专利名称：一种图像处理装置、方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像采集和处理技术领域，更具体地说，涉及一种图像处理装置、方法及系统。
背景技术：
随着机器视觉技术的高速发展，以线阵相机为代表的高速相机得到了广泛的应用。高速相机的信号输出接口以标配Camera Link接口居多，信号输出速率可达到Gbps (IGbps为每秒1204兆位)级别。针对高速相机输出的Gbps级别的图像信号的处理，现有主流的图像信号处理方式如下与高速相机配套的图像采集卡采集高速相机输出的图像信号，将采集后的图像信号传输给主机，主机可以为工控机或服务器，主机根据预置图像处理软件进行后续的图像处理。由于主机的主频有限，一台主机往往无法满足Gbps级别的图像信号处理的需求，因此现有技术使用多台主机甚至采用硬盘阵列进行配合，来实现Gbps级别的图像信号处理。然而，这种图像信号处理方式所采用的图像信号处理设备过多，图像信号处理成本高，且主机预置的图像处理软件依赖于主机的操作系统，当主机操作系统出现故障时，图像处理软件将无法使用，影响图像信号的正常处理，图像信号处理的可靠性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种图像处理装置、方法及系统，以解决现有技术图像处理成本高及图像处理的可靠性较差的问题。为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案一种图像处理装置，包括图像采集卡和现场可编程门列阵FPGA处理器；所述图像采集卡包括第一接口，用于接收高速相机输出的图像信号；图像信号转换模块，用于将所述第一接口接收的图像信号，由串行的低压差分信号LVDS转换为并行的晶体管-晶体管逻辑电平TTL信号，或互补金属氧化物半导体CMOS信号;第二接口，用于将所述图像信号转换模块转换后的图像信号传送给所述FPGA处理器； 所述FPGA处理器包括第三接口，用于接收所述第二接口传送的经过信号转换的图像信号；图像信号处理模块，用于将所述经过信号转换的图像信号进行并行处理。优选的，所述第二接口，还用于接收所述FPGA处理器输出的控制信号；
所述图像采集卡还包括控制信号转换模块，用于将所述第二接口接收的所述FPGA处理器输出的控制信号，由并行的TTL信号或CMOS信号转换为串行的LVDS信号；
所述第一接口，还用于将所述控制信号转换模块转换后的控制信号传输至所述高速相机。优选的，所述图像信号转换模块包括用于提取所述图像信号转换模块中的像素时钟信号的锁相回路PLL ;；所述图像采集卡还包括
电源滤波隔离模块，用于将图像采集卡的工作电源去耦和滤波，将去耦和滤波后的工作电源提供给所述PLL的电源。 优选的，所述FPGA处理器还包括双口内存电路，用于将所述第三接口接收的经过信号转换的图像信号进行缓存处理，将缓存后的图像信号传送给所述图像信号处理模块，以便所述图像信号处理模块将所述经过信号转换的图像信号进行并行处理。优选的，所述第二接口为镭目通用接口 RGI接口。优选的，所述图像采集卡与所述FPGA处理器为板卡结构，所述图像采集卡与所述FPGA处理器相插接。本发明实施例还提供一种图像处理方法，所述方法基于上述所述图像处理装置，所述方法包括图像采集卡接收高速相机输出的图像信号；所述图像采集卡将所述高速相机输出的图像信号由串行的低压差分信号LVDS转换为并行的晶体管-晶体管逻辑电平TTL信号，或互补金属氧化物半导体CMOS信号；所述图像采集卡将经过信号转换的图像信号传输给现场可编程门列阵FPGA处理器，以便所述FPGA处理器将接收的经过信号转换的图像信号进行并行处理。优选的，所述方法还包括图像采集卡接收所述FPGA处理器输出的控制信号，将所述FPGA处理器输出的控制信号由并行的TTL信号或CMOS信号转换为串行的LVDS信号，将转换后的控制信号传送给所述高速相机。优选的，所述方法还包括所述FPGA处理器缓存接收到的经过信号转换的图像信号，将缓存后的图像信号进行并行处理。本发明实施例还提供一种图像处理系统，包括上述所述的图像处理装置；与上述所述图像处理装置相连，接收并行处理后的图像信号的主机。