基于Camera Link接口的视频处理系统的设计与实现

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摘 要 针对高分辨率数字图像处理系统的需求，介绍了一种Camera Link数字相机，采用FPGA和双口RAM为核心的硬件架构，实现相机初始化、图像采集、图像处理、视频格式转换等功能。经过实验验证，该设计达到了预定的要求，具有设计灵活，运行可靠等优点。

【关键词】Camera link FPGA LVDS 图像采集

1 引言

随着科技的发展进步，人们对图像分辨率的要求越来越高。为满足市场需求，各种各样的数字图像处理系统应运而生。2000年，Basler、Congnex、National Instruments等13家公司共同推出了Camera Link接口，统一了数字视频接口标准。用Camera link接口传输图像噪声少，传输速度快。

本文以CV-M2CL相机为例，介绍了一种基于camera link接口的图像采集与处理、显示的系统设计方案，并详细说明了部分模块的具体实现方式。

2 CV-M2CL相机功能特性

CV-M2CL相机是JAI公司生产的一款高分辨率相机，输出视频可以选择数字或模拟接口，其中数字接口为Camera Link形式。该相机分辨率为1600×1200，数字视频图像输出分为单通道和双通道，单通道是在一个数据输出全帧图像，速率为17帧/秒；双通道是图像左右两部分分别通过各自的数据通道输出，速率为30帧/秒，单通道和双通道可以通过像素输出模式命令来选择。

本文介绍的成像系统是通过双通道实现视频图像输出。双通道输出是在一个时钟周期内同时输出两个像素数据。双通道输出像素数据时序如图1所示。

3 系统组成、原理和功能

3.1 系统组成

该系统硬件结构由CV-M2CL相机、图像采集、图像实时处理、图像模拟显示、图像存取、图像传输等组成。图像存取与传输通过专用模块将数字视频转换为千兆以太网，通过网络传输在计算机内存取，并做相应处理；而图像实时处理、显示模式转换是通过图像采集处理板实现。系统组成结构框图如图2所示。

3.2系统工作原理

系统上电时，FPGA发送指令对CV-M2CL相机初始化，完成视频输出选择、电子快门等参数设定，然后FPGA把相机的控制权转交到千兆以太网端，以便通过计算机对相机进行调节。相机的双通道视频数字图像传输到图像采集处理板，图像采集处理板对数据进行处理后，转换为模拟图像输出至显视器进行模拟显示，同时把采集图像进行处理后转换为网络差分信号，通过千兆以太网口送给计算机进行存取、显示及相应处理。

3.3系统功能实现

3.3.1数字图像采集

Camera Link接口传输的是LVDS电平的数字图像，而FPGA处理的是TTL电平或者CMOS电平的数字图像，电平格式转换通过图像采集处理板上的DS90CR286芯片实现。

CV-M2CL相机的Camera Link信号包括三个部分：串行通信部分、相机控制部分、视频信号部分及时钟部分。视频信号部分的4对数据差分信号和1对时钟差分信号从Camera Link接口相机传输到DS90CR286后，视频信号以1：7的比例被并行解串，也就是5对LVDS信号通道上分别传输4组LVDS数据信号和1组LVDS时钟信号，即用5对线实现28位数据信号和1位时钟信号的同步传输。

由于该相机采用的是双通道采集，24位视频数据信号包括A、B两个通道各10位的数据，即A通道D0～D9bit，B通道D0～D9bit，其它信号作为备用。在双通道工作时，每行有效期间内包含800×2个像素输出时钟，每行的第1个像素和第1600个像素分别在A、B通道同时输出，第2个像素和第1599个像素也同时输出，依次类推，即B通道图像输出是水平镜像的。双通道的数据都集串在差分信号对上，经过DS90CR286解串后，分布在两个独立的通道上。

这样通过DS90CR286，就把双通道的数据全部解串出来。28位数据信号直接接在FPGA上，由FPGA来控制采集的图像。这28位信号包括24位视频数据信号和4位视频同步信号，4位视频同步信号分别是：FVAL、LVAL、DVAL、SPARE。而转换后的时钟信号，就是后面进行图像处理的时钟信号。相关时序如图3所示。

28位视频信号和1位时钟信号被解串出来送给FPGA以后，就可以进行各种处理。

3.3.2 数字图像传输

数字图像经过实时处理后，要完成数字图像存取、相应处理及显示，需要将图像传输到计算机。由于该相机分辨率为1600×1200，每秒采集30帧图像，像素格式为10位，据此得知每秒的数据流量为576Mbit，这么大的数据量无压缩传输是通过千兆以太网接口完成的，数字传输用专用模块完成。

3.3.3图像模拟显示

为了便于在监视器上观看成像效果，需要将相机输出的数字视频转换成PAL格式的模拟视频。CV-M2CL相机工作于双通道模式，采集速度为30帧/秒，场有效时间为33.2ms，行有效时间为27.3μs，图像分辨率为1600×1200。而PAL制式工作模式下，显示器刷新频率为25帧/秒，场有效时间为18.4ms，行有效时间为64μs，图像分辨率为520×288。两种制式不相同，要实现显示功能，就要进行抽样显示，水平方向每3个像素抽取一个像素，垂直方向每4行抽取1行，按PAL格式取视频中间区域并舍去多余点。

图像采集处理板上设计有双口RAM电路，通过设计相关时序控制完成图像存取。当双口RAM写信号和写片选信号有效，通过写地址把图像暂时存储在双口RAM里；当双口RAM读信号和读片选信号有效，通过读地址把图像从双口RAM中读取到FPGA里。读取的数据传输到DA转换芯片进行数字到模拟的转换，DA显示需要的各种时序信号则是根据PAL制式模拟信号的时序特性，利用图像采集部分转换的时钟信号进行计数或者分频产生。这样就实现了模拟图像显示功能。

3.3.4通信控制

由于CV-M2CL相机默认模式为单通道工作，不满足系统需要，因此在系统上电时，需要对相机进行初始化，相机的实始化通过串口实现。由于相机只有一路串口，上电时完成对相机的初始化，然后将相机串口控制权转交到以太网端，便于用计算机实现远端控制。由于相机的通信格式已经固定，因此可用FPGA设计简易串口来实现相机的初始化及串口控制权的转移。

4 结论

本文通过Camera Link接口和相机连接，从相机获得双通道的实时图像，传输到FPGA中进行各种处理并同时实现模拟图像与数字图像的显示和通信功能的控制。工程应用实践证明，该系统运行稳定、可靠，各项性能指标均能满足设计要求。

参考文献

[1]CV-M2CL and CV-M8CL Operation Manual， Version 2.2， JAI Corporation， Japan.

[2]李宁，汪骏发 基于Camera Link的高速数据采集系统[J].红外月刊，2005（7）.

[3]Ddatasheet of DS90CR285/286 . National Semiconductor，1999.

作者简介

侯志恒（1971-），男，工程硕士，高级工程师，主要研究方向为光电成像探测系统。

郭炳（1982-），男，工学学士，工程师，主要研究方向为图像处理、高分辨率的数字相机。

作者单位

中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047