猎鹰sa系列电荷耦合器件面阵摄像机。高分辨率。分辨率是工业相机的关键性能参数。分辨率反映了图像的精细程度。分辨率越高,图像信息越丰富。机器视觉市场对高分辨率相机的需求一直在不断增加。目前,主流工业相机的图像分辨率包括640×480至2592×1944,其中80万至200像素的工业相机需求最大。摄像机的高分辨率意味着大量的数据,增加了传输和处理的负担,对摄像机性能的各个方面提出了更高的要求。整合。工业自动化始终倡导集成解决方案。未来几年,机器视觉制造商将逐步走向软硬件集成解决方案的系统集成商,而不是只提供前端摄像机产品,提供从前端摄像机到图像处理平台板、到自动视觉控制设备等视觉产品。

2嵌入式工业摄像机系统方案

2.1系统框架分析
该项目的研究目标是高清嵌入式工业摄像机。嵌入式工业摄像机系统可以分为几个功能模块:光学成像系统、图像传感器及其外围电路、摄像机核心图像采集和处理系统[5]。本文不讨论前端光学成像系统。我们的相机采用标准的碳卡口工业镜头。图像传感器通常是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS),二者都实现光强信号到电信号的转换。从对象要求的角度来看,图像传感器需要具有更高的分辨率,至少在百万像素级,以及更高的图像质量。另一个课题是研究嵌入式工业相机,它必须在相机机身中具备基本的图像采集和处理功能,能够通过显示界面实时预览高清图像,并支持图像静态存储等功能。我们将图像采集处理系统详细划分为以下功能模块:信号实时采集模块、图像缓冲模块、图像预处理模块、复杂图像数据处理模块和外部接口模块,如下图2.1所示。信号采集模块的主要功能是将从图像传感器采集的实时数字图像信号传输到后端图像采集处理核心进行处理。图像预处理模块主要完成颜色空之间的转换以及一些低级和高度重复的图像处理工作。缓冲控制模块将图像信号发送到外部高速内存,实现缓冲调用。外部接口主要负责图像输出和人机交互,包括图像存储、实时预览显示等。系统整体工作过程如下:图像传感器输出高清图像数据,图像采集完成后,采集处理系统对图像进行预处理,处理后的图像数据进入作为帧缓存器的内存,摄像头后端直接连接高清显示器实时预览高清图像。图像可以存储在SD卡等存储设备中,也可以发送到网络。

3现场可编程门阵列工业相机硬件电路设计……17
3.1硬件系统框架……17
3.2每个模块电路设计……17
3.3系统印刷电路板设计……25
4现场可编程门阵列工业相机软件系统开发……28
4.1发展环境和工具……28
4.2 SOPC系统逻辑设计……29
4.2.1系统架构……29
4.2.2图像采集接口设计……31
4.2.3硬实时图像预处理算法……32
4.2.4图像显示界面设计……36
4.3 Niosⅱ应用设计……37
5……3
5.1 TMS 320 DM365简介……39
5.2 DM365硬件系统设计……40
5.3软件设计……48基于达芬奇DM365平台

结论

高清嵌入式工业相机是机器视觉发展的新方向。这一领域的国内外关键技术存在很大差距。目前,中国仍处于探索和发展阶段。本文研究了国内外高清嵌入式工业摄像机的发展现状。通过查阅大量国内外应用案例和数据手册,选择“现场可编程门阵列”和“TiDM365”作为嵌入式解决方案,完成了基于这两种解决方案的嵌入式高清工业摄像系统的软硬件设计。FPGA方案的核心是基于SOPC和阿瓦隆总线技术的片上图像采集处理系统的设计。DM365方案侧重于硬件电路的设计、软件开发环境的构建、驱动程序的移植以及顶层应用程序的设计和实现。通过两台样机的测试,证明了本课题设计和实现的两种方案的嵌入式工业摄像机能够完成高清图像的实时采集、存储、预处理和显示功能。本文的创新点如下:
(1)综合分析了几种嵌入式解决方案的优缺点及其在摄像机图像采集和处理中的应用。通过对两种研究价值组合——现场可编程门阵列(FPGA)和达芬奇(DaVinci)的分析,设计了两套不同特性的嵌入式高清工业相机。
(2)现场可编程门阵列方案使用单个现场可编程门阵列芯片构建完整的片上高清图像采集和处理系统。嵌入式硬件实时图像预处理模块,自行设计了一个适合高清图像采集和显示的IP核。该设计充分利用了现场可编程门阵列并行流水线处理的特点和软硬件协同设计的特点。
(3)DM365方案,利用达芬奇强大的视频图像处理技术,实现本地VGA和以太网双通道高清视频输出,并自行设计系统的各个硬件电路板,完成支持SD卡、USB2.0、VGA和以太网的集成摄像头的硬件设计。

参考
[1]。李淑杰。中国机器视觉的发展趋势。赤峰大学学报(自然科学版)。2010.1
[2]。米本·叶禾,陈荣庭,彭美贵,等。电荷耦合器件/互补金属氧化物半导体图像传感器的基础与应用[。北京:科学出版社,2006:1-144,208-225。
[3]华阳。童寿丰。基于现场可编程门阵列的拜耳-RGB图像格式转换设计。现代电子技术,2010年[/比尔/] [4]。平宁。《基于SOPC·[的图像采集http://sblunwen.com/gygclw/和存储系统》,CISP,2010年。[/比尔/] [5],向恒伟。基于现场可编程门阵列的CCD工业相机的研究与开发。江南大学硕士学位论文。2009.
[6],陈愉。高分辨率高速互补金属氧化物半导体相机的硬件设计。吴继华王成,[电子科技大学硕士学位论文/br/][7。ALTERA现场可编程门阵列/可编程逻辑器件设计(基础)。北京:人民邮电出版社,2005.7
[8],赵静。基于Cyclonell系列FPGA的实时图像采集与预处理系统研究。重庆大学硕士学位论文。2009.
[9]。斯蒂芬·布朗。研究的现场可编程门阵列架构:调查[。IEEE计算机设计与测试,1996:915-920。
[10]。德克萨斯仪器公司。达芬奇数字视频技术[硕士]。