智能相机的设计研究

    1 引言

    智能相机作为工业控制系统和监控系统的关键执行部件,因其具有广泛的应用前景, 对其进行的研究正方兴未艾。基于采用成像器件的不同, 可分为 CCD(Charge Coupled Device) 相机和 COMS(Complementary Metal- oxide Semi- conductor) 相机。采用 CCD 成像器件的相机成像质量较好, 但外围电路相对较复杂, 调试不太方便, 成本较高; 采用 CMOS 成像器件的相机,电路设计简单, 调试方便, 成像质量可以满足工作需要, 成本低廉, 因此广泛应用于交通监控, 工业控制等领域。基于设计所采用的器件不同, 主要有以下几种结构: DSP 阵列; DSP+CPLD/FP-GA; 单独由 CPLD/FPGA 器件构成。其中基于 DSP 阵列的图像处理系统软件可以灵活的修改, 以适应不同的任务要求, 但通常体积和能耗较大; 基于 CPLD/FPGA 的系统硬件实现上比较灵活, 但采用较复杂的算法时设计复杂性较高, 要求设计人员对结构规划, 采用的 CPLD/FPGA 器件结构有较为透彻的研究;而采用 DSP+CPLD/FPGA 的系统则能够在复杂性和灵活性上有一个较好的折中, 其结构灵活, 有较强的通用性, 适于模块化设计, 能够提高运算处理的效率, 开发周期短, 易于维护和扩展,对不同的算法也有较好的适应能力, 因此通常的智能相机系统都采用这种结构。然而无论采用何种硬件结构, 算法的设计始终是智能相机设计中的重要组成部分。良好的算法设计可以使相机有较高的正确识别率, 设置方便, 控制简单。

    本文提出的智能相机就是采用基于 DSP+CPLD/FPGA 这种结构来实现的。设计制作出了实验样机, 并对相机的性能进行了测试和分析, 提出了优化改进方案。

    2 智能相机的设计

    智能相机不同于一般的图像处理系统, 它要能够实现以下的功能:

    1) 图像的获取: 一般采用 CCD 或 CMOS 传感器来获得需要处理的图像数据。

    2) 图像的处理: 图像处理系统的任务是接收来自图像传感器的图像信息和同步信号, 进行图像采集, 并根据不同要求执行相应的算法处理。

    3) 检测结果的控制信号的传输: 根据处理结果, 给出相应的控制信号, 以控制执行部件采用相应的处理方案。

    4) 能够提供较为灵活的升级方案: 能够根据工作环境的要求改进软件, 并能够很容易的对软件进行升级, 以适应不同的应用场合。

    2.1 智能相机的硬件设计:

    图 1 所示为智能相机的结构框图: 其中的传感器采用了国家半导体公司 (National Industrory) 生产的 CMOS 图像传感器LM9617 来获取图像, 该传感器支持多种控制方式, 具有较高的信噪比, 支持最多每秒 30 帧图像采样; FPGA 采用了赛灵思(xilinx) 公司的 SpartanII, SpartanII 是采用了 6 层金属连接 、0.22/0.1umCMOS 工艺制造的高速 FPGA 器件, 其含有集成于芯片的模块存储器, 支持多种 I/O 标准, 带有锁定延时回路。该器件实现的功能包括多路开关转换, SRAM 控制器。以及对SRAM进行控制的地址发生器; 存储器由四片 SRAM单元和一个 FLASH 单元构成, SRAM单元由 DSP 和 FPGA 共享。数字信号处理器 (DSP, Digital Signal Processor) 采用的是 TI 公司的TS320VC5402, TMS320VC5402 具有较高的处理速度, 频率最高可以达到 100Mhz。该 DSP 是 TI 公司的低功耗 DSP, 它基于先进的哈佛结构, 专门硬件逻辑的 CPU, 片内存储器, 片内外设和专用的指令集。SRAM 采用的是 SST 公司的, 该 SRAM,用来暂存传感器获得的图像信息和进行图像处理时的暂存数据。AVR 单片机采用 ATMEL 公司的 Atmega2560, 采用 HPI 方式和DSP 连接, DSP 运行的程序就存储在 AVR 中, 上电后采用BOOTLODER 将程序加载到 DSP 中。