基于上述技术方案，本发明实施例所提供的图像处理装置，不再使用现有的与高速相机配套的图像采集卡进行图像信号的采集，而是使用能够与FPGA处理器配合使用的图像采集卡，图像采集卡采集的图像信号经过高速信号向低速信号的转换后，传输给FPGA处理器，由FPGA处理器对经过信号转换的图像信号进行并行处理，实现了对高速相机输出的Gbps级别的图像信号的处理，解决了现有技术采用多台设备进行图像信号处理而造成的成本高的问题，同时采用硬件形式实现了图像信号的处理，图像信号的处理不再依赖于主机的操作系统，保证了图像信号处理的可靠性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例所提供的图像处理装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的图像处理装置的另一结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种图像处理方法的流程图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图I为本发明实施例所提供的图像处理装置的结构示意图，参照图1，该图像处理装置包括图像采集卡100和FPGA (Field-Programmable Gate Array,现场可编程门列阵)处理器200。FPGA处理器200与图像采集卡100相连，将图像采集卡100采集到的经过信号转换的图像信号进行并行处理。图I示出了图像采集卡100的结构，图像采集卡100可以包括第一接口 110，图像信号转换模块120和第二接口 130。第一接口 110外接高速相机，内接图像信号转换模块120，用于接收高速相机输出的图像信号，将该图像信号传送给图像信号转换模块120 ；第一接口 110可以为现有技术中与高速相机相接的图像采集卡的接口，如MDR(英文全称为Mini D Ribbon)26接口，第一接口 110只要能够接收高速相机输出的高速图像信号即可，对于第一接口的具体接口类型，本发明实施例并不设限。若第一接口 110选用MDR26接口，则高速相机处于FULL模式或Medium模式时，所使用的MDR26接口数目为2个，高速相机处于Base模式时，所使用的MDR26接口数目为I个。图像信号转换模块120分别与第一接口 110和第二接口 130相连，用于将第一接口 110接收的图像信号由串行的LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低压差分信号)信号转换为FPGA处理器200能够处理的并行的TTL(Transistor Transistor Logic,晶体管-晶体管逻辑电平)信号或 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)信号，将转换后的图像信号传送给第二接口 130 ；本发明实施例图像采集卡采集的图像不再传输入主机内进行处理，而是传输至FPGA (Field-Programmable Gate Array,现场可编程门列阵)处理器，由FPGA处理器对图像信号进行并行处理，以实现对高速相机输出的Gbps级别的图像信号的处理。高速相机输出的图像信号为串行的高速LVDS信号，不便于直接送入FPGA处理器内进行并行处理，因此需要对高速相机输出的图像信号进行速率转换，将高速相机输出的图像信号，由串行的LVDS信号转换为能够满足FPGA处理器200并行处理要求的并行的低速TTL信号或CMOS信号;
图像信号转换模块120可以选用DS90CR288A芯片，进行图像信号的信号转换。当高速相机处于FULL模式，Medium模式和Base模式时，所选用的DS90CR288A芯片的数量分别为3片，2片及I片。第二接口 130分别与图像信号转换模块120，和FPGA处理器200相连，用于将经图像信号转换模块120转换后的图像信号传送给FPGA处理器200 ；第二接口 130为本发明实施例图像采集卡的图像信号输出接口，其不同于现有技术中图像采集卡的图像信号输出接口，现有技术中图像采集卡将采集到的图像信号传送给主机，因此现有技术中与主机相连的图像采集卡的输出接口一般为标准的PICE (Peripheral Component Interconnect Express,目前标准的与计算机进行连接的总线和接口标准)接口，而本发明实施例中图像采集卡100不与主机相连，图像采集卡100将采集到的图像信号传送给FPGA处理器200，因此图像采集卡100的第二接口 130应选用能 够与FPGA处理器200相适应的接口，实现转换后的图像信号至FPGA处理器200的传输。