（光学工程专业论文）高速线阵ccd图像数据采集系统的研究.pdf

中文摘要 视觉信息占人类五官接收信息总量的8 0 ，图像传感器可以扩展 人类的视觉范围。随着信息时代的到来，图像传感器越来越多地应用 于科学研究及生产生活中。目前主要的有c c d 图像传感器、c m o s 图 像传感器、c i s 图像传感器及热电图像传感器。其中，c c d 图像传感 器以其卓越的性能广泛应用于高精度测量、检测、图像分析、光谱探 测等领域。 本文简要介绍了c c d 图像传感器、数字相机、图像采集卡的发展 现状，对线阵c c d 图像传感器的应用进行了研究，以线阵c c d 图像 传感器t c d l 2 0 9 d 为例建立了一套图像数据采集系统。 论文的主要内容包括以下几个方面： 1 对图像传感器应用中的光源选择问题进行了探讨； 2 详细介绍了线阵c c d 芯片t c d l 2 0 9 d 的工作原理并采用a l t e r a 的 c p l d 为其设计驱动器： 3 设计了8 b i ta d 数据采集卡并对e p p 、u s b 、p c i 接口方案的选择进 行了讨论； 4 详细介绍了基于e p p 并行接口a d 数据采集卡的软硬件设计； 5 对u s b 总线、u s b 控制芯片的选择进行了阐述，并以c y p r e s s 的f x 2 系列芯片为例设计开发了基于u s b 2 o 总线接口的数据采集卡，对其固 件程序及设备驱动程序的编写进行了研究；在v is u a lc + + 6 0 环境下开 发了在w i n d o w s 下访问硬件接口的应用程序； 6 将所建立的图像数据采集系统应用于宽幅感光胶片的表面缺陷检测 中，设计了基于灰度数学形态学的快速检测算法。 关键词：图像传感器，驱动器，e p p 并行接1 2 1 ，u s b 总线，灰度数学 形态学 a b s t r a c t v i s i o ni n f o r m a t i o ni sa l m o s t8 0 p e r c e n t o fa 1 1t h ei n f o r m a t i o n r e c e i v e db yh u m a n i m a g es e n s o r sm a ye x p a n dh u m a n sv i s i o nb r o a d m o r ea n dm o r e i m a g e s e n s o r sa r ea p p l i e dt o s c i e n t i f i cr e s e a r c h ， m a n u f a c t u r ea n dourd a i l y1 i f e t h em a i nt y p e so fi m a g es e n s o r sa r ec c d s e n s o r s c m o ss e n s o r s c i ss e n s o r sa n dt h e r m o e l e c t r i cs e ns o r s ，i nw h i c h ， c c ds e n s o r sa r ew i d e l ya p p l i e dt of i e l d s0 fh i g ha c c u r a c ym e a s u r e m e n t ， i m a g ea n a l y s i s ，s p e c t r u md e t e c t i o na n d s oo i lw i t ht h e i rr e m a r k a b l e p e r f o r m a n c e i n t h i st h e s i s ，c c di m a g es e n s o r s ，d i g i t a lc a m e r aa n di m a g ed a t a a c q u i s i t i o n c a r d sh a v e b e e ni n t r o d u c e d b r i e f l y a n dt h e a p p l i c a t i o n t e c h n i q u eo fc c dh a sb e e ns t u d i e d a ni m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o nt c d12 0 9 ，al i n e a rc c ds e n s o r ，h a sb e e nd e v e l o p e dt oa c q u i r ea n d p r o c e s si m a g ed a t a t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r el is t e da sf o l l o w i n g 1 i l l u m i n a t i o na p p l i e dt oi m a g es y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e d 2 t h ep r i n c