《电子技术应用》
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基于FULL型Camera Link的高清彩色图像采集系统的设计
2014年电子技术应用第6期
韩帅1,2,马游春1,2, 秦丽1,2,丁宁1,2,南雪莉1,2
1. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原030051； 2. 仪器科学与动态测试教育
摘要： 提出一个基于Full型Camera Link的高清彩色图像采集系统设计方案,采用在Full工作模式下的Camera Link作为了相机与采集卡之间的数据传输总线,可以确保大量数据的快速、准确实时传输。详细阐述了系统内部各功能模块的硬件电路设计思路和软件设计流程。实验结果表明，该系统能够更清晰、更直观地对实验目标进行观测，可以采集到高分辨率的彩色图像。
中图分类号： TN919.82
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)06-0089-04
Design of high-definition and color image acquisition system based on full mode of Camera Link
Han Shuai1，2, Ma Youchun1,2, Qin Li1，2, Ding Ning1，2, Nan Xueli1，2
1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China;2. Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract： In this paper, a design scheme of high resolution color image acquisition system is presented based on Full Camera Link. Camera Link in the Full mode was used as a transmission-bus of data between the camera and capture card, that can rapidly, accurately and real-time transmit large amounts of data. Each part of the hardware and software designed method are described in detail. Practice has proved that the system can more clearly, more intuitive observe the experimental target and collect to color images of high resolution.
Key words : Camera Link; color image; pixel

       随着科学技术的不断进步，人们开始在海洋探测、航空航天、现代医学等领域广泛使用数字图像处理技术对数据进行采集、分析。目前市场上大多数视频图像采集卡都使用以太网或USB等作为数据、命令的传输接口，虽然满足了人们便捷的需求，但要采集一些大容量的数据时，只能通过增大系统的体积、增加功能模块的办法，这样不仅造成系统体积过大，还会造成数据传输过慢、耗用过多计算机资源、开发成本过高等问题的出现。

        目前人们开始在Channel Link和LVDS等接口的基础上制定新的工业视觉产品标准，如Camera Link标准。该标准主要是为数字视频图像应用而设计的，具有高速率、高精度、灵活性强的特点。在数字图像的采集中使用Camera Link接口[1]进行图像数据的高速实时传输，并提高了系统对瞬态信号测量的精确度与准确度，同时很好地解决了高分辨率、高采样率图像的传输问题。因此，本文提出一个基于Camera Link的高清彩色图像采集系统设计方案。该系统可以使观测者清晰地观测到被测物，为试验目标追踪提供了重要的依据。

1 系统总体设计思路

        图像采集系统的总体设计方案如图1所示，该系统主要分为三大部分：视觉相机、图像采集卡和PC。该系统的工作原理：首先，通过Camera Link完成采集卡与相机之间的连接后，系统开始上电进行初始化，然后，相机开始进行图像采集。在相机内部把采集到的光信号转换变成数字信号，通过串行总线Camera Link把信号传输到FPGA中进行数据分析、处理，然后把数据传输到Flash中进行数据保存。而上位机软件通过PCI-E总线实现对图像采集的控制，把Flash存储单元中数据传送到计算机上处理，还原捕捉到的图像[4]。

2 硬件设计

2.1 Camera Link总线接口模块

        Camera Link协议规范并简化了图像采集卡和数字摄像机之间的接口，只要存在满足标准的摄像机和图像采集卡就可以实现物理上互联。采用低压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技术实现双向的串行通信，这样可以使数据传输速率和距离大大提高，减少电磁对数据信号的干扰，确保了数据的准确性与精确度。

        Camera Link接口[1]含有Base模式(基本配置)、Medium模式(中等配置)、Full模式(完全配置)三种传输模式，每种模式都配有一组控制相机的信号(CC1、CC2、CC3、CC4)和一组串口通信信号(SerTFG、SerTC)。为实现高帧频图像数据的传输，Camera Link总线在Full模式[6]下的工作原理如图2所示，该模式下使用3对驱动器/接收器，8个端口可以实现三组数据同步信号的同时传输，一次传输的数据宽度可达64 bit，实现680 Mb/s图像数据的吞吐量。

        由于相机采用Camera Link接口作为数据的传输总线，所以采集卡选用DS90CR288A芯片作为数据的接收装置。该芯片的工作电压为3.3 V，支持20～85 MHz的工作时钟频率。当时钟频率为85 MHz时，每个LVDS通道传输28位数据的传输速率是595 Mb/s。Camera Link接口在Full模式下工作的部分电路原理图如图3所示。使用DS90CR288A芯片作为数据传输时的接收器，将LVDS信号分别还原成4位数据同步信号(FVAL、LVAL、DVAL、Spare)、24位图像数据信号和1路时钟信号。

2.2 图像的处理模块

2.2.1图像存储格式简介

        常见视频图像数据的存储格式主要有RGB和YUV两种。它们都是多媒体数据存储的主流格式，但是YUV格式所需的存储空间是RGB格式所需的一半。

        RGB色彩模式基于R(Red)、G(Green)、B(Blue)三原色相加混色的原理，即使用三种不同强度的电子束照射在含有红、绿、蓝三种颜色的材料上，使材料因发光而产生色彩。

        YUV色彩模式：把采集到的图像经过处理得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y(即U)、B-Y(即V)，然后在发送端完成对亮度、色差三个信号的编码，再用同一个信道把数据发送出去。

