[摘 要]随着智能设备的发展和图像处理技术的进步，视觉采集系统已成为测量、监控、自动化等领域一种重要的信息获取手段。本课题分析了主流视觉采集系统架构。通过比较各模块实现过程及性能优劣，最终设计一款以CMOS图像传感器作为成像设备，FPGA作为视觉处理部分和千兆以太网作为数据传输方式的视觉系统。
　　[关键词]视觉系统；以太网；传感器
　　中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）11-0093-01
　　0 前言
　　在人类生活中，“眼睛”作为人类直接获取信息的五感之一，人们通过“眼睛”实现对外界客观事物表象的获取。凭借视觉所获得的图像信息含有丰富的客观事实，大脑根据图像所呈现的外貌加以分析，并做出客观反应，利用视觉的处理机制不在无时无刻的指导着人类的生活作息。随着社会的进步和科学的发展，为了响应人类更好的获取图像信息，通过人眼成像原理发明了图像采集设备。人们根据大脑对图像的分析和处理机制， 發明了专用图像处理系统。历经数十载成像技术和图像分析技术的研究应用，已对社会的进步产生了巨大的贡献。本课题结合以上行业背景和社会需求，研制了一款采用FPGA芯片作为主控芯片，千兆以太网传输方式的视觉处理系统，为后期的图像处理带来最佳体验，形成产品竞争力。
　　1 系统总体设计框架及原理
　　目前主流系统的图像处理系统架构如图1所示。
　　整个图像处理系统主要包括成像设备、图像采集模块电路、微处理器、图像传输模块和显示模块。成像设备一方面输出图像数字信号，另一方面通过图像处理系统下位机进行寄存器配置和输出数据模式变换。微处理器作为成像输出和显示控制之间的核心器件，它的选择对系统的开发、成本和性能有着至关重要的影响。传输模块提供下位机与上位机之间的数据通信和输出控制，选择不同的通信方式对系统的应用场合有着决定性的影响。下面将对三方面进行分析和比较。
　　1.1 CMOS与CCD图像传感器分析
　　CCD图像传感器与CMOS图像传感器均由硅材料制作而成。它们在实现光电转换的过程中，其性能主要有量子效率和光谱响应特性等决定，CCD图像传感器和CMOS图像传感器在这些参数方面几乎相同。它们最大的不同在于两者所生成光生电荷的转移、存储和输出方式，这些不同决定了成像质量和输出帧频等性能。CMOS图像传感器和CCD图像传感器的性能对比，通过比对我们可以看出：CMOS图像传感器在采集帧频、成本以及模块体积方面都优于CCD图像传感器，而CCD图像传感器在信噪比和动态范围等方面优于CMOS图像传感器。
　　1.2 微控制器的分析与比较
　　在视觉处理系统中，微控制器作为时序和逻辑控制的核心，其性能影响着整个输出图像的优劣。
　　（1）专用集成电路
　　专用集成电路作为一种根据系统需求而设计、定制的数字组合电路，它采用更少的外部组件能保障更强的可靠性，同时也具备更好的保密性及更强的系统性能。专用集成电路研发制作周期较长、系统灵活性差等缺点。
　　（2）数字信号处理器
　　数字信号处理器是一种具有独立数据总线和程序总线的哈佛结构的处理芯片。由于其数据存取和地址存取是分开的，这样提高了存储速度，大大地提高了数据处理的能力，非常适合数字信号处理。然而，数字信号处理器其采用哈佛结构的指令执行方式，无法满足并行处理图像数据的能力，在系统实时性能上较差。
　　（3）现场可编程门阵列
　　FPGA的结构种类非常丰富，完善的速度也非常快。它是在集成电路芯片PAL、GAL、CPLD等可编程器件上进步发展而来的，作为一种半定制的电路[34]。FPGA采用CMOS工艺，可以与CMOS电平和TTL电平实现兼容，如此在开发过程中减小了开发的复杂性和系统的体积。
　　1.3 传输方式分析与比较
　　表1为常用传输总线的主要性能对比，在传输速度方面以太网和PCI 接口是最快的，但以太网在能连接的设备数目以及传输距离这两方面的性能是其他接口无法比拟的。
　　2 结论
　　基于FPGA芯片高速、集成度高、编程灵活等特点，采用硬件描述语言Verilog HDL进行编程设计，能够实现连续的数据流采集，同时将所需的图像数据进行存储，保证数据的完整性和不间断性。采用Cyclone IV系列的FPGA作为核心控制器件，可以实现很好的视频数据进行捕捉，提取其有限帧图像作为处理对象进行处理和存储，整个系统的设计的框图如图2所示。
　　系统总共由主要由系统控制部分、电源部分、成像部分、存储部分、数据传输部分和上位机六大部分构成。