i p l eo fl i n e a rc c ds e n s o rt c d12 0 9 dh a sb e e ni n t r o d u c e di n d e t a i la n di t sd r i v e rc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yu s i n g c p l d 3 a na da c q u i s i t i o nc a r dh a sb e e nd e s i g n e da n dt h ei n t e r f a c em e t h o d s u c ha se p p ，u s ba n dp c ih a sb e e nd is c u s s e d 4 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa n8 b i t ，a da c q u i s i t i o nc a r dw i t he p p p a r a l l e li n t e r f a c eh a v eb e e ne s t a b l i s h e d 5 a ni m a g ed a t ac o l l e c t i v es y s t e mb a s e donu s bc o n t r o l l e rb yu s i n g c y p r e s sf x 2c h i ph a sb e e nb u i l tu p a n dt h eu s bd r i v e rs y s t e mh a s b e e nd e v e l o p e d 6 af a s ta l g o r i t h mb a s e do ng r a y m o r p h o l o g yh a sb e e np r o p o s e da n d a p p l i e dt oe n h a n c ea n dd e t e c tt h ed e f e c t so nt h ep r i n t i n gf i l m k e yw o r d s ：i m a g es e n s o r ，c c dd r i v e r ，e p pp a r a i l e li n t e r f a e e ，u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，g r a y m o r p h o l o g y 独创性声明 本人声明所成交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 二作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得云注太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我| 司工作过的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：薹痧签字日期：j s 年月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采i j 影印、缩印或扫描 的复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参爹为 导师签名 签字日期：上即j 年，f 月，7 日签字日期：矽口，年 ，月 ，7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1c c d 图像传感器的发展与现状 图像传感器是将光学图像转换成一维时序信号的器件，包括真空管 图像传感器、半导体集成图像传感器和扫描型图像传感器等。其中， 真空管图像传感器主要包括电子束摄像管、像增强管与变相管等；半 导体集成图像传感器主要以c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 、c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 、 c i s ( c o n t a c ti m a g es e n s o r ) 为代表。随着数码技术、半导体制造技术、 光电子技术以及网络的迅速发展，半导体集成图像传感器逐渐取代了 真空管图像传感器，成为图像传感器的主流。 c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 于1 9 7 0 年美国贝尔电话实验室的 w s b o y l e 和g e s m i t h 首先提出，之后经3 0 多年发展，从初期的数万 像元已经发展至目前的数千万像元。c c d 常分为线阵( l i n e a r ) 与面 阵( a r e a ) 两种，其中，线阵c c d 广泛应用于图像扫瞄仪、传真机、 电影放映机中的高品质的还音设备及工业非接触尺寸检测、控制等领 域，而面阵c c d 主要应用于数码相机( d s c ) ，医用、公安与工业内窥 镜系统，道路、交通与保安监视系统，工业非接触尺寸检测、航空、 航天等领域的图像传感与控制。 