聶海麗 上海鐵路局科研所

基于Camera Link的雙相機高速同步采集系統(tǒng)的研制

聶海麗 上海鐵路局科研所

提出一個基于Camera Link的雙相機高速采集系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的特點和主要硬件組成。通過重點講述雙相機的外觸發(fā)同步采集方式和海量存儲技術(shù)、闡述主要的軟件架構(gòu)和圖像采集、顯示的軟件實現(xiàn)，從而達到利用這些技術(shù)為鐵路的現(xiàn)場檢測帶來新的解決途徑的目的。

Camera Link；同步采集；海量存儲

近年來，隨著電荷耦合元件(CCD)技術(shù)的發(fā)展，圖像的采集與處理技術(shù)逐漸成為鐵路檢測領(lǐng)域的一個重要組成部分。在檢測的過程中，往往采用高頻率、大分辨率的多個CCD相機共同工作來獲取高質(zhì)量的寬幅圖像數(shù)據(jù)。相機常常被安裝在檢測車上，在檢測車高速前進的過程中，相機持續(xù)地、實時地將運動路徑上的圖像拍攝下來,以便事后進行分析和處理。高速的采集會產(chǎn)生高達每秒上百兆的圖像數(shù)據(jù)流,而多個相機的協(xié)作又會引出相機的同步問題，這些都對系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高的要求。為了解決這些難題，本文設(shè)計并開發(fā)了基于Camera Link的雙相機高速同步采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

采集系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩臺高頻率線陣列相機、帶有雙Camera Link接口的采集卡、編碼器、工控機和磁盤陣列存儲器組成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

線陣列相機逐行掃描沿途經(jīng)過的寬幅被測物體，并將采集到的線圖像數(shù)據(jù)通過Camera Link總線接口傳送給圖像采集卡。在采集卡中，完成由線到圖的拼接，并將整幅圖像發(fā)送給工控機。工控機對圖像進行實時處理，并最終存儲到磁盤陣列存儲器中。系統(tǒng)需要編碼器來同步兩個相機的拍攝，編碼器將外觸發(fā)信號通過External Signal接口發(fā)送給采集卡，由采集卡對信號進行整合后發(fā)送給兩個相機，使兩個相機在同一信號觸發(fā)下完成每次拍攝。

該系統(tǒng)的主要特點：

（1）非接觸、可遠距離測量：被測物體距相機的距離可在3~9 m之間，而且是非接觸，特別適合鐵路領(lǐng)域的現(xiàn)場檢測。

（2）無縫拼接：因為相機是線陣列相機，所以沿相機行進方向拍攝下來的圖像可以無扭曲、無變形的無縫拼接，可拼接圖像長度亦不受限制。

（3）海量存儲：高頻率高分辨率的圖像采集意味著會在短時內(nèi)產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)采用了先進的存儲技術(shù)，滿足了鐵路領(lǐng)域長時間進行不間斷檢測的需求。

2 系統(tǒng)的主要硬件組成

2.1 CCD線陣列相機

兩臺相機采用相同型號的線陣列相機，相機分辨率2 k，雙通道模式下最高線掃描頻率36 kHz。程序通過Camera Link串行通訊接口控制相機。編程參數(shù)有增益、偏移、曝光時間、線掃描頻率、觸發(fā)模式和輸出測試模式等。

2.2 采集卡

本系統(tǒng)所使用的采集卡連接兩個獨立的線掃描相機，采樣時鐘頻率達到125 MHz。采集卡采用Camera Link接口，能夠保證圖像實時智能傳輸?shù)絻?nèi)存而不需要CPU干預(yù)。采集卡的其中一個核心部件是ACUPlus，它不間斷地從線陣列相機那里采集圖像數(shù)據(jù)，而作為另一核心部件的DTE，則保證了圖像數(shù)據(jù)在板卡和主機之間的快速、完整傳輸。

2.3 Camera Link總線

Camera Link是一個工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)的連接協(xié)議，旨在簡化CCD和采集卡之間的連接。

比起IEEE 1394總線，Camera link總線具有更強的通用性和靈活性。Camera Link總線具有占用CPU較少，傳輸速率高，I/O同步能力強的優(yōu)點。Camera Link接口可以方便地利用直接存儲器存儲技術(shù)，大大提高了CPU使用效率。這幾年采用千兆以太網(wǎng)的CCD相機也較多，千兆以太網(wǎng)技術(shù)在Optimized模式下占用CPU也較少，但是比起Camera Link來，較低的傳輸速率制約了其在CCD圖像采集領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此對于高分辨率的圖像采集來說,Camera Link接口無疑是最佳的選擇。

3 雙相機的外觸發(fā)同步采集

兩臺相機在內(nèi)觸發(fā)工作模式下，只能按照設(shè)定的線掃描頻率或者曝光時間各自獨立工作，無法實現(xiàn)同步，所以本系統(tǒng)采用外觸發(fā)模式來進行相機的采集控制。在外觸發(fā)模式下圖像采集卡利用如圖2所示的相機接口信號來實現(xiàn)對相機的控制及圖像數(shù)據(jù)的采集操作。

