專利名稱：一種tfds新型圖像采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種TFDS新型圖像采集裝置。
背景技術(shù)：
TFDS(貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng))設(shè)備是貨車運(yùn)行故障的重要檢測設(shè)備。它集圖像采集、計算機(jī)和通訊技術(shù)為一體，是“5T”設(shè)備中的重要運(yùn)用安全檢測設(shè)備。TFDS線掃描設(shè)備的優(yōu)勢之一就是以線陣采圖方式代替面陣采圖。線陣帶給我們直觀的利益就是方便盡可能精確定位截圖，因為圖片和車輛部位一一對應(yīng)是TFDS系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。圖像作為信息載體，是TFDS系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的元素，所以對于前端圖像采集裝置各方面性能的要求都必須嚴(yán)格。目前TFDS線掃描設(shè)備采用市場上傳統(tǒng)的線陣攝像機(jī)作為前端圖像采集裝置。TFDS線掃描設(shè)備圖像采集系統(tǒng)由前端圖像采集裝置、圖像數(shù)據(jù)處理計算機(jī)、服務(wù)器，3個部分組成。雖然TFDS線掃描設(shè)備的圖像采集系統(tǒng)在很大程度上滿足快速列車在線檢測的要求，但是在使用的過程中，發(fā)現(xiàn)TFDS線掃描設(shè)備圖像采集系統(tǒng)還是存在著諸多的不足和局限性，具體表現(xiàn)在以下幾個方面a前端圖像采集設(shè)備使用的是市場上傳統(tǒng)的工業(yè)攝像機(jī)，增加二次開發(fā)的難度、靈活性不高。b傳統(tǒng)工業(yè)攝像機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)很大，對于TFDS線掃描設(shè)備系統(tǒng)來說并沒有什么實際的使用意義，那么就必須增加圖像數(shù)據(jù)處理計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，因此增加了硬件成本和TFDS先掃描設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性。c由于軟件壓縮算法和計算機(jī)內(nèi)存的局限性，高速列車在線檢測的情況下容易造成圖像處理計算機(jī)故障。d前端圖像采集裝置和軌邊探測站之間有一定的距離，而傳統(tǒng)工業(yè)攝像機(jī)的輸出的原始圖像數(shù)據(jù)很大，不利于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。e沒有反饋所拍攝的線數(shù)和線號，不利于定位截圖?，F(xiàn)有的方式是通過記錄控制計算機(jī)所發(fā)送的脈沖數(shù)來確定定位截圖所需要的信息，這樣容易造成丟圖或定位截圖不準(zhǔn)的風(fēng)險。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決上述問題，提出一種TFDS新型圖像采集裝置，采用了高度集成方式通過JPEG硬件壓縮核使圖像采集和壓縮集為一體，達(dá)到了減少硬件成本的效果，具有便捷、性能優(yōu)異、可靠的優(yōu)勢，和提高TFDS線掃描設(shè)備系統(tǒng)質(zhì)量的意義。一種TFDS新型圖像采集裝置，包括圖像傳感器、CPU、JPEG硬件壓縮核、DDR3控制器、傳感器驅(qū)動電路、以太網(wǎng)PHY及RJ45接口、電源模塊和GPIO模塊；圖像傳感器捕獲影像信息，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，將圖像信息發(fā)送給CPU;傳感器驅(qū)動電路對圖像傳感器的模擬信號進(jìn)行增益放大、差分信號到單端信號轉(zhuǎn)換，輸出用戶需求的圖像數(shù)字信號；GPIO模塊接收計算機(jī)應(yīng)用程序發(fā)出的觸發(fā)信號，通知裝置記錄當(dāng)前所拍攝圖像信息的線號；CPU據(jù)圖像傳感器獲取的當(dāng)前圖像信息，自動控制曝光時間和增益值，對圖像信息進(jìn)行處理，將當(dāng)前圖像對應(yīng)的拍攝線號存入圖像數(shù)據(jù)中，得到的圖像數(shù)據(jù)輸出至JPEG壓縮核JPEG壓縮核按jpg格式對CPU得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時壓縮；DDR3 控制器對壓縮后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；以太網(wǎng)PHY及RJ45接口將DDR3控制器存儲的圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序通過以太網(wǎng)PHY及RJ45接口給CPU發(fā)送控制指令； 電源模塊連接傳感器驅(qū)動電路、以太網(wǎng)PHY及RJ45接口、GPIO模塊，電源模塊接收外部電流輸入，為裝置提供電源。本實用新型的優(yōu)點在于(1)大分辨率前端視頻和數(shù)據(jù)圖像采集，保證信息的可靠性和實用性。(2)圖像處理方面以硬件壓縮的方式代替軟件壓縮的方式，提高圖像處理的速度、 降低外部應(yīng)用程序的操控數(shù)據(jù)量，有助于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和快捷性等。(3)結(jié)構(gòu)巧小，耗能低。(4)把圖像采集和壓縮合為一體，一定程度上減少了硬件的成本。(5)可根據(jù)需要迅時反饋當(dāng)前拍攝的線號，有助于精確定位截圖。