c c d 传感器普遍具有以下优点： 1 高解析度( h i g hr e s o l u t i o n ) ：像元的大小为微米量级，可检测 与识别精细物体的细节。线阵c c d 的像元数目从5 1 2 到1 0 0 0 0 ；面阵 c c d 从早期l 寸、l 2 寸、2 3 寸、1 4 寸到最近推出的1 9 寸，像元数 目也从初期的数万增加到现在的数千万像元，如加拿大d a l s a 公司设计 制作的4 k 7 k 像元的面阵c c d 芯片。 2 低噪声( l o wn o i s e ) 高灵敏度：c c d 具有很低的输出噪声和暗 电流，因此提高了信噪比( s n r ) ，同时又具高灵敏度，很低照度下也 能检测到图像信号，使c c d 的应用受环境光的影响较小。 3 动态范围宽( h i g hd y n a m i cr a n g e ) ：同时检测及分辨强光和弱 第一章绪论 光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 4 良好的线性特性( l i n e a r i t y ) ：入射光源强度和输出信号大小成 良好的线性关系，不会损失物体图像信息，降低图像信息补偿与处理 的成本。 5 转换效率高( h i g hq u a n t u me f f i c i e n c y ) ：很微弱的入射光照射 都能被记录下来，当采用像增强管与c c d 结合( e b c c d ) 时可分辨 1 0 - 6 l x 的景物图像，可以侦测出黑夜远处的景物。 6 大面积感光( l a r g ef i e l do f v i e w ) ：利用半导体技术已可制造大 面积的c c d 晶片，例如加拿大d a l s a 公司生产的i a d 9 5 1 2 0 器件的 像敏面积为6 1 4 4 6 1 4 4 c m 2 ，比一美元的硬币还要大许多倍。而拼接 起来的面阵c c d 已经用于哈勃望远镜。 7 光谱响应宽( b r o a ds p e c t r a lr e s p o n s e ) ：光谱响应范围远远超过 人眼的可视范围，为2 0 0 1 5 0 0 n m 。常见的c c d 的光谱响应范围为 2 5 0 1 0 0 0n m 。 8 体积小、重量轻：c c d 具备体积小且重量轻的特性，因此，可 容易地装置在人造卫星及各式导航系统上： 9 低功耗且受电磁场的影响较小； 1 1 1 线阵c c d 图像传感器 2 1 线阵c c d 可以直接将一维光信息转换为视频信号输出，一般分为 单路、双路、三路和多路输出形式。 1 单路输出线阵c c d 在单路输出线阵c c d 结构中，光敏区和转移区( 即移位寄存器) 是分开的，移位寄存器被遮蔽。在光积分周期里，光栅电极电压为高 电平，光敏区在光的作用下产生光生电荷并存放于光敏m o s 电容势阱 中。转移栅( t r a n s f e r g a t e ) 控制光电荷从光敏阵列到移位寄存器间的 转移。在转移脉冲到来时，信号电荷并行转移到移位寄存器中。最后， 在时钟脉冲的作用下，逐一移出器件， 光电二极管 形成视频脉冲信号。图1 - l 为单路输占兰当兰三兰兰当转移栅 出线阵c c d 结构示意图。这种结构的四囤已习_ 0 8 c c d 转移次数多、效率低、调制传递 图1 - 1 单路输出线阵c c d 结构示意图 函数m t f 较差，适用于像元较少的器件。 第一章绪论 2 双路输出线阵c c d 双路输出线阵c c d 具有两列移位寄存器，分别排列在像敏区的两 边。双沟道线阵c c d 又分为奇偶分段和前后分段两种方式。图1 2 ( a ) 为奇偶分段方式的双路输出线阵c c d 结构示意图。这种方式将信号电 荷分为奇偶两组同时向两组移位寄存器中转移。图1 2 ( b ) 为前后分 段方式的双路输出线阵c c d 结构示意图。它是将信号电荷按前后分为 两组同时向移位寄存器中转移。显然，同样像敏单元数的双路输出线 阵c c d 比单路输出线阵c c d 的转移次数减少一半，总体转移速度大 大提高。这种结构常见于像元数较多的线阵c c d 器件，如t c d l 7 0 3 器件就采用双路并行输出结构，有7 5 0 0 个有效像元，驱动频率可达 2 0 m h z 。 转移 图1 2 双路输出线阵c c d 结构示意图 3 三路输出线阵c c d 三路输出结构通常用于彩色线阵 c c d 。通过棱镜将不同波长的光分别 投射在r 、g 、b 三组c c d 上，每组 c c d 再将各自的信号电荷转移输出。 图1 - 3 为三路输出线阵c c d 结构示意 此外，t d ic c d 与普通线阵c c d 具有 不同的结构。t d i ( t i m ed e l a ya n d i n t e g r a t i o n ) 是一种扫描叠加方式，基于对 同一物体的多次曝光累加的概念发展而来。 因为需要在不同的位置进行多次曝光，t d i c c d 要求目标与相机必须实现完全的同步。 