基于FPGA的機器視覺設計

摘要：為實現(xiàn)系統(tǒng)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，實現(xiàn)視頻輸入端口與Gige Vision IP的使用以及系統(tǒng)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(tǒng)相比其他現(xiàn)有相關標準更簡單、速度更快，是未來的發(fā)展方向。
關鍵詞：機器視覺；視頻；FPGA；Gige Vision

0 引言
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺作為人類視覺與大腦的延伸，是衡量現(xiàn)代工業(yè)自動化程度的標志之一。近年來，隨著計算機技術尤其是多媒體技術和數(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，機器視覺技術得到了廣泛的應用研究，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益。
機器視覺系統(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的一種機器視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Gige Vision攝像機來獲取圖像，在FPGA中采用了Gige Vision IP核，根據(jù)TCP／IP傳送協(xié)議實現(xiàn)了FPGA與PC機的數(shù)據(jù)通訊。

1 FPGA實現(xiàn)機器視覺的優(yōu)勢
隨著機器視覺系統(tǒng)應用中分辨率的提高和壓縮算法的進步，對系統(tǒng)性能和構架靈活性提出了更高的要求，以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速更新?？蛇x擇的系統(tǒng)構架包括標準單元ASIC，ASSP以及各種可編程解決方案，如數(shù)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，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：高性能、靈活性、易升級性、低開發(fā)成本以及具有隨著應用成熟和產(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，是實現(xiàn)機器視覺理想構架的合理選擇。
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晶體管，這使得FPGA芯片所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
FPGA有大量軟核，可以方便進行二次開發(fā)。FPGA甚至包含單片機和DSP軟核，并且IO數(shù)僅受FPGA自身IO限制，所以，F(xiàn)PGA又是單片機和DSP的超集。也就是說，單片機和DSP能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA一般都能實現(xiàn)。在SoC設計中，基于FPGA器件設計工藝的發(fā)展使得越來越多的功能集成到一個芯片成為可能。為實現(xiàn)這一目標，有一種非常實用的SoC設計方法，稱為基于核的設計，它將系統(tǒng)的功能劃分為不同的核。采用IP(Intellectual Property)核來完成特定的設計功能。本文就是采用了Gige Vision的IP核來完成主要部分設計的。

2 機器視覺系統(tǒng)設計
2．1 設計原理
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

這個解決方案基于Xilinx低功耗低成本的Spartan 3E FPGA芯片上實現(xiàn)，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(xiàn)在主要使用的是模擬攝像機，也有部分廠家推出了網(wǎng)絡攝像機(Pcamera)。GigeVision攝像機與他們之間的對比如表1所示。