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的效果對比圖；圖中1-圖像傳感器，2-CPU，3-JPEG硬件壓縮核，4-DDR3控制器，5_傳感器驅(qū)動電路， 6-以太網(wǎng)PHY及RJ45接口，7-電源模塊，8-GPI0模塊。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實用新型是一種TFDS新型圖像采集裝置，如圖1所示，包括圖像傳感器1、CPU2、 JPEG硬件壓縮核3、DDR3控制器4、傳感器驅(qū)動電路5、以太網(wǎng)PHY及RJ45接口 6、電源模塊 7和GPIO模塊8。圖像傳感器1用來捕獲影像信息，采用CMOS傳感器；圖像傳感器1中包括感光二極管、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，感光二極管接受光照，產(chǎn)生模擬的電信號，電信號由放大器放大，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬電信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號，圖像傳感器1將數(shù)字信號傳輸給CPU2。本實用新型中圖像傳感器1作為大分辨率前端視頻和數(shù)據(jù)圖像采集，保證信息的可靠性和實用性。傳感器驅(qū)動電路5處理由圖像傳感器1輸入的原始模擬信號，對模擬信號進(jìn)行增益放大、差分信號到單端信號轉(zhuǎn)換，最后輸出用戶需求的圖像數(shù)字信號，基于FPGA設(shè)計的傳感器驅(qū)動電路5是可再編程的，與傳統(tǒng)的方法相比，其優(yōu)點是集成度高、速度快、可靠性好。若要改變傳感器驅(qū)動電路5的時序，增減某些功能，僅需要對器件重新編程即可，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，即可實現(xiàn)驅(qū)動電路的更新?lián)Q代。所提到的應(yīng)用程序是指與采集裝置連接的計算機(jī)上的軟件，用于獲取裝置采到
4的每一幀圖像。GPIO模塊8接收應(yīng)用程序發(fā)出的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的作用通知裝置中CPU2記錄當(dāng)前所拍攝的線號，并把這個值整合(jpg頭文件中)到圖像數(shù)據(jù)中。GPIO模塊8輸入輸出采用光耦隔離，輸出采用OC門(即三極管集電極開路輸出)輸出，GPIO模塊8輸入輸出地線同該圖像采集裝置供電電源地線完全隔離，可靠保證外圍設(shè)備工作狀態(tài)以及電壓波動等異常情況不會對相機(jī)產(chǎn)生影響。CPU2采用基于超大規(guī)模可編程邏輯器件的SOC芯片，CPU2進(jìn)行圖像處理，根據(jù)圖像傳感器1獲取的當(dāng)前圖像信息，自動控制曝光時間和增益值，對圖像信息進(jìn)行處理，將當(dāng)前圖像對應(yīng)的拍攝線號存入圖像數(shù)據(jù)中，此時，得到的圖像數(shù)據(jù)輸出至JPEG壓縮核3。JPEG壓縮核3按jpg格式對CPU2得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時壓縮，本實用新型是以車輛速度來作為拍攝依據(jù)的，所以在高速列車在線檢測時，圖像數(shù)據(jù)壓縮速度就顯得極為重要。JPEG壓縮核3采用硬件電路完成，所有數(shù)據(jù)處理采用并行方式，相比傳統(tǒng)的穿行軟件壓縮方式，在處理速度(是軟件壓縮5 10倍)和壓縮時間延遲方面有極大的提高，如圖 2所示。DDR3控制器4對壓縮后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，DDR3控制器4最大支持2(ibit DDR3SDRAM,最大數(shù)據(jù)傳輸速率1066Mbps，實現(xiàn)高效的存儲技術(shù)，提高CPU性能。以太網(wǎng)PHY及RJ45接口 6用于與應(yīng)用程序進(jìn)行通訊，以太網(wǎng)PHY及RJ45接口 6 就是網(wǎng)絡(luò)接口，將DDR3控制器4存儲的圖像數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用程序。應(yīng)用程序通過以太網(wǎng) PHY及RJ45接口 6給CPU2是發(fā)送控制指令(如開、關(guān)機(jī)等)。以太網(wǎng)PHY及RJ45接口 6 采用高性能工業(yè)級以太網(wǎng)PHY，無差錯可靠傳輸距離超過100米。RJ45接口集成變壓器和 LED。RJ45為網(wǎng)口接線的類型，根據(jù)線的排序不同的法有兩種，一種是橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、綠、棕白、棕；另一種是綠白、綠、橙白、藍(lán)、藍(lán)白、橙、棕白、棕。電源模塊7接收外部電流輸入，為裝置提供電能。電源模塊7連接傳感器驅(qū)動電路5，以太網(wǎng)PHY及RJ45接口 6，GPIO模塊8。由于采用超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷鋬?nèi)核電壓需要交大電流支持，在圖像處理中對電源紋波及穩(wěn)定性要求較高，雖然使用LDO其紋波和穩(wěn)定性會增加，但其效率較低，且在大電流情況下發(fā)熱量過大，需增加散熱片，因此LDO 不適合于在體積較小攝像機(jī)內(nèi)部使用，而效率高的且在大電流情況下不會有交大熱量產(chǎn)生的DC/DC電源是最佳方案。本發(fā)明中CMOS傳感器與CXD相比，CMOS影像傳感器的優(yōu)點在于1.電源消耗量比C⑶低，C⑶為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一像素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3. 3V的電源即可驅(qū)動，電源消耗量比CCD 低。