栅 图1 4t d i 线阵c c d 结构示意图 第一章绪论 由于传感器内的信号储存与曝光次数成正比，t d i 技术使积分时问内 的光子数增加，因此，t d ic c d 比普通线阵c c d 具有更高的灵敏度。 图1 4 为t d ic c d 的结构示意图。 1 1 2 面阵c c d 图像传感器 按一定方式将一维线阵c c d 的光敏单元和移位寄存器排列成二维 阵列即构成二维面阵c c d 。根据排列方式不同，面阵c c d 可分为帧转 移、全帧转移、隔行转移等方式。 1 帧转移面阵c c d 帧转移面阵c c d 由光敏区、存储区和水平移位寄存器组成。光敏 区对光学图像产生光电荷，在光积分结束后将整帧电荷转移给存储区， 再由水平移位寄存器逐一读出。其特点是结构简单，帧速度较快，一 般可达3 0 6 0 f p s ( d a l s a 公司的f t t l 0 1 0 m 提供双输出，帧速度可达 8 0 f p s ) ，光敏单元尺寸较小，模传递函数m t f 较高，但光敏面积占器 件总面积的比例小。 2 全帧转移面阵c c d 与帧转移型相比，全帧转移型面阵c c d 不设存储区，在光积分后， 将光电荷移至水平寄存器后全部读出。其咒敏区占据器件的绝大部分， 因此在进行光电荷转移时，需通过快门屏蔽入射光。基于上述特点， 全帧转移型面阵c c d 的帧速度较低，一般在2 0 f p s 以下，在采用多输 出端方式可提高帧速度，如d a l s a 公司的f t f 3 0 2 0 全帧型面阵c c d 像 元数为3 0 7 2 x 2 0 4 8 ，采用4 端口输出，帧速度可达2 0 f p s 。 3 隔列转移面阵c c d 在隔列转移面阵c c d 结构中，光敏单元与读出寄存器按列相间排 列。光积分期间，光敏单元内产生光生电荷，光积分结束后，光电荷 由光敏单元转移至读出寄存器，然后由水平移位寄存器转移输出。这 种方式采用多列并行转移，比帧转移方式的转移速度快，但由于光敏 单元与垂直移位寄存器相间排列，所以对输入光的利用率及像元密度 相对较低。 第一章绪论 1 2 数字相机 1 2 1 数字相机的硬件结构 典型的数字相机主要由图像传感器、驱动电路、信号处理电路、电 子接口电路、光学机械接口构成。 其中，图像传感器是系统的核心，在驱动脉冲的作用下实现光电荷 的转换、存储、转移和输出。驱动电路部分主要由晶振、时序信号发 生器、垂直驱动器等构成，为图像传感器件提供驱动脉冲，为信号处 理电路提供钳位、复合同步、复合消隐、采样保持等脉冲信号。信号 处理电路主要完成c c d 输出信号的a g c ( 自动增益控制) 、视频信号 合成、a d 转换等功能。接口电路主要将外部控制信号反馈给时序发 生电路、信号处理电路，从而控制相机的工作状态，此外，还可将时 序发生电路所产生的各种驱动时序输出，以便图像采集卡控制图像采 集。光学机械接口主要提供与各种光学镜头的机械连接，一般分为f 型、c 型、c s 型等形式。 1 2 2c c d 相机的主要接口类型 目前，数字相机与图像数据采集卡间的数据接口标准包括r s 4 2 2 、 l v d s ( r $ 6 4 4 ) 、c h a n n e ll i n k 、c a m e r al i n k 、i e e e l3 9 4 ( f i r e w i r e ) 1 r s 4 2 2 t 3 】 r s 4 2 2 发布时间较早，是数据信号传输的电气规范，是一种串行物 理接口标准。该标准采用双绞线，以不同的模式对同一信号进行传输。 当某一信号为高电平时，另一信号必须为低电平。在r s 4 2 2 规范中， 高电平为3 v ，低电平为0 v 。为了降低噪声，双绞线必须适用于所有 r s 4 2 2 信号。电缆的阻抗为l o o q ，并具有1 1 0 f l 终端负载。所有输入相 机的r s 4 2 2 信号要求具有1 1 0 q 终端负载。r s 4 2 2 可用于几十米至上千 米距离的传输。 2 l v d s t 4 1 l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 又称r s 6 4 4 ，19 9 6 年发 布，是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号( 约3 5 0 m v ) 通过一对差分p c b 走线或平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输速 率达到每秒数百兆比特，其特有的低振幅及恒流源模式驱动只产生极 第一章绪论 低的噪声，消耗非常小的功率。 l v d s 接口是一种单工方式，必要时也可使用半双工、多点配置方 式，但一般在噪声较小、距离较短的情况下才适用。每个点到点连接 _ 白勺差分对由一个驱动器、互连器和接收器组成。低振幅驱动信号实现 了高速操作并减小了功率消耗，从而可以在单个集成电路上集成多个 接口驱动器和接收器，提高了p c b 板效能。l v d s 驱动器能以超过 1 5 5 5 m b p s 的速度驱动双绞线，距离超过1 0 m 。 3 c h a n n e ll i n k c h a n n e ll i n k 原本是数字平面显示器数据传输的标准，其信号格式 也是l v d s ，其特点是减少了接口引脚数但仍可以传输大量的数字数 据。