基于FPGA的機器視覺設計

摘要：為實現系統快速更新，在此設計了一種新的機器視頻解決方案，借助FPGA技術，實現視頻輸入端口與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標準更簡單、速度更快，是未來的發展方向。
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，是衡量現代工業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展，機器視覺技術得到了廣泛的應用研究，取得了巨大的經濟與社會效益。
機器視覺系統主要由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的一種機器視覺系統，該系統采用Gige Vision攝像機來獲取圖像，在FPGA中采用了Gige Vision IP核，根據TCP／IP傳送協議實現了FPGA與PC機的數據通訊。

1 FPGA實現機器視覺的優勢
隨著機器視覺系統應用中分辨率的提高和壓縮算法的進步，對系統性能和構架靈活性提出了更高的要求，以實現系統的快速更新。可選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、低開發成本以及具有隨著應用成熟和產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勢，是實現機器視覺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VLSI工藝的不斷提高，單一芯片內部已可以容納上百萬個晶體管，這使得FPGA芯片所能實現的功能也越來越強，同時也可以實現系統集成。
FPGA有大量軟核，可以方便進行二次開發。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，單片機和DSP能實現的功能，FPGA一般都能實現。在SoC設計中，基于FPGA器件設計工藝的發展使得越來越多的功能集成到一個芯片成為可能。為實現這一目標，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 機器視覺系統設計
2．1 設計原理
系統原理框圖如圖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，它提供了整合CameraLink，Gige Vision IP，千兆以太網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，現在主要使用的是模擬攝像機，也有部分廠家推出了網絡攝像機(Pcamera)。GigeVision攝像機與他們之間的對比如表1所示。