機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺作為人類視覺與大腦的延伸，是衡量現代工業自動化程度的標志之一。近年來，隨著計算機技術尤其是多媒體技術和數字圖像處理及分析理論的成熟，以及大規模集成電路的迅速發展，機器視覺技術得到了廣泛的應用研究，取得了巨大的經濟與社會效益。

機器視覺系統主要由3部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。本文介紹了基于FPGA的一種機器視覺系統，該系統采用Gige Vision攝像機來獲取圖像，在FPGA中采用了Gige Vision IP核，根據TCP／IP傳送協議實現了FPGA與PC機的數據通訊。

1 FPGA實現機器視覺的優勢

隨著機器視覺系統應用中分辨率的提高和壓縮算法的進步，對系統性能和構架靈活性提出了更高的要求，以實現系統的快速更新。可選擇的系統構架包括標準單元ASIC，ASSP以及各種可編程解決方案，如數字信號處理器（DSP）或媒體處理器和FPGA。每種構架都具有各自的優缺點，最終選擇取決于終端設備要求和解決方案的可用性。理想構架應具有以下特點：高性能、靈活性、易升級性、低開發成本以及具有隨著應用成熟和產量增加向更低成本遷移的能力。FPGA具有并行運算、反復使用、大量可使用的軟核的優勢，是實現機器視覺理想構架的合理選擇。

FPGA是小批量系統提高集成度、可靠性的最佳選擇之一。隨著VLSI工藝的不斷提高，單一芯片內部已可以容納上百萬個晶體管，這使得FPGA芯片所能實現的功能也越來越強，同時也可以實現系統集成。

FPGA有大量軟核，可以方便進行二次開發。FPGA甚至包含單片機和DSP軟核，并且IO數僅受FPGA自身IO限制，所以，FPGA又是單片機和DSP的超集。也就是說，單片機和DSP能實現的功能，FPGA一般都能實現。在SoC設計中，基于FPGA器件設計工藝的發展使得越來越多的功能集成到一個芯片成為可能。為實現這一目標，有一種非常實用的SoC設計方法，稱為基于核的設計，它將系統的功能劃分為不同的核。采用IP（Intellectual Property）核來完成特定的設計功能。本文就是采用了Gige Vision的IP核來完成主要部分設計的。

2 機器視覺系統設計

2．1 設計原理

系統原理框圖如圖1所示。

這個解決方案基于Xilinx低功耗低成本的Spartan 3E FPGA芯片上實現，它提供了整合CameraLink，Gige Vision IP，千兆以太網MAC的平臺和可選的Visual Applets軟件。

2．2 視頻輸入模塊

在ITS及安防行業，現在主要使用的是模擬攝像機，也有部分廠家推出了網絡攝像機（Pcamera）。GigeVision攝像機與他們之間的對比如表1所示。

從以上的對比表可以看出，Gige Vision攝像機的主要優點是：

（1）逐行掃描；

（2）高清晰，緩高分辨率達到4百萬像素；

（3）幀率高：最高幀率達到200 f／s；

（4）數據未經壓縮，無損失；

（5）可以根據需要輸出部分掃描數據；

（6）可以通過軟件自動改變攝像機參數，適應變化的現場環境；

（7）后期應用開發方便。

基于Gige Vision攝像機的優點，本系統采用GigeVision攝像機。

2．3 FPGA中使用的模塊

FPGA中使用Camera Link來進行與相機的互連。Camera Link是一個應用于高端機器視覺的強大的數據通道。它使用一個專門的電纜連接和標準化的通信協議。Camera Link支持大量的數據和高數據傳輸率，適合今天的圖像數據傳輸的要求。

在系統中Xilinx FPGA中使用的Gige Vision是一種由AIA（Automated Imaging AsSoCiation）開發的相機接口標準。這是一項開放性的標準，它能讓來自不同廠家的攝像機與應用軟件通過吉比特以太網實現相互間的無間合作。Gige Vision使用了一個標準的千兆以太網連接同其高帶寬（1 Gb／s）實現了未經壓縮圖像和數據的實時傳輸。使用Gige Vision IP是實現高性能機器視覺應用的理想解決方案。一個吉比特以太網相機使用Camera Link與Gige Vision相連。

Gige Vision是一種實現單／多相機與單／多計算機相連接進行數據集中和分布式處理的理想標準。使用標準千兆以太網允許使用標準電纜和連接器，從而降低材料費和整合成本以及后續增長以太網帶寬的可擴展性。

本方案中使用的Gige Vision IP核是根據的GigeVision規范1．0版的Gige Vision數據流協議的硬件實現。它是由Xilinx的合作伙伴Feith Sensor-to-Image。GmhH發開的。因為通過硬件來實現數據流通道可以達到千兆以太網的最大吞吐量。IP核的結構如圖2所示。

Gige Vision的核心由內存控制器、吉比特以太網MAC、控制微處理器和一個視頻處理單元組成。

Gige Vision核提供了吉比特以太網MAC接入系統的其余部分，處理Gige Vision數據流通道，對GigeVision通道再發送申請包進行解碼，并提供一個嵌入式CPU的網絡接口。CPU處理了除Gige Vision數據流控制以外的所有網絡協議。內存控制器作為特殊的視頻幀緩沖區，它不是緩沖輸入的視頻幀，而是把它們分成可供網絡傳輸和實現Gige Vision數據流協議的部分處理包重發送功能的較小區域。

FPGA中與計算機相連的部分使用的是FingerLakes Engineering為Xilinx開發的Phantom TriMode MAC IP核。它與Gige Vision IP核集成在一起，充分應用1 Gb／x Rx／Tx速率，支持IPv4，IPv6，Jumbo Packet和MDIO。Phantom核具有獨特的重新計時路徑，從而能降低時鐘緩沖器計數值同時簡化核的集成度，對于低成本的Spartan器件和高性能的Virtex構架都是理想的選擇。

2．4 主機接口設計

本方案中使用吉比特以太網與計算機連接，計算機上需安裝Visual Applets軟件。

Visual Applets是由Silicon Software開發的一款軟件，可完全兼容Xilinx的FPGA。Visual Applets完成了一個極其強大、靈活、快速和優化的Gige Vision開發平臺，它使不熟悉FPGA的機器視覺專家也能簡單地操作這個系統。

Silicon Software開發的Visual Applets為最先進的FPGA設計工具，經由易學易用的圖形接口，可以開發出圖像處理專用的FPGA confi guration，即所謂的applet。

借由Visual Applets可以：

（1）使影像卡變成一個高效能的影像處理器；

（2）現代FPGA的潛能可由任何使用者自行發揮；

（3）影像處理的解決方案可在數分鐘內完成；

（4）達成硬件階層的快速開發。

使用Visual Applets，不必擁有較深的硬件知識，如數字電路、時間分析、FPGA硬件設計語言。使用VisuaI Applets只要將各個處理模塊之問作鏈接，各種鏈接的兼容性可實時顯示，各模塊間能以不同的位相關系作鏈接，同時也能評估系統需求資源與數據帶寬分析，甚至于分析每個模塊連接點之間的流量，快速找到設計瓶頸。設計完成后，產生編譯檔只要幾分鐘的時間，期間不需要任何人工動作，Applet可立即在microDisplay中使用并進行參數設定，同時也會自動產生一個Visual C++ SDK project。

3 結語

本文根據以FPGA芯片為核心設計了一種通用的機器視覺系統，可以應用到產品生產線、車輛智能監控管理等各種場合。采用最新的高性能視覺標準和國際知名大公司開發的IP核以及主機Visual Applets軟件的使用極大地提升了系統的性能、可靠性。