基于FPGA的機器視覺(jué)設計

摘要：為實(shí)現系統快速更新，在此設計了一種新的機器視頻解決方案，借助FPGA技術(shù)，實(shí)現視頻輸入端口與Gige Vision IP的使用以及系統與計算機主機的連接。設計方案中采用了新的Gige Vision標準及Gige Vision IP核，使系統相比其他現有相關(guān)標準更簡(jiǎn)單、速度更快，是未來(lái)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：機器視覺(jué)；視頻；FPGA；Gige Vision

0 引言
機器視覺(jué)就是用機器代替人眼來(lái)做測量和判斷。機器視覺(jué)作為人類(lèi)視覺(jué)與大腦的延伸，是衡量現代工業(yè)自動(dòng)化程度的標志之一。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)尤其是多媒體技術(shù)和數字圖像處理及分析理論的成熟，以及大規模集成電路的迅速發(fā)展，機器視覺(jué)技術(shù)得到了廣泛的應用研究，取得了巨大的經(jīng)濟與社會(huì )效益。
機器視覺(jué)系統主要由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的一種機器視覺(jué)系統，該系統采用Gige Vision攝像機來(lái)獲取圖像，在FPGA中采用了Gige Vision IP核，根據TCP／IP傳送協(xié)議實(shí)現了FPGA與PC機的數據通訊。

1 FPGA實(shí)現機器視覺(jué)的優(yōu)勢
隨著(zhù)機器視覺(jué)系統應用中分辨率的提高和壓縮算法的進(jìn)步，對系統性能和構架靈活性提出了更高的要求，以實(shí)現系統的快速更新?？蛇x擇的系統構架包括標準單元ASIC，ASSP以及各種可編程解決方案，如數字信號處理器(DSP)或媒體處理器和FPGA。每種構架都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇取決于終端設備要求和解決方案的可用性。理想構架應具有以下特點(diǎn)：高性能、靈活性、易升級性、低開(kāi)發(fā)成本以及具有隨著(zhù)應用成熟和產(chǎn)量增加向更低成本遷移的能力。FPGA具有并行運算、反復使用、大量可使用的軟核的優(yōu)勢，是實(shí)現機器視覺(jué)理想構架的合理選擇。
FPGA是小批量系統提高集成度、可靠性的最佳選擇之一。隨著(zhù)VLSI工藝的不斷提高，單一芯片內部已可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管，這使得FPGA芯片所能實(shí)現的功能也越來(lái)越強，同時(shí)也可以實(shí)現系統集成。
FPGA有大量軟核，可以方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。FPGA甚至包含單片機和DSP軟核，并且IO數僅受FPGA自身IO限制，所以，FPGA又是單片機和DSP的超集。也就是說(shuō)，單片機和DSP能實(shí)現的功能，FPGA一般都能實(shí)現。在SoC設計中，基于FPGA器件設計工藝的發(fā)展使得越來(lái)越多的功能集成到一個(gè)芯片成為可能。為實(shí)現這一目標，有一種非常實(shí)用的SoC設計方法，稱(chēng)為基于核的設計，它將系統的功能劃分為不同的核。采用IP(Intellectual Property)核來(lái)完成特定的設計功能。本文就是采用了Gige Vision的IP核來(lái)完成主要部分設計的。

2 機器視覺(jué)系統設計
2．1 設計原理
系統原理框圖如圖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，它提供了整合CameraLink，Gige Vision IP，千兆以太網(wǎng)MAC的平臺和可選的Visual Applets軟件。
2．2 視頻輸入模塊
在ITS及安防行業(yè)，現在主要使用的是模擬攝像機，也有部分廠(chǎng)家推出了網(wǎng)絡(luò )攝像機(Pcamera)。GigeVision攝像機與他們之間的對比如表1所示。