它是c a m e r al i n k 标准的前身，数据格式与c a m e r al i n k 兼容，但 当时未定义出标准的接口形式。 4 c a m e r al i n k l 5 1 c a m e r al i n k ，2 0 0 0 年发布，是适用于数字相机和图像数据采集卡 间的通信接口，它扩展了c h a n n e ll i n k 技术，定义了标准的接口形式， 使图像信号传输更简单化，并定义出基础结构( b a s ec o n f i g u r a t i o n ) 、 中间结构( m e d i u mc o n f i g u r a t i o n ) 以及完整结构( f u l lc o n f i g u r a t i o n ) 信号引脚规范及数据传输量。 标准的c a m e r al i n k 电缆提供相机控制信号线、串行通信信号线和 视频数据线。其中，相机控制信号线为4 路l v d s ，被定义为相机输入 和图像采集卡输出。串行通信线为2 路l v d s ，用于相机与图像采集卡 间的异步串行通信。通信信号线包括：s e r t f g ( 到图像采集卡的串行 通信微分线) ，s e r t c ( 到相机的串行通信微分线) 。该串行接口具有一 个开始位和一个停止位，没有奇偶( p a r i t y ) 位和握手( h a n d s h a k i n g ) 位。有些c a m e r al i n k 串行通信线中，相机和图像采集卡必须支持9 6 0 0 的波特率。图像数据和图像通过c h a n n e ll i n k 总线进行传输。视频数 据线有4 路，分别为f v a l ( 帧有效时高电平) 、l v a l ( 像素有效时高 电平) 、d v a l ( 数据有效时高电平) 和s p a r e ( 预留位) 。 c a m e r al i n k 目前已成为数字相机的新一代输出标准，大多数图像 采集卡研发公司的产品都支持该标准。 5 i e e e l3 9 4 1 6 i i e e e l 3 9 4 接口是a p p l e 公司开发的串行接1 3 标准，也称为f i r e w i r e ( 火线) 接口。i e e e l 3 9 4 接口能够在计算机与外围设备间提供l o o 、 第一章绪论 2 0 0 、4 0 0 m b p s 的传输速率。这种接口方式不要求p c 作为所有外设的 控制器，不同的外设可以直接在彼此之间传递信息。 利用i e e e l 3 9 4 的拓扑结构，不需要集线器就可连接6 3 台设备，并 且可以通过桥网将独立的子网连接起来，不需要强制p c 控制这些设 备。 i e e e l 3 9 4 接口规范能够实现8 0 0 m b p s 和i 6 g b p s 传输速度的高速 通信方式，并可实现较长距离的数据传输。无线方式的i e e e l 3 9 4 超高 速数据传输技术可以实现4 0 0 m b p s 的无线通信速度。传输距离在无障 碍时可达1 2 m ，传送方式采用6 0 g h z 的微波。 1 3 图像采集卡 图像采集卡的主要功能是对相机输出的视频数据进行实时的采集， 并提供与p c 的高速接口。除完成常规的a d 转换任务外，图像采集卡 还具备如下功能： 1 接收来自数字相机的高速数据流，并通过p c 总线高速传输至 主机存储器。 2 许多相机为了提高数据率，采用多通道输出方式，使几个像素 可以并行输出。因此，需要图像采集卡对多通道输出的信号进行重新 构造，恢复原始图像。 3 对相机和系统中的其它模块，如光源等，进行功能控制。 图像采集卡通常由视频输入模块、a d 转换模块、时序及采集控制 模块、总线控制模块、相机控制模块等组成。 视频输入模块是图像采集卡的前端，直接与视频信号源( 相机) 连 接。多数图像采集卡提供内置的多路分配器( m u l t i p l e x e r ) ，允许用户 将多路视频信号连接至同一个图像采集卡。此外，单色图像采集卡大 多包含彩色滤波器，以避免信号中的彩色部分产生干扰图案，有利于 图像的精确采集与分解。 视频信号经视频输入模块进入a d 转换模块。a d 转换模块是图像 采集卡的核心部分，主要功能是将输入的模拟视频信号转换为计算机 可以识别的数字信号。由于这种转换要求实时性，因此要采用高速a d 转换器。有些图像采集卡中还集成了可编程增益控制模块，用来调整 输入范围，以便在输入信号较小时获得理想的图像。 第一章绪论 时序和采集控制模块包括图像采集卡的整个时序、同步、采集控制 电路。 相机控制模块提供相机的设置及控制信号，如水平垂直同步信号、 像素时钟及复位信号等。 总线控制模块主要完成数字图像数据的传输。根据不同的总线协议 标准向p c 传输图像数据。目前，常用于图像采集卡的总线接口方式有 p c i 总线、a g p 总线、u s b 2 0 总线等。 p c i 局部总线规范在9 0 年代初由i n t e l 公司提出，支持3 3 m h z 时 钟频率，数据带宽为3 2 位，可扩展至6 4 位，数据传输速率为 l3 2 m b s 2 6 4 m b s 。