第二接口 130 可以选用 RGI (Ramon General Interface，镭目通用接口)接口。图I同时示出了 FPGA处理器200的结构，FPGA处理器200可以包括第三接口210，与第三接口相连的图像信号处理模块220。第三接口 210分别与图像采集卡100的第二接口 130，和图像信号处理模块220相连，用于接收图像采集卡100传送给FPGA处理器200的经过信号转换的图像信号；图像信号处理模块220与第三接口 210相连，将第三接口 210接收的经过信号转换的图像信号进行并行处理；图像信号处理模块220对图像信号进行并行处理的内容可以包括图像特征、图像缺陷的分析及图像坐标的计算等，具体处理内容可根据图像信号处理模块220预置的图像处理算法而决定，该图像处理算法可以通过FPGA处理器加载的驱动程序写入。该驱动程序可以使用 VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage，超高速集成电路硬件描述语言)语言描述，该驱动程序可以配置成符合PLB(Processor Local Bus,处理器局部总线)或 0PB(0n_chip Peripheral Bus,片上外围总线)总线接口规范的IP(Intellectual Property core,知识产权核)核，作为FPGA处理器中 MicroBlaze 软核或 PowerPC (英文全称为 Performance Optimized With EnhancedRISC Personal Computer, 一种 RISC 架构的 CPU, RISC 的英文全称为 Reduced InstructionSet Computer,中文简称为精简指令集计算机)硬核的从设备。本发明实施例提供的图像处理装置，不再使用现有的与高速相机配套的图像采集卡进行图像信号的采集，而是使用能够与FPGA处理器配合使用的图像采集卡，图像采集卡采集的图像信号经过高速信号向低速信号的转换后，传输给FPGA处理器，由FPGA处理器对经过信号转换的图像信号进行并行处理，实现了对高速相机输出的Gbps级别的图像信号的处理，同时采用硬件形式实现了图像信号的处理，图像信号的处理不再依赖于主机的操作系统，保证了图像信号处理的可靠性。图2为本发明实施例提供的图像处理装置的另一结构示意图，结合图I与图2所示，图2所示图像处理装置还包括设置于图像采集卡100内的控制信号转换模块140，设置于图像采集卡100内的电源滤波隔离模块150，和设置于FPGA处理器200内的双口内存(dual-port RAM)电路 230。
本发明实施例高速相机与FPGA处理器除了具有图像信号的交互外，高速相机与FPGA处理器之间，还可以有状态信号和控制信号的交互，如高速相机可向FPGA处理器发送状态信号，指示高速相机当前温度、行频、像素时钟、工作模式等参数，以使FPGA处理器更好的进行图像信号的处理；FPGA处理器可以向高速相机发送控制信号，设置高速相机的行频、像素时钟、工作模式、增益等来达到高速相机的控制和调试；FPGA处理器向高速相机发送的控制信号，可通过FPGA处理器加载的驱动程序进行配置。对于FPGA处理器向高速相机发送控制信号的情况，本发明实施例中第二接口130，还可以用于接收所述FPGA处理器输出的控制信号；控制信号转换模块140分别与第一接口 110和第二接口 130相连，用于接收FPGA处理器200通过第二接口 130输送至图像采集卡100内的控制信号，将该控制信号由并行的TTL信号或CMOS信号转换为串行的LVDS信号；第一接口 110，还可以用于将控制信号转换模块140转换后的控制信号传送给高速相机。