其中EXSYNC為外觸發(fā)讀出信號，是必備信號。當EXSYNC固定接低電平時，相機以最大線速率輸出圖像數(shù)據(jù)；當 EXSYNC正負交替時，它的下降沿觸發(fā)圖像讀出。本系統(tǒng)中，由編碼器產(chǎn)生的外觸發(fā)信號接到由采集卡的J4接口上，該信號通過J4接口傳入采集卡，然后由采集卡產(chǎn)生EXSYNC信號對兩個相機進行同步控制并且改變曝光時間，確保兩臺相機同步采集被測物體的圖像數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對寬幅物體的不同部分的協(xié)同拍攝。

在現(xiàn)場拍攝時，編碼器和相機安裝在同一檢測車上。編碼器與車軸同步旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)的頻率由車速決定，車速越快，編碼器的觸發(fā)頻率越高，線掃描時間就越短。因為車輛在行進時難以保持始終勻速運行，因此不能將曝光時間設(shè)置成最大曝光模式（曝光時間與線掃描時間相同的模式）,因為這樣拍出的圖像必定會有明暗變化，不能達到期望的效果，因此，綜合考慮，選擇如圖3所示的曝光模式。在這種模式下，相機的線掃描速度由外觸發(fā)信號的頻率決定，曝光時間與外觸發(fā)信號的脈寬相同。EXSYNC信號的上升沿決定曝光時間的開始而下降沿決定讀取數(shù)據(jù)的開始。

4 高速圖像采集的海量存儲

在鐵路現(xiàn)場檢測的過程中，往往要將相機安裝在高速行進的車輛上來拍攝沿線的情況。為了能夠使拍攝的圖像達到一定的精度，相機會使用較高的掃描頻率，對于線陣列相機來說，在行車速度達到100 km/h時，如果想要保證1 mm/線的拍攝精度，需要相機的線掃描頻率為27 kHz。如果每個相機橫向的分辨率為2 048，像素灰度值為8位，則兩臺相機每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就高達105 MB，如果僅僅按照傳統(tǒng)的方式存到硬盤上，則在容量上和存儲速度上都很難滿足需求。為此，必須通過一定的技術(shù)手段來解決海量數(shù)據(jù)的存儲問題。

（1）使用 SCSI總線

SCSI總線傳輸速度快,目前并行SCSI接口的最高傳輸速率可以達到320 MB/s，作為一種智能化的系統(tǒng)級接口,該接口具有獨立于物理設(shè)備具體特性的高級命令結(jié)構(gòu),允許多個FO任務(wù)并行操作,具有獨立的I/0處理能力。

（2）使用磁盤陣列

磁盤陣列通過在多個磁盤上同時存儲和讀取數(shù)據(jù)來大幅提高存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。在磁盤陣列中，可以讓很多磁盤驅(qū)動器同時傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動器在邏輯上又是一個磁盤驅(qū)動器，所以使用磁盤陣列可以達到單個磁盤驅(qū)動器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。同時因為磁盤陣列的存儲速度更加接近內(nèi)存的存取速度，亦與高速度的CPU相匹配，從而使整體的工作速度大為提高。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本項目采用Visual C++作為應(yīng)用程序的開發(fā)工具，使用Sepera++作為圖像采集和處理的主要類庫來進行開發(fā)。類庫主要分為基礎(chǔ)類和圖形用戶接口類。基礎(chǔ)類是Sepera++的核心類，包括管理類、通用硬件控制類，專用采集卡類。圖形用戶接口類是一組以MFC對話框類為基礎(chǔ)的類，它們實現(xiàn)了Sepera LT應(yīng)用程序通常要實現(xiàn)的一些基礎(chǔ)功能，為編程提供了一些基礎(chǔ)工作。

5.1 圖像的采集

為了控制相機采集圖像，程序中為每個相機建立了一組Sepera類。這些類相互協(xié)作，共同完成采集任務(wù)。主要包括：SapAcqusition類、SapBuffer類、SapTransfer類。SapAcqusition類負責(zé)控制采集卡的圖像采集。SapBuffer類用來存儲采集的圖像數(shù)據(jù)。一個SapBuffer其實是一個Buffer數(shù)組，用來存儲多幀圖像。SapTransfer類負責(zé)采集圖像的傳輸，將SapAcqusition類采集的圖像傳遞到SapBuffer類的內(nèi)存空間中儲存。

5.2 圖像的顯示

程序中使用SapView類來控制圖像的顯示，SapView類負責(zé)將SapBuffer中的內(nèi)容顯示在Window中。它可以顯示SapBuffer緩存數(shù)組的當前幀，也可以顯示指定幀和下一幀。一個內(nèi)部線程負責(zé)優(yōu)化緩存圖像的實時顯示。SapView類與SapTransfer類的工作一直保持同步，所以緩存中的圖像會實時流暢的顯示出來。

6 結(jié)論

基于Camera Link的雙相機同步采集系統(tǒng)的實現(xiàn)為鐵路領(lǐng)域的現(xiàn)場檢測帶來了新的途徑。高頻率、高分辨率的圖像采集不僅提供了最直觀的現(xiàn)場資料，而且為后期的圖像智能分析與處理提供了基礎(chǔ)。隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)必將在鐵路的檢測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：許耀元 朱挺

來稿日期：2013-05-10