新型嵌入式机器视觉系统的设计研究

　　机器视觉系统是一种非接触式的光学传感系统。它同时集成软硬件，能够自动地从所采集到的图像中获取信息或者产生控制动作。自起步发展到现在，机器视觉已有15年的历史，主要经历了数字电路组成、PC机和输出设备组成、嵌入式三个阶段，其中，嵌入式机器视觉系统依托专业计算机技术，具有实时多任务操作系统、高效压缩芯片和功能强大的微处理器，可将视频压缩、传输与处理工作全部内置到芯片上，通过内部处理后可以直接连入以太网或广域网，完成网络实时远程监控，是目前的研究热点之一。

　　在国内外研究中，嵌入式机器视觉系统实现方式主要有三种：

　　（1）基于标准总线，采用DSP作为运算和控制处理器的系统。DSP芯片虽然能够处理大量信息和高速运行，但其I/O接口单一，不易扩展，控制能力较弱，尚存在一定局限性。

　　（2）基于DSP+FPGA的机器视觉系统。FPGA与DSP的结合，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度，但FPGA使用的是硬件描述语言，其算法开发具有很大的难度，功能实现由硬件控制，系统受环境影响较大。

　　（3）采用ARM微处理器或采用ARM+DSP构建方式的机器视觉系统，这种构建方式人机交互功能强大，集成度高、实时性好、支持多任务，但该系统中ARM与DSP的数据交换方法仍采用外部电路连接，增加了系统的不稳定性。

　　综合上述技术方案的优点和缺点，本文提出了一种新型机器视觉系统，实现图像信息的高速采集与存储。

　　其核心芯片选取TI公司最新生产的先进的双核嵌入式芯片，将ARM处理器和DSP处理器集成在一个芯片中，通过软件编程即完成ARM与DSP的协调工作。由该芯片构建开发的机器视觉处理系统，凭借植入Linux系统的ARM处理器的优异的控制性能，配合DSP的强大运算处理能力将保证系统拥有良好的实时性和稳定性，可以为机器视觉的研究和应用提供很好的视频采集与处理硬件平台。

　　1、系统功能

　　本系统为一高速图像数据采集存储系统，通过软硬件设计能够实现：两路分辨率640×480，帧频60 f/s，12 b/pixel；一路分辨率1 024×1 024，帧频60 f/s，12 b/pixel三路输入信号实时采集。实时无压缩存储。

　　如图1所示，系统通过串口控制图像传感器，使三路图像数据信号、时钟以及各种同步信号按要求输入，系统依次进行图像信号的采集、数据处理、存储。系统利用自带的接口可实现显示、上位机通信、键盘控制等更多的功能，能够实现友好的人机对话。

　　2、硬件设计

　　本系统选取TI公司达芬奇系列最新的TMS320DM8168芯片。此芯片集成了1 GHz ARMCortex-A8、1 GHz TI C674x浮点DSP、若干二代可编程高清视频影像协处理器、一个创新型高清视频处理子系统（HDVPSS）以及综合编解码器，支持包括高清分辨率的 H.264、MPEG-4以及VC1.并且包含千兆以太网、PCI Express、SATA2、DDR2、DDR3、USB 2.0、MMC/SD、HDMI以及DVI等多种接口，可支持更多功能的扩展和复杂应用。

　　利用该芯片设计并实现两路或三路不同分辨率的图像信号的采集、处理与显示，硬件原理图如图2所示。实现该系统的开发与设计所涉及的硬件模块有：图像采集接口模块、图像采集模块、图像存储模块、外围接口模块。

　　2.1图像采集接口模块

　　作为图像传感器和高速采集系统的连接模块，该模块可对USB接口相机或Camera Link接口相机进行图像采集与控制。USB接口连接十分方便，由于系统具有USB外围接口，按照USB标准协议连接即可。CameraLink接口具有开放式的接口协议，使得不同厂家既能保持产品的差异性，又能互相兼容，因此系统中的图像采集接口模块采用了Camera Link接口协议。该模块分别使用了DS90CR288A、DS90LV049、DS90LV047完成图像传感器的控制、图像信息的采集及图像传感器与图像采集系统的双向通信。

　　2.2图像采集模块

　　TMS320DM8168的HDVPSS（HD Video ProcessingSubsystem）提供了视频输入接口和视频输出接口。视频输入接口提供了外部图像设备（如图像传感器、视频解码器等）的接入。

　　HDVPSS可支持高达3个60 f/s的1080p通道、同时支持16个通道的CIF数据流的H.264高画质D1编码与8通道D1解码；支持2个独立的视频捕捉输入端口，每个视频输入端口支持缩放、像素格式转换。两个视频输入捕捉端口均能以1个16 b输入通道（带分离的Y和Cb/Cr输入），或2个时钟独立的8 b输入通道操作（带交织的Y/C数据输入）。第一个视频输入端口能以24 b模式操作以支持RGB捕捉。所有采集模式捕捉时钟高达165 MHz，可满足高速率的图像采集。

高清视频处理子系统（HDVPSS）有两个独立视