目前，p c i 总线是图像采集卡的主流接口方式。 a g p ( a c c e l e r a t eg r a p h i c a lp o r t ) ，加速图形接1 2 1 ，是i n t e l 在1 9 9 6 年提出的新一代局部图形总线技术1 7 1 。a g p 技术的核心有两个方面， 一是使用主机内存作为显存的扩展延伸，从而大幅增加显存的潜在容 量；二是使用6 6 m h z 、1 3 3 m h z 甚至2 6 6 m h z 的总线频率，极大的提 高了数据传输速率。目前，a g p 技术也被国外的一些图像采集卡公司 所应用，如美国c o r e c o 公司已采用该技术开发b a n d i ti i 系列图像采集 卡，兼据显卡功能，可支持双路独立显示输出，亦可脱离主机独立驱 动显示器输出图像。 u s b 总线规范在2 0 0 0 年推出了2 0 版本，使其数据传输速度提高 到4 8 0 m b s 。这种接口方式不但具有较高的传输速率而且采用外插方 式，适用于便携式设备。目前，国内的嘉恒中自公司的o k 系列面阵 c c d 图像采集卡中提供u s b 2 0 接口的产品。 此外，一些线阵c c d 或其它光电图像传感器由于传输的数据量不 如面阵c c d 多，也可使用并行总线接口方式。 1 4 本课题的目的 目前，图像传感器应用系统的开发方式主要有两种，一种针对具 体的图像传感器芯片开发其驱动器以及数据采集卡；此外，一些公司 直接提供将芯片及驱动集成在一起的相机，如加拿大d a l s a 公司提供的 各种型号的线、面阵相机，以及各种数据采集卡，可根据不同的需求 选择使用，以缩短研发周期。前者虽然开发周期较后者长，但灵活性 比较强，可以根据不同的研究目的进行研制，较后者更适合于有特殊 第一章绪论 要求的图像传感器应用中。 本课题旨在通过对线阵c c d 芯片t c d l 2 0 9 d 的驱动器及数据采集 卡的开发，建立一个高速线阵c c d 图像数据采集系统。此外，在对宽 幅胶片在线检测的实验中，提出一种基于数学形态学的快速图像处理 算法。 1 5 本课题的工作内容和创新点 本课题的主要内容在于实现以线阵c c dt c d l 2 0 9 d 为图像传感器 的数据采集系统，设计开发2 0 m h z 的高速驱动器、e p p 并行接1 2 方式 的a d 数据采集卡、u s b 2 0 接口方式的a d 数据采集卡，编写2 种接 口方式的采集、控制程序和设备驱动程序，并根据胶片检测实验中缺 陷检测的要求设计图像处理的算法。 本课题有如下创新点： 1 、自行设计基于t c d l 2 0 9 d 器件的2 0 m h z 的高速驱动板。 2 、采用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3u s b 2 0 接1 2 1 控制芯片，设计 并实现基于u s b 2 0 接口的a d 数据采集卡、接口驱动程序和 应用程序。 3 、提出利用数学形态学方法进行图像处理，判断胶片缺陷的快速 处理方法。 第二章高速图像数据采集系统 第二章高速图像数据采集系统 2 1 系统总体结构 高速图像数据采集系统由照明系统、线阵c c d 及其驱动器、a d 数据转化 电路、数据存储电路、计算机接口与控制电路等部分组成，如图2 - 1 所示。其 主要功能是将被测物的光学图像信号转换成c c d 的视频信号后经a d 数字化 再存入卡内存储器，然后，再将所存数据经接口电路存入计算机内存。 图2 - 1 总体结构图 稳流源使照明系统发出稳定、均匀的光照射到被测物体上，使被测物体表 面信息图像( 或透过率信息图像) 通过光学成像系统成像到线阵c c d 的像敏 面上。线阵c c d 在驱动器的驱动下完成光电转换，并将转换后的信号送给a d 转换器形成数字信号，由高速s r a m 进行数据缓存，然后由接口电路送入计算 机l “。计算机中的应用软件对接口进行控制，并将采集到的数据进行处理和显 示。 2 2 系统开发平台及其工具的选择 1 硬件平台的选择 硬件平台主要有两种选择，常用的是使用通用性较强的p c 机作为主机的 方式，这种方式难度较低，开发周期较短；但整体体积较大，又由于p c 机的 第二章高速图像数据采集系统 操作系统多为多任务方式，不能实现真正意义上的实时处理。另一种方式是采 用基于微处理器( 如d s p ) 的嵌入式系统，这种方式可以实现真正的实时处理， 整机体积小巧；但开发难度较大，开发周期长。 考虑到课题的研究重点及开发周期的限制，因此采用p c 机作为硬件的实 验平台，以后可将其移植到嵌入式系统。 2 软件平台的选择 目前市场上p c 机的主流操作系统仍然是m i c r o s o f t 的w i n d o w s 操作系统。 其功能强大、稳定性较好、应用软件丰富，是软件平台的首选。 3 驱动程序开发工具的选择 w i n d o w s 采用特有的系统保护措施，使得在w i n d o w s 操作系统环境下，设 备驱动程序的开发模式和开发方法不同于在d o s 环境下，其开发难度较大。 