相应的，对于高速相机向FPGA处理器发送状态信号的情况，本发明实施例中，第一接口 110，还可以用于接收高速相机输出的状态信号；控制信号转换模块140，还可以用于将第一接口 110接收的状态信号由串行的LVDS信号转换为并行的TTL信号或CMOS信号；第二接口 130，还可以用于将控制信号转换模块140转换后的状态信号传送给FPGA处理器200。控制信号转换模块140可以选用DS90LV047和DS90LV019芯片。本发明实施例中图像信号转换模块120内设置有用来提取图像信号转换模块120中的像素时钟信号的的PLL(Phase Locked Loop,锁相回路)。电源滤波隔离模块150分别与所述PLL的电源和图像采集卡100的工作电源相连，将所述工作电源去耦和滤波，将去耦和滤波后的工作电源提供给所述PLL的电源。其中，图像采集卡100的工作电源可从第二接口 130接入，电源滤波隔离模块150可采用磁珠隔离的方式将去耦和滤波后的工作电源提供给所述PLL的电源。电源滤波隔离模块150，所述工作电源和所述PLL的电源的这种连接方式，可以使得图像采集卡承载的像素时钟稳定倍频。双口内存电路230分别与第三接口 210和图像信号处理模块220相连，将第三接口 210接收的经过信号转换的图像信号进行缓存处理，将缓存后的图像信号传送给图像信号处理模块220，以便图像信号处理模块220对接收的图像信号进行并行处理；双口内存电路230对第三接口 210接收的图像信号的缓存可采用乒乓操作方式进行。本发明实施例图像处理装置的图像采集卡100和FPGA处理器200可以为板卡结构，图像采集卡100和FPGA处理器200可以集成在同一张板卡中，两者也可以相互插接，实现不同类型的FPGA处理器与图像采集卡的配合使用，做到即插即用。
图3为本发明实施例提供的一种图像处理方法的流程图，该方法基于上述实施例所述的图像处理装置，参照图3，该方法可以包括步骤S100、图像采集卡接收高速相机输出的图像信号；步骤S200、所述图像采集卡将所述高速相机输出的图像信号由串行的LVDS信号转换为并行的TTL信号，或CMOS信号；步骤S300、所述图像采集卡将经过信号转换的图像信号传输给FPGA处理器，以便所述FPGA处理器将接收的经过信号转换的图像信号进行并行处理。FPGA处理器对图像信号进行并行处理的内容可以包括图像特征、图像缺陷的分析及图像坐标的计算等，并行处理的具体内容可根据FPGA处理器预置的图像处理算法而决定，该图像处理算法可以通过FPGA处理器加载的驱动程序写入。
本发明实施例所示方法还可以包括如下步骤图像采集卡还可以接收FPGA处理器输出的控制信号，将所述FPGA处理器输出的控制信号，由并行的TTL信号或CMOS信号转换为串行的LVDS信号，将转换后的控制信号传送给高速相机，以便对高速相机进行控制和调试。图像采集卡还可以接收高速相机输出的状态信号，将所述高速相机输出的状态信号，由串行的LVDS信号转换为并行的TTL信号或CMOS信号，将转换后的状态信号传送给所述FPGA处理器，以便FPGA处理器更好的进行图像信号的处理。FPGA处理器在接收到图像采集卡传送的经过信号转换的图像信号后，可以先将该经过信号转换的图像信号进行缓存处理，再将缓存后的图像信号进行并行处理。FPGA处理器将图像信号进行并行处理后，还可以将并行处理后的图像信号传送给主机，由主机对并行处理后的图像信号进行存储或简单二次处理。本发明实施例还提供一种图像处理系统，包括上述所述的图像处理装置，及与上述所述的图像处理装置相连，接收并行处理后的图像信号的主机。本发明实施例中主机用于存储并行处理后的图像信号，及对并行处理后的图像信号进行简单二次处理，本发明实施例对于主机的配置并无要求。图像处理装置与主机间相连的接口可以为PCIE接口。 本发明实施所提供的图像处理装置、方法及系统可以应用于热轧钢坯表面质量在线检测。本发明实施例提供的图像处理装置采用图像采集卡与FPGA处理器相配合的方式实现了对高速相机输出的Gbps级别的图像信号的处理，实现了图像信号处理的硬件实现。经测试，本发明实施例所提供的图像处理装置在高速相机为Full模式时，所能承载的像素时钟高达80MHZ，所能承载的图像信号传输速率高达5. 12Gbps。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修 改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.