基于FPGA的机器视觉设计

摘要：为实现系统快速更新，在此设计了一种新的机器视频解决方案，借助FPGA技术，实现视频输入端口与Gige Vision IP的使用以及系统与计算机主机的连接。设计方案中采用了新的Gige Vision标准及Gige Vision IP核，使系统相比其他现有相关标准更简单、速度更快，是未来的发展方向。
关键词：机器视觉；视频；FPGA；Gige Vision

0 引言
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉作为人类视觉与大脑的延伸，是衡量现代工业自动化程度的标志之一。近年来，随着计算机技术尤其是多媒体技术和数字图像处理及分析理论的成熟，以及大规模集成电路的迅速发展，机器视觉技术得到了广泛的应用研究，取得了巨大的经济与社会效益。
机器视觉系统主要由3部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。本文介绍了基于FPGA的一种机器视觉系统，该系统采用Gige Vision摄像机来获取图像，在FPGA中采用了Gige Vision IP核，根据TCP／IP传送协议实现了FPGA与PC机的数据通讯。

1 FPGA实现机器视觉的优势
随着机器视觉系统应用中分辨率的提高和压缩算法的进步，对系统性能和构架灵活性提出了更高的要求，以实现系统的快速更新。可选择的系统构架包括标准单元ASIC，ASSP以及各种可编程解决方案，如数字信号处理器(DSP)或媒体处理器和FPGA。每种构架都具有各自的优缺点，最终选择取决于终端设备要求和解决方案的可用性。理想构架应具有以下特点：高性能、灵活性、易升级性、低开发成本以及具有随着应用成熟和产量增加向更低成本迁移的能力。FPGA具有并行运算、反复使用、大量可使用的软核的优势，是实现机器视觉理想构架的合理选择。
FPGA是小批量系统提高集成度、可靠性的最佳选择之一。随着VLSI工艺的不断提高，单一芯片内部已可以容纳上百万个晶体管，这使得FPGA芯片所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。
FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发。FPGA甚至包含单片机和DSP软核，并且IO数仅受FPGA自身IO限制，所以，FPGA又是单片机和DSP的超集。也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现。在SoC设计中，基于FPGA器件设计工艺的发展使得越来越多的功能集成到一个芯片成为可能。为实现这一目标，有一种非常实用的SoC设计方法，称为基于核的设计，它将系统的功能划分为不同的核。采用IP(Intellectual Property)核来完成特定的设计功能。本文就是采用了Gige Vision的IP核来完成主要部分设计的。

2 机器视觉系统设计
2．1 设计原理
系统原理框图如图1所示。

这个解决方案基于Xilinx低功耗低成本的Spartan 3E FPGA芯片上实现，它提供了整合CameraLink，Gige Vision IP，千兆以太网MAC的平台和可选的Visual Applets软件。
2．2 视频输入模块
在ITS及安防行业，现在主要使用的是模拟摄像机，也有部分厂家推出了网络摄像机(Pcamera)。GigeVision摄像机与他们之间的对比如表1所示。