        使用YUV色彩空间的好处在于完全把亮度信号和色度信号进行分离。可以通过屏蔽信号的方法，完成彩色与灰度图像之间的转换。例如只有亮度信号而没有色度信号，从而得到黑白色的图像。

2.2.2 图像处理的方法

　　为满足高分辨率彩色图像的数据处理[2-3]，本系统选用性能可靠、逻辑门资源多的XC6SLX100T芯片作为系统的逻辑控制单元，该芯片具有200多个RAM、多个DSP48A1 Slice等功能特点，确保得到完整的、精确的数据结果。集成度高，可有效解决因数据量过大而造成传输速度缓慢、丢失数据等问题的出现。且通过在FPGA中设置RGB to YCrCb的IP核来完成RGB转换为YUV的功能，实现降低传输数据带宽、提高数据传输速度的目的。

　　系统完成一系列的准备工作以后，相机把采集到的图像信号经过放大处理后得到RGB格式的图像，最后通过FPGA中的RGB转换YUN模块把信号转换成含有一个亮度信号和两个色差信号，分别对这三个信号进行编码，用同一个低压差分信号线把数据传输出去。RGB向YUV的转换如式(1)所示， 相互关系的仿真结果如图4所示。

        

3 软件设计

        系统软件工作流程如图5所示，通过上位机软件编写C++程序[5-7]，实现对系统工作的智能控制。同时，由于有很多因素可以影响图像的清晰度,例如白平衡、光补偿、图像增益和帧速率等，所以，为了简化系统的操作步骤，可以方便快捷地运行系统,使用Pylon view软件编写DCF文件,在图像进行采集时FPGA只需根据不同情况对程序进行简单的调用。

3.1 像素格式设置

        只有视觉传感器的位深度达到10位或12位时，相机才能实现图像数据的抓取，而传输数据的位深度却取决于像素格式的选择。因此，在编写程序时需要对这些参数进行设置，像素格式与视觉传感器位深度的关系如表1所示。

3.2 上位机控制程序

        为了能够实现彩色图像的采集，使用C++语言完成上位机程序的编写。在程序中使用MilSystem、MilImageDisp、SizeX分别代表采集系统、图像显示、X方向大小等参数，通过程序调用不同函数、参数实现上位机控制系统完成对图像数据的采集与监测。上位机部分程序如下：

int MosMain(void)

{

　 MdigAlloc(MilSystem,M_DEV0,"300fps.dcf",M_DEFAULT,&MilDigitizer);

      //调用Dcf文件，并对系统进行初始化

　 MbufAllocColor(MilSystem, SizeBand, SizeX, SizeY, 8L+

M_UNSIGNED,M_IMAGE+M_DISP+M_NON_PAGED, 

&MilImageDisp);

　 MbufClear(MilImageDisp, M_BLACK);

　 MdispSelect(MilDisplay, MilImageDisp);

　　                                  //指定图像显示缓冲单元

　 … …

　 for(i = 0; i < 2; i++)

　　MbufAllocColor(MilSystem, SizeBand, SizeX, SizeY, 8L+

M_UNSIGNED,M_IMAGE+M_GRAB, &MilImage[i]);

　　      //完成图像的抓取

　 &hellip; &hellip;

　 MbufAllocColor(MilSystem, SizeBand, SizeX, SizeY, 8L+

M_UNSIGNED,M_IMAGE+M_DISP+(SizeBand==M_

YUV16+M_PACKED:0)+M_NON_PAGED,&MilImage

WindowedDisp);

　　      //完成彩色图像的转换

　 &hellip; &hellip;

}

3.3系统检测

        使用PCI-E总线将采集卡与计算机连接，在PC上运行软件，使系统完成对周围环境的采集与监测。不同参数设置对图像的影响如图6所示。通过对比可以发现，图6(a)在是缺少白平衡参数的情况下拍摄的，显示效果较差，图像有点发黑；图6(c)是在曝光率过高时拍摄的，图像的视觉感偏白，有较强白光；图6(d)是在相机为灰度时拍摄的，图像可以正常显示，但不能像真彩图像那样更加直观、真实地显示出被测物的真实情况。综上所述，图6(b)中的显示效果最好，可以清楚地显示被测物体的特征。

        文中提出了一个可以采集高清彩色图像的系统设计方案，在Full工作模式下Camera Link总线可以对大量数据进行高速传输，确保传输时数据的精度，降低了丢帧现象的出现，通过软件控制可以简单快捷地实现对图像的采集、远程控制。在实际的工程应用中，本系统可以很好地完成对试验现场的实时监测，体现出较高的实用价值与参考价值。

参考文献

[1] 电子发烧友. 图像采集系统的Camera Link标准接口设计[DB/OL].2010.http://www.elecfans.com/yuanqijian/jiekou/20100728221010.html.

[2] 熊伟,曾峦,赵忠文.彩色实时图像采集存储系统[J].指挥技术学院学报，2001,12(6):72-75.

[3] 韩晓微.彩色图像处理关键技术研究[D].沈阳：东北大学，2005.

[4] 杨会玲,杨会伟,王军.基于PCI Express总线的高帧频CMOS相机图像采集系统设计[J].电子技术应用，2009,35(4):91-93.

[5] 张成迁.高速数据采集回放系统设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2009.

[6] 吕耀文,王建立,曹景太.Base型Camera Link脱机存储系统设计[J].光电子技术，2012,32(4):242-245.

[7] Hui Xiaowei,Shen Qinglei,et al. Acquisition board design of high-speed image data based on ARM and FPGA[C].International Conference on Computer Design and Applications,2010:1720-1732. 

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