目前开发w m d o w s 环境下的设备驱动程序主要由两种方式，一是采用微软提供 的驱动程序开发包即d d k ( d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ) 进行开发，或是采用第三 方公司提供的工具进行开发。前者开发难度较大，开发周期长，但用它开发出 的驱动程序与w i n d o w s 操作系统可以结合的更加紧密。后者包括n u m e g a 公司 提供的d r i v e r s t u d i o 驱动程序开发包以及j u n g o 公司的w i n d r i v e r 驱动程序开发 包。d r i v e r s t u d i o 是一个集成驱动开发包，它包括v t o o l s d 、s o , i c e 和 d r i v e r w o r k s ，既可以开发w i n 9 x 中的虚拟设备驱动程序，又可以开发w i n n t ， w m 2 0 0 0 下的驱动程序，功能比较强大，开发难度适中。w i n d d v e r 是开发周期 最短，相对最容易的开发驱程的工具，但效率低，并存在发布问题。嗍 由于本课题选用了c y p r e s s 的u s b 2 0 控制芯片及开发工具包，因此采 用d d k 修改样例驱动程序的方式进行开发。 4 e d a 工具的选择 随着电子技术的不断发展和进步，电子系统的设计方法发生了巨大的变化， 以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术已逐渐取代传统的电子设计方法，成为电 子系统设计的主流。它的基本特征是：设计人员按照”自顶向下”的设计方法， 对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成 电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 简称a s i c ) 实现，然后采用硬件描 述语言( h d l ) 或原理图完成系统行为级的设计，最后通过综合器和适配器生 成最终的目标器件。唧 a s i c 器件的设计输入方式主要有两种：一种是基于原理图的交互式图形 第二章高速图像数据采集系统 输入方法，另一种是基于硬件描述语言v h d l 的输入方法。用原理图方式输入 比较直观快捷，适合于规模较为简单的设计，对于电路规模较大、复杂度高的 设计，语言输入方式更具有优越性，它使得设计师能够在更抽象的层次上描述 和把握系统。v h d l 语言作为i e e e 标准设计语言，是电子c a d 技术发展的重 要里程碑，作为一种硬件设计时采用的描述性语言，v h d l 主要用于设计大规 模数字硬件系统。0 0 l 本课题采用p r o t e l 9 9 s e 作为p c b 板的设计工具，选用a l t e r a 公司的 q u a r t u si i 作为可编程逻辑器件的开发工具。q u a r t u si i 是a l t e r a 公司提供 的专用e d a 集成开发工具。它引入了可编程逻辑功率分析和优化套件 p o w e r p l a y 技术，可以详细地估算出静态和动态的功率，提供多层次的原理图 设计流程、h d l 设计流程的综合和优化。 5 应用软件开发工具 选用微软公司功能强大的v i s u a lc + + 作为应用软件的开发工具，选用 m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 7 作为图像处理软件开发的辅助工具。 第三章图像信息的检取 3 1 光源1 第三章图像信息的检取 光源是图像信息的检取系统中的重要环节。多数情况下，目标物的图像信 息是在光源的照明下，经物镜成像在图像传感器的像面上，从而获得图像信息。 而且，光源光谱成分的变化、强度分布的时间变化、入射角度的变化等都会不 同程度的影响图像传感器输出的图像信号。因此，恰当地选择光源是获得理想 图像信号的关键。目前，经常使用的光源包括以下几种：自然光源、钨丝灯光 源、气体放电灯、半导体发光二极管( l e d ) 光源、激光光源等。 照明的主要目标是以合适的方式将光线投射到被测物体上，突出被测特征 部分的对比度。良好的照明系统可以提高整个系统的分辨率，简化软、硬件设 计方案，提高检测效率。照明系统的设计需要考虑因素很多，如光的强度、均 匀度，偏振方向、入射方向；光源的大小与形状漫射与平行入射方式，背景 的特征等。另外还要考虑被测物体的光学特性( 如颜色、光滑度、透明度) 、工 作距离、物体大小、发光器件特征、速度匹配以及信息载入的方式等等。在具 体的应用中要缜密地考虑和选择光源的波长，例如在对胶片等感光材料进行检 测时，为了不伤害胶片的功能表面( 不被曝光) ，光源的波长九须大于9 4 0 n m 。 3 2t c d l 2 0 9 d 及其驱动器 3 2 1 基本结构 日本东芝公司生产的t c d l 2 0 9 d 是一款高速、低暗电流的线阵c c d 器件， 最高驱动频率可达2 0 m h z ，为d i p 2 2 封装形式的双列直插型器件，其外形结构 与管脚定义如图3 - 1 ，管脚说明如表3 - 1 所示。 