ー种图像处理装置，其特征在于，包括图像采集卡和现场可编程门列阵FPGA处理器； 所述图像采集卡包括 第一接ロ，用于接收高速相机输出的图像信号； 图像信号转换模块，用于将所述第一接ロ接收的图像信号，由串行的低压差分信号LVDS转换为并行的晶体管-晶体管逻辑电平TTL信号，或互补金属氧化物半导体CMOS信号; 第二接ロ，用于将所述图像信号转换模块转换后的图像信号传送给所述FPGA处理器； 所述FPGA处理器包括 第三接ロ，用于接收所述第二接ロ传送的经过信号转换的图像信号； 图像信号处理模块，用于将所述经过信号转换的图像信号进行并行处理。
2.根据权利要求I所述的图像处理装置，其特征在于，所述第二接ロ，还用于接收所述FPGA处理器输出的控制信号； 所述图像采集卡还包括 控制信号转换模块，用于将所述第二接ロ接收的所述FPGA处理器输出的控制信号，由并行的TTL信号或CMOS信号转换为串行的LVDS信号； 所述第一接ロ，还用于将所述控制信号转换模块转换后的控制信号传输至所述高速相机。
3.根据权利要求I所述的图像处理装置，其特征在于，所述图像信号转换模块包括用于提取所述图像信号转换模块中的像素时钟信号的锁相回路PLL ； 所述图像采集卡还包括 电源滤波隔离模块，用于将图像采集卡的工作电源去耦和滤波，将去耦和滤波后的エ作电源提供给所述PLL的电源。
4.根据权利要求I所述的图像处理装置，其特征在于，所述FPGA处理器还包括 双口内存电路，用于将所述第三接ロ接收的经过信号转换的图像信号进行缓存处理，将缓存后的图像信号传送给所述图像信号处理模块，以便所述图像信号处理模块将所述经过信号转换的图像信号进行并行处理。
5.根据权利要求I所述的图像处理装置，其特征在干，所述第二接ロ为镭目通用接ロRGI 接ロ。
6.根据权利要求I所述的图像处理装置，其特征在于，所述图像采集卡与所述FPGA处理器为板卡结构，所述图像采集卡与所述FPGA处理器相插接。
7.ー种图像处理方法，其特征在于，所述方法基于权利要求I至6任一项所述的图像处理装置，所述方法包括 图像采集卡接收高速相机输出的图像信号； 所述图像采集卡将所述高速相机输出的图像信号由串行的低压差分信号LVDS转换为并行的晶体管-晶体管逻辑电平TTL信号，或互补金属氧化物半导体CMOS信号； 所述图像采集卡将经过信号转换的图像信号传输给现场可编程门列阵FPGA处理器，以便所述FPGA处理器将接收的经过信号转换的图像信号进行并行处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括图像采集卡接收所述FPGA处理器输出的控制信号，将所述FPGA处理器输出的控制信号由并行的TTL信号或CMOS信号转换为串行的LVDS信号，将转换后的控制信号传送给所述高速相机。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括 所述FPGA处理器缓存接收到的经过信号转换的图像信号，将缓存后的图像信号进行并行处理。
10.ー种图像处理系统，其特征在于，包括 如权利要求I至6任ー项所述的图像处理装置； 与所述图像处理装置相连，接收并行处理后的图像信号的主机。
全文摘要
本发明实施例提供一种图像处理装置、方法及系统。所述图像处理装置，包括图像采集卡和FPGA处理器；所述图像采集卡包括第一接口，用于接收高速相机输出的图像信号；图像信号转换模块，用于将所述图像信号，由串行的LVDS信号转换为并行的TTL信号，或CMOS信号；第二接口，用于将经过信号转换的图像信号传送给所述FPGA处理器；所述FPGA处理器包括第三接口，用于接收所述第二接口传送的经过信号转换的图像信号；图像信号处理模块，用于将接收的图像信号进行并行处理。本发明解决了现有技术采用多台设备进行图像信号处理而造成的成本高的问题，同时采用硬件形式实现了图像信号的处理，保证了图像信号处理的可靠性。
文档编号H04N5/14GK102629968SQ201210104199
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者田陆, 罗旗舞 申请人:湖南镭目科技有限公司