基于FPGA的機(jī)器視覺設(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)更簡單、速度更快，是未來的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；視頻；FPGA；Gige Vision

0 引言
機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺作為人類視覺與大腦的延伸，是衡量現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化程度的標(biāo)志之一。近年來，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，以及大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(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)器視覺系統(tǒng)主要由3部分組成：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)器視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Gige Vision攝像機(jī)來獲取圖像，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。

1 FPGA實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺的優(yōu)勢
隨著機(jī)器視覺系統(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。可選擇的系統(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)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、低開發(fā)成本以及具有隨著應(yīng)用成熟和產(chǎn)量增加向更低成本遷移的能力。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，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺理想構(gòu)架的合理選擇。
FPGA是小批量系統(tǒng)提高集成度、可靠性的最佳選擇之一。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個(gè)晶體管，這使得FPGA芯片所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越強(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)行二次開發(fā)。FPGA甚至包含單片機(jī)和DSP軟核，并且IO數(shù)僅受FPGA自身IO限制，所以，F(xiàn)PGA又是單片機(jī)和DSP的超集。也就是說，單片機(jī)和DSP能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA一般都能實(shí)現(xiàn)。在SoC設(shè)計(jì)中，基于FPGA器件設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展使得越來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)核來完成特定的設(shè)計(jì)功能。本文就是采用了Gige Vision的IP核來完成主要部分設(shè)計(jì)的。

2 機(jī)器視覺系統(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。

這個(gè)解決方案基于Xilinx低功耗低成本的Spartan 3E FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)，它提供了整合CameraLink，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)，也有部分廠家推出了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(Pcamera)。GigeVision攝像機(jī)與他們之間的對(duì)比如表1所示。