第三章图像信息的检取 1 2 0 4 8 t o pv i e w ) 表3 - 1t c d l z 0 9 d 管脚说明 管脚号符号 名称 l o s 输出信号 2s s 参考地 3o d电源( + 1 2 v ) 4 。7 ，8 ， 9 ，l o ，l l ， 1 2 1 3 ， n c 无信号( 接地) 1 4 ，1 5 ， 1 6 ，1 9 。 2 0 5m l 时钟信号 6m 2 时钟信号 1 7m 2 b 时钟信号 1 8r s 复位脉冲 2 lc p 缓冲控制脉冲 2 2s h 转移脉冲 图3 - 1t c d l 2 0 9 d 管脚图 图3 - 2 所示为t c d l 2 0 9 d 原理结构图。由图可知，t c d l 2 0 9 d 是单沟道型 线阵器件，只有一个转移栅和一个模拟移位寄存器，目的是为了降低器件的像 敏单元不均匀度和扩大动态范围。其光敏阵列共有2 0 7 5 个光电二极管，其中有 2 7 个光电二极管被遮蔽( 前边d 1 3 d 3 1 和后边的d 3 2 d 3 9 ) ，中间的2 0 4 8 个光电二极管为有效的光敏单元。 0 1 ) 图3 - 2t c d l 2 0 9 d 结构原理 每个光敏单元的尺寸为1 4 p m 1 4 9 m ，相邻两个光敏单元的中心距为 1 4 i j t m 。光敏单元的总长度为2 8 6 m m 。 槲 a 比 毗1 窖妒k 眦 岖 k 髓 翳眦妒撤 懈 眦 k 嗽 第三章图像信息的检取 t c d l 2 0 9 d 的转移栅s h 与光 敏阵列的光积分电极u 。及模拟移 位寄存器的转移电极c r l 构成如 图3 3 所示的交叠结构。这种结构 在转移栅s h 为高电平期间将使光 积分电极u 。在1 个积分周期内积 累的信号电荷通过转移栅并行转移 到模拟移位寄存器的转移电极c r l 中，并且，在转移栅s h 低电平期 图3 - 3 信号电荷向c r l 下势阱转移 间将模拟移位寄存器与光积分电极隔离，同时模拟移位寄存器的转移电极c r i 与c r 2 在2 相驱动脉冲的驱动下进行信号电荷的定向转移。在如图3 5 所示波 形图中，转移栅s h 上所加的脉冲占空比很低( 高电平时间比低电平时间短很 多) 。当s h 为低电平时，转移栅电极下的势阱为浅势阱，对于光敏区u p 下深 势阱来说起到隔离的势垒作用，光敏区u p 下积累的信号电荷不会向c r l 电极 下深势阱中转移。当s h 的电位为高电平时，转移栅电极下形成如图3 5 所示 的深势阱，深势阱使光敏区u p 下的深势阱与c r i 电极下的深势阱沟通。光敏 区u p 下积累的信号电荷将通过转移栅s h 向c r i 电极的深势阱中转移。 转移到c r i 电极势阱中的信号电荷将在驱动脉冲c r i 和c r 2 的作用下作 定向转移( 向左转移) ，最靠近输出端为c r 2 b 电极。当c r 2 b 电极上的电位由 高变低时，信号电荷将从c r 2 b 电极下的势阱通过输出栅转移到输出端的检测 二极管中。 信号输出单元包括检测二极管、复位场效应管与输出放大器等电路。复位 场效应管控制栅上的脉冲为复位脉冲r s 。信号经缓冲控制( c p 电极) 后由输 出放大场效应管的开路源极o s 端输出。 3 2 2 基本工作原理【l 】 t c d l 2 0 9 d 的驱动脉冲波形图如图3 - 6 所示。其中，s h 为转移脉冲、c r l 和c r 2 为驱动脉冲、r s 为复位脉冲，c p 为缓冲控制脉冲。当转移脉冲s h 的 高电平期间驱动脉冲c r l 必须也为高电平，而且必须保证s h 的下降沿也落在 c r l 的高电平上，才能保证光敏区的信号电荷并行地向模拟移位寄存器的c r l 电极里转移。完成信号电荷的并行转移后，s h 变为低电平，光敏区与模拟移 位寄存器被隔离。在光敏区进行光积累的同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲c r l 和c r 2 的作用下，将转移到模拟移位寄存器的c r l 电极里的信号电荷向左转 第三章图像信息的检取 移，在输出端o s 得到被光强调制的序列脉冲输出，即o s 信号。 s h 的周期称为行周期，行周期应大于等于2 0 8 8 个转移脉冲c r l 的周期 t c r l ，才能保证s h 在转移第2 行信号时第1 行信号能全部转移出器件。当s h 由高变低时，o s 端便开始输出序列像元信号。如图3 - 4 所示，o s 端首先输出 1 3 个虚设单元的信号( 虚设单元是没有光电二极管与之对应的c c d 模拟寄存 器的部分) ，然后，输出1 6 个哑元信号( 哑元是指被遮蔽的光电二极管与之对 应的c c d 模拟寄存器的部分产生的信号) ，再输出3 个信号( 这3 个信号可因 光的斜射而产生电荷信号的输出，但这3 个信号不能被作为信号处理) 后才能 输出2 0 4 8 个有效光敏单元信号。有效光敏单元信号输出后，再输出8 个哑元信 号( 其中包括一个用于检测一个周期结束的检测信号) 。 第三章图像信息的检取 蒌彗 1 r b 蜘 a 锄霍? 营 i z ：蕊图蔷 啪z s 薯碧_ 诿蓁 2 攀譬 z s 蚕萋 i s 奠器 “ i t 闺 1 r o c q 裔梦 e 加重音候 8 加舀r 一 磐 型，o o 蓦 9 t