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[導讀]摘要:視覺技術是近幾十年來發(fā)展的一門新興技術。機器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗、目標跟蹤、機器人導向等方面的工作,特別是在那些需要重復、迅速的從圖象中獲取精確信息的場合。   一、概述   視覺技術

摘要:視覺技術是近幾十年來發(fā)展的一門新興技術。機器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗、目標跟蹤、機器人導向等方面的工作,特別是在那些需要重復、迅速的從圖象中獲取精確信息的場合。

  一、概述
  視覺技術是近幾十年來發(fā)展的一門新興技術。機器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗、目標跟蹤、機器人導向等方面的工作,特別是在那些需要重復、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條件下,機器視覺功能還處于初級水平,但其潛在的應用價值引起了世界各國的高度重視,發(fā)達國家如美國、日本、德國、法國等都投入了大量的人力物力進行研究,近年來已經(jīng)在機器視覺的某些方面獲得了突破性的進展,機器視覺在車輛安全技術、自動化技術等應用中也越來越顯示出其重要價值。本文根據(jù)最新的CMOS圖像采集芯片設計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、模式識別算法程序本模塊可以應用到足球機器人,無人車輛等各種場合。
  二、設計原理
  系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。


  系統(tǒng)包含5個主要芯片: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)部編程設立兩個雙口RAM,產(chǎn)生圖像傳感器所需的點頻,行場同步等信號,以及控制雙口RAM的存儲時序。SH4負責對OV7620通過I2C進行配置,讀取雙口RAM的圖像數(shù)據(jù),進行處理,并通
過串口實現(xiàn)圖像資料的上傳或控制步進電機等其他設備。
  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,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。其功能包括有對比度、亮度、飽和度、白平衡及自動曝光、同步信號位置及極性輸出,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個雙口RAM緩沖區(qū),其大小為127KB,每個雙口RAM存儲1行的圖像數(shù)據(jù)。兩組雙口RAM進行奇偶行計數(shù)器進行切換。當一行存儲完畢后,立即向SH4傳生一個讀取該行數(shù)據(jù)的中斷的申請信號。FPGA內(nèi)部結構如圖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,當同時進行讀寫操作的時候就會產(chǎn)生時序問題導致寫入或讀出的數(shù)據(jù)錯誤。在這兩個過程中為了防止數(shù)據(jù)和地址總線沖突,在FPGA內(nèi)部設計了一個中央總線仲裁器。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求,當圖像存儲到RAM之中后,中央仲裁器才響應單片機系統(tǒng)的讀信號請求。 [!--empirenews.page--]
  這里給出雙口RAM的構造及讀寫控制程序:
  Entity dual_port_ram is
  Generic(d_width:integer:=2;
  Mem_depth:integer:=8);
  Port(clk:in STD_LOGIC;
  CS:in STD_LOGIC;
  We: in STD_LOGIC;
  Indata: in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
  Outdata:out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
  Raddr,waddr:in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
  End dual_port_ram ;
  Architecture data of dual_port_ram is
  Type mem_type is array(3 downto 0) of
  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
  Signal mem:mem_type;
  Begin
  Process(clk,we,waddr)
  Begin
  If(rising_edge(clk))then
  If
(we='1')then
  Mem(conv_integer(waddr))<=indata;
  End if;
  End process;
  Process(raddr,clk)
  Begin
  If(rising_edge(clk))then
  If(CS='0')then
  Outdata<=mem(conv_integer(raddr));
  End if;
  End if;
  End process;
  End data;
  在MAX Plux II中的波形仿真圖如圖3所示:


  五、單片機模塊
  本系統(tǒng)采用SH4芯片作為處理器:SH4單片機是日立公司推出的一款低功耗、高性能,RISC(精簡指令集計算機)結構的全32位單片機。其處理速度可高達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鐘電路等。日立公司為SH4系列單片機提供了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機器碼.
  圖像傳感器芯片OV7620具有靈活的可編程功能,可通過I2C總線對其進行編程來設置各功能寄存器。由于單片機沒有內(nèi)部硬件I2C總線接口,所以只有采用軟件模擬的方法實現(xiàn)I2C總線接口功能。取作為SH4的兩個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:
  unsigned char rdiic (unsigned char addr);讀取數(shù)據(jù)
  void iic_init();初始化
  void iic_start();起始信號
  void iic_stop ();結束信號
  void delay4u();延時
  舉例
  iic_init();/*初始化總線寄存器*/
  rstcamera ();/*復位OV7620內(nèi)部寄存器*/
  wriic (0x11,0x15); /*設置OV7620內(nèi)部寄存器0x11 的值為0x15*/
  delay4ux6();
  wriic (0x28,0x60); /*設置OV7620內(nèi)部寄存器0x28 的值為0x60 */
  delay4ux6();
  本模塊采用了人類可以識別的ASCII串口通訊協(xié)議從而可以通過上位機方便的和人進行交互通信。當連接到一臺計算機上,本模塊可通過串口上傳整幅原始圖像數(shù)據(jù),用來進行系統(tǒng)調(diào)試或更高級得圖像處理。
  六、結束語
  本文采用大規(guī)模集成電路芯片組成了一個簡潔,低價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用在足球機器人,農(nóng)產(chǎn)品檢查機器人等不同場合。但其也有些不足,比如SH4處理器,運算速度不夠快,只能運行一些相對簡單的算法,不支持以太網(wǎng)接口等。下一步工作計劃采用雙CPU結構,其中DSP專職處理圖像數(shù)據(jù),ARM負責網(wǎng)絡通信,以及對機器人行為的控制等。這樣就可將機器人的“眼睛”通過以太網(wǎng)連接成一個復雜的協(xié)同處理的視覺系統(tǒng),以適應更為復雜的場景的需要。

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