基于FPGA的机器视觉设计
摘要：为实现系统快速更新，在此设计了一种新的机器视频解决方案，借助fpga技术，实现视频输入端口与gige vision ip的使用以及系统与计算机主机的连接。设计方案中采用了新的gige vision标准及gige vision ip核，使系统相比其他现有相关标准更简单、速度更快，是未来的发展方向。
关键词：机器视觉; 视频; fpga; gige vision
引言
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉作为人类视觉与大脑的延伸，是衡量现代工业自动化程度的标志之一。近年来，随着计算机技术尤其是多媒体技术和数字图像处理及分析理论的成熟，以及大规模集成电路的迅速发展，机器视觉技术得到了广泛的应用研究，取得了巨大的经济与社会效益。
机器视觉系统主要由3部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。本文介绍了基于fpga的一种机器视觉系统，该系统采用gige vision 摄像机来获取图像，在fpga中采用了gig
e vision ip核，根据tcp/ip传送协议实现了fpga与pc机的数据通讯。
1fpga实现机器视觉的优势
随着机器视觉系统应用中分辨率的提高和压缩算法的进步，对系统性能和构架灵活性提出了更高的要求，以实现系统的快速更新。可选择的系统构架包括标准单元asic，assp以及各种可编程解决方案，如数字信号处理器（dsp）或媒体处理器和fpga。每种构架都具有各自的优缺点，最终选择取决于终端设备要求和解决方案的可用性。理想构架应具有以下特点：高性能、灵活性、易升级性、低开发成本以及具有随着应用成熟和产量增加向更低成本迁移的能力。fpga具有并行运算、反复使用、大量可使用的软核的优势，是实现机器视觉理想构架的合理选择。
fpga是小批量系统提高集成度、可靠性的最佳选择之一。随着vlsi工艺的不断提高，单一芯片内部已可以容纳上百万个晶体管，这使得fpga芯片所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。
fpga有大量软核，可以方便进行二次开发。fpga甚至包含单片机和dsp软核，并且io数仅受fp
ga自身io限制，所以，fpga又是单片机和dsp的超集。也就是说，单片机和dsp能实现的功能，fpga一般都能实现。在soc设计中，基于fpga器件设计工艺的发展使得越来越多的功能集成到一个芯片成为可能。为实现这一目标，有一种非常实用的soc设计方法，称为基于核的设计，它将系统的功能划分为不同的核，采用ip（intellectual property）核来完成特定的设计功能。本文就是采用了gige vision的ip核来完成主要部分设计的。
2机器视觉系统设计
2.1设计原理
系统原理框图如图1所示。
图1系统硬件体系结构图这个解决方案基于xilinx低功耗低成本的spartan 3e fpga芯片上实现，它提供了整合camera link，gige vision ip，千兆以太网mac的平台和可选的visual applets软件。
2.2视频输入模块
在its及安防行业，现在主要使用的是模拟摄像机，也有部分厂家推出了网络摄像机(pcamera)。gige vision摄像机与他们之间的对比如表1所示。
表1各类摄像机对比
摄像机
类型gige vision
摄像机模拟
摄像机网络
摄像机成像元件逐行扫描ccd隔行扫描ccd隔行或逐行
扫描ccd有效像素640×4 801 392×
1 040,2 048×2 048720×576640×480视频输出格式8 b/10 b
数字输出模拟8 b数字输出视频输出接口1 000base tbnc10base t/
100base tx输出帧率 /（f/s）一般：30
最高：2002525~30数据压缩无压缩无压缩mpeg/jpeg远程设置可以不可以可以部分扫描输出可以不可以不可以sdk有无有应用开发难度容易难难
从以上的对比表可以看出，gige vision摄像机的主要优点是:
(1) 逐行扫描；
(2) 高清晰，缓高分辨率达到4百万像素；
(3) 帧率高：最高帧率达到200 f/s；
(4) 数据未经压缩，无损失；
(5) 可以根据需要输出部分扫描数据；
(6) 可以通过软件自动改变摄像机参数，适应变化的现场环境；
(7) 后期应用开发方便。
基于gige vision摄像机的优点，本系统采用tcpip协议最低层gige vision摄像机。
2.3fpga中使用的模块
fpga中使用camera link来进行与相机的互连。camera link是一个应用于高端机器视觉的强大的数据通道。它使用一个专门的电缆连接和标准化的通信协议。camera link支持大量的数据和高数据传输率，适合今天的图像数据传输的要求。
在系统中xilinx fpga中使用的gige vision是一种由aia（automated imaging association）开发的相机接口标准。这是一项开放性的标准，它能让来自不同厂家的摄像机与应用软件通过吉比特以太网实现相互间的无间合作。gige vision 使用了一个标准的千兆以太网连接同其高带宽（1 gb/s）实现了未经压缩图像和数据的实时传输。使用gige vision ip是实现高性能机器视觉应用的理想解决方案。一个吉比特以太网相机使用camera link与gige vision相连。
gige vision 是一种实现单/多相机与单/多计算机相连接进行数据集中和分布式处理的理想标准。使用标准千兆以太网允许使用标准电缆和连接器，从而降低材料费和整合成本以及后续增长以太网带宽的可扩展性。
本方案中使用的gige vision ip核是根据的gige vision规范1.0版的gige vision 数据流协议的硬件实现。它是由xilinx的合作伙伴feith sensor to image gmbh发开的。因为通过硬件来实现数据流通道可以达到千兆以太网的最大吞吐量。ip核的结构如图2所示。

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