机器视觉系统模块的原理分析及设计

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  • 一、概述

    视觉技术是近几十年来发展的一门新兴技术。机器视觉可以代替人类的视觉从事检验、目标跟踪、机器人导向等方面的工作,特别是在那些需要重复、迅速的从图象中获取精确信息的场合。尽管在目前硬件和软件技术条件下,机器视觉功能还处于初级水平,但其潜在的应用价值引起了世界各国的高度重视,发达国家如美国、日本、德国、法国等都投入了大量的人力物力进行研究,近年来已经在机器视觉的某些方面获得了突破性的进展,机器视觉在车辆安全技术、自动化技术等应用中也越来越显示出其重要价值。本文根据最新的CMOS图像采集芯片设计了一种通用的视觉系统模块,经过编制不同的图像处理、模式识别算法程序本模块可以应用到足球机器人,无人车辆等各种场合。

    二、设计原理

    系统原理框图如图1所示。

    系统包含5个主要芯片:图像采集芯片OV7620,高速微处理器SH4,大规模可编程阵列FPGA,和串口通讯控制芯片MAX232。FPGA内部编程设立两个双口RAM,产生图像传感器所需的点频,行场同步等信号,以及控制双口RAM的存储时序。SH4负责对OV7620通过I2C进行配置,读取双口RAM的图像数据,进行处理,并通过串口实现图像资料的上传或控制步进电机等其他设备。

    三、图像采集模块

    系统模块以CMOS图像传感器OV7620为核心,还包括一个聚光镜头和其他一些辅助元器件比如27MHZ的晶振,电阻电容等。

    COMS图像传感器是近几年发展较快的新型图像传感器,由于采用了相同COMS技术,因此可以将像素阵列与外围支持电路集成在同一块芯片上,是一个完整的图像系统(Camera on Chip)。本系统采用的是Ommnvision公司推出的一块CMOS彩色图像传感器OV7620,分辨率为640x480。它能工作在逐行扫描方式下,也能工作在隔行扫描方式下。它不仅能输出彩色图像,也可用作黑白图像传感器。这块芯片支持的图像输出格式有很多种:1)YCrCb4:2:2 16 bit/8 bit格式;2)ZV端口输出格式;3)RGB原始数据16 bit/8 bit;4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有对比度、亮度、饱和度、白平衡及自动曝光、同步信号位置及极性输出,帧速率和输出格式等都可以通过I2C 总线进行编程配置片内寄存器控制。

    聚光镜头选用桑来斯公司生产的DSL103镜头。此镜头体积小,适合嵌入式视觉传感器的应用场合。

    四、FPGA接口模块

    FPGA采用Xilinx公司的XC2S100,这款芯片内部集成了10000个逻辑门。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)书写。为了提高数据的传输速率,在XC2S100 内部分配了2个双口RAM缓冲区,其大小为127KB,每个双口RAM存储1行的图像数据。两组双口RAM进行奇偶行计数器进行切换。当一行存储完毕后,立即向SH4传生一个读取该行数据的中断的申请信号。FPGA内部结构如图2所示。

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