2.與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號處理器整合在一起，使體積大幅縮小， 例如，CMOS影像傳感器只需一組電源，CXD卻需三或四組電源，由于ADC與訊號處理器的制程與CCD不同，要縮小CCD套件的體積很困難。3.電子、電壓轉(zhuǎn)換率標(biāo)識每個信號電子轉(zhuǎn)換為電壓信號的大小。由于CMOS圖像傳感器在像元中采用高增益低功耗互補(bǔ)放大器結(jié)構(gòu)，其電壓傳喚率要優(yōu)優(yōu)于CCD圖像傳感[0038]4.高幀攝像時選用CMOS攝像機(jī)更佳。CXD在工作時，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，每個專用通道中的電荷全部經(jīng)過一個"放大器"進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變。因此，這個"放大器"就成為了制約圖像處理速度的瓶頸。所有電荷由單一通道輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時就容易發(fā)生信號擁堵。而像素越高，需要傳輸和處理的數(shù)據(jù)也就越多，使用單CCD無法滿足高速讀取大量高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，因此處理非?？?。這個優(yōu)點使得CMOS傳感器對于高幀攝像機(jī)非常有用，速度能達(dá)到400到2000幀/秒。所以對于高速攝像場所，選用CMOS攝像機(jī)效果更佳。本實用新型采用了高度集成方式通過JPEG硬件壓縮核使圖像采集和壓縮集為一體，達(dá)到了減少硬件成本的效果，具有便捷、性能優(yōu)異、可靠的優(yōu)勢，和提高TFDS線掃描設(shè)備系統(tǒng)質(zhì)量的意義。
權(quán)利要求1.一種TFDS新型圖像采集裝置，其特征在于，包括圖像傳感器、CPU、JPEG硬件壓縮核、 DDR3控制器、傳感器驅(qū)動電路、以太網(wǎng)PHY及RJ45接口、電源模塊和GPIO模塊；圖像傳感器捕獲影像信息，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，將圖像信息發(fā)送給CPU;傳感器驅(qū)動電路對圖像傳感器的模擬信號進(jìn)行增益放大、差分信號到單端信號轉(zhuǎn)換，輸出用戶需求的圖像數(shù)字信號；GPIO模塊接收計算機(jī)應(yīng)用程序發(fā)出的觸發(fā)信號，通知裝置記錄當(dāng)前所拍攝圖像信息的線號；CPU據(jù)圖像傳感器獲取的當(dāng)前圖像信息，自動控制曝光時間和增益值，對圖像信息進(jìn)行處理，將當(dāng)前圖像對應(yīng)的拍攝線號存入圖像數(shù)據(jù)中，得到的圖像數(shù)據(jù)輸出至JPEG壓縮核JPEG壓縮核按jpg格式對CPU得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時壓縮；DDR3控制器對壓縮后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；以太網(wǎng)PHY及RJ45接口將DDR3控制器存儲的圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序通過以太網(wǎng)PHY及RJ45接口給CPU發(fā)送控制指令；電源模塊連接傳感器驅(qū)動電路、以太網(wǎng)PHY及RJ45接口、GPIO模塊，電源模塊接收外部電流輸入，為裝置提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TFDS新型圖像采集裝置，其特征在于，所述的圖像傳感器采用CMOS傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TFDS新型圖像采集裝置，其特征在于，所述的以太網(wǎng) PHY及RJ45接口采用高性能工業(yè)級以太網(wǎng)PHY。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TFDS新型圖像采集裝置，其特征在于，所述的GPIO模塊的輸入輸出采用光耦隔離，輸出采用三極管集電極開路輸出，GPIO模塊輸入輸出地線與圖像采集裝置電源地線隔離。
專利摘要本實用新型公開了一種TFDS新型圖像采集裝置，包括圖像傳感器、CPU、JPEG硬件壓縮核、DDR3控制器、傳感器驅(qū)動電路、網(wǎng)絡(luò)接口、電源模塊和GPIO模塊；圖像傳感器捕獲影像信息，GPIO模塊接收計算機(jī)應(yīng)用程序發(fā)出的觸發(fā)信號，CPU據(jù)圖像傳感器獲取的當(dāng)前圖像信息，對圖像信息進(jìn)行處理，將當(dāng)前圖像對應(yīng)的拍攝線號存入圖像數(shù)據(jù)中；JPEG壓縮核對CPU得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時壓縮；DDR3控制器對壓縮后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；網(wǎng)絡(luò)接口將DDR3控制器存儲的圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)應(yīng)用程序。本實用新型以硬件壓縮的方式代替軟件壓縮的方式，提高圖像處理的速度，有助于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和快捷性。
文檔編號G01M17/08GK202077149SQ20112021442
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者劉慶慶, 張益 , 李俠, 趙新國, 韓濤 申請人:北京康拓紅外技術(shù)有限公司