機(jī)器視覺系統(tǒng)模塊的原理分析及設(shè)計(jì)

一、概述

視覺技術(shù)是近幾十年來發(fā)展的一門新興技術(shù)。機(jī)器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗(yàn)、目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)向等方面的工作，特別是在那些需要重復(fù)、迅速的從圖象中獲取精確信息的場合。盡管在目前硬件和軟件技術(shù)條件下，機(jī)器視覺功能還處于初級(jí)水平，但其潛在的應(yīng)用價(jià)值引起了世界各國的高度重視，發(fā)達(dá)國家如美國、日本、德國、法國等都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，近年來已經(jīng)在機(jī)器視覺的某些方面獲得了突破性的進(jìn)展，機(jī)器視覺在車輛安全技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等應(yīng)用中也越來越顯示出其重要價(jià)值。本文根據(jù)最新的CMOS圖像采集芯片設(shè)計(jì)了一種通用的視覺系統(tǒng)模塊，經(jīng)過編制不同的圖像處理、模式識(shí)別算法程序本模塊可以應(yīng)用到足球機(jī)器人，無人車輛等各種場合。

二、設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)包含5個(gè)主要芯片：圖像采集芯片OV7620，高速微處理器SH4，大規(guī)?？删幊剃嚵蠪PGA，和串口通訊控制芯片MAX232。FPGA內(nèi)部編程設(shè)立兩個(gè)雙口RAM，產(chǎn)生圖像傳感器所需的點(diǎn)頻，行場同步等信號(hào)，以及控制雙口RAM的存儲(chǔ)時(shí)序。SH4負(fù)責(zé)對(duì)OV7620通過I2C進(jìn)行配置，讀取雙口RAM的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并通過串口實(shí)現(xiàn)圖像資料的上傳或控制步進(jìn)電機(jī)等其他設(shè)備。

三、圖像采集模塊

系統(tǒng)模塊以CMOS圖像傳感器OV7620為核心，還包括一個(gè)聚光鏡頭和其他一些輔助元器件比如27MHZ的晶振，電阻電容等。

COMS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了相同COMS技術(shù)，因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個(gè)完整的圖像系統(tǒng)(Camera on Chip)。本系統(tǒng)采用的是Ommnvision公司推出的一塊CMOS彩色圖像傳感器OV7620，分辨率為640x480。它能工作在逐行掃描方式下，也能工作在隔行掃描方式下。它不僅能輸出彩色圖像，也可用作黑白圖像傳感器。這塊芯片支持的圖像輸出格式有很多種：1)YCrCb4:2:2 16 bit/8 bit格式；2)ZV端口輸出格式；3)RGB原始數(shù)據(jù)16 bit/8 bit；4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有對(duì)比度、亮度、飽和度、白平衡及自動(dòng)曝光、同步信號(hào)位置及極性輸出，幀速率和輸出格式等都可以通過I2C 總線進(jìn)行編程配置片內(nèi)寄存器控制。

聚光鏡頭選用桑來斯公司生產(chǎn)的DSL103鏡頭。此鏡頭體積小，適合嵌入式視覺傳感器的應(yīng)用場合。

四、FPGA接口模塊

FPGA采用Xilinx公司的XC2S100，這款芯片內(nèi)部集成了10000個(gè)邏輯門。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)書寫。為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，在XC2S100 內(nèi)部分配了2個(gè)雙口RAM緩沖區(qū)，其大小為127KB，每個(gè)雙口RAM存儲(chǔ)1行的圖像數(shù)據(jù)。兩組雙口RAM進(jìn)行奇偶行計(jì)數(shù)器進(jìn)行切換。當(dāng)一行存儲(chǔ)完畢后，立即向SH4傳生一個(gè)讀取該行數(shù)據(jù)的中斷的申請(qǐng)信號(hào)。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這里主要問題在于FPGA內(nèi)部的雙口RAM讀寫操作共用同一數(shù)據(jù)總線和地址總線，當(dāng)同時(shí)進(jìn)行讀寫操作的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生時(shí)序問題導(dǎo)致寫入或讀出的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在這兩個(gè)過程中為了防止數(shù)據(jù)和地址總線沖突，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)中央總線仲裁器。根據(jù)公共數(shù)據(jù)傳輸?shù)南群箜樞?，中央仲裁器先接受圖像傳感器的總線請(qǐng)求，當(dāng)圖像存儲(chǔ)到RAM之中后，中央仲裁器才響應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)的讀信號(hào)請(qǐng)求。

這里給出雙口RAM的構(gòu)造及讀寫控制程序：

在MAX Plux II中的波形仿真圖如圖3所示：

五、單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)采用SH4芯片作為處理器：SH4單片機(jī)是日立公司推出的一款低功耗、高性能，RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)的全32位單片機(jī)。其處理速度可高達(dá)60M IPS一100MIPS，能在2.25v電壓下工作，功耗僅400MW片內(nèi)集成有32位乘法器、4路5KB CACHE、存取器管理單元MMU和其它一些通用接口及時(shí)鐘電路等。日立公司為SH4系列單片機(jī)提供了c及c++語言集成編譯工具HIM(Hitachi IntegrationManag)。利用它可以將日立C、C++格式的源程序編譯鏈接為匯編程序或目標(biāo)機(jī)器碼。

圖像傳感器芯片OV7620具有靈活的可編程功能，可通過I2C總線對(duì)其進(jìn)行編程來設(shè)置各功能寄存器。由于單片機(jī)沒有內(nèi)部硬件I2C總線接口，所以只有采用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)I2C總線接口功能。取作為SH4的兩個(gè)I/O引腳作為I2C總線的SCL和SDA總線器件接口，示例程序如下：

本模塊采用了人類可以識(shí)別的ASCII串口通訊協(xié)議從而可以通過上位機(jī)方便的和人進(jìn)行交互通信。當(dāng)連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，本模塊可通過串口上傳整幅原始圖像數(shù)據(jù)，用來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試或更高級(jí)得圖像處理。

六、結(jié)束語

本文采用大規(guī)模集成電路芯片組成了一個(gè)簡潔，低價(jià)的圖像采集處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)經(jīng)過編制不同的圖像處理算法程序可以應(yīng)用在足球機(jī)器人，農(nóng)產(chǎn)品檢查機(jī)器人等不同場合。但其也有些不足，比如SH4處理器，運(yùn)算速度不夠快，只能運(yùn)行一些相對(duì)簡單的算法，不支持以太網(wǎng)接口等。下一步工作計(jì)劃采用雙CPU結(jié)構(gòu)，其中DSP專職處理圖像數(shù)據(jù)，ARM負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，以及對(duì)機(jī)器人行為的控制等。這樣就可將機(jī)器人的“眼睛”通過以太網(wǎng)連接成一個(gè)復(fù)雜的協(xié)同處理的視覺系統(tǒng)，以適應(yīng)更為復(fù)雜的場景的需要。