基于USB2.0的数字图像处理系统

陈亚梅

摘要：本文是利用USB2.0芯片CY7C68013和图像传感器OV9650实现图像采集的硬件电路，在Windows 2000下编写驱动程序实现数字图像的采集，然后在VC++6.0开发环境下利用Intel的机器视觉库实现数字图像的处理与检测。

关键词：USB2.0、OV9650、数字图像处理

为了实现工业检测自动化，减轻由人工检测元器件的劳动强度，可以将数字图像处理系统应用于大批量生产过程中的检测与辨识，如：零件装配完整性，装配尺寸精度，零件加工精度，位置/角度测量等。其应用如：对汽车仪表盘加工精度的检查，胶囊生产中对胶囊壁厚和外观缺陷的检查，食品包装上面对生产日期的辨识，等等。

鉴于工程需要，要对一些元器件的外径进行测量，精度和速度要求不是很高，传统的基于PC的机器视觉系统用视频采集卡对视频信号进行采集，但是由于这种方案板卡成本太高，鉴于经济方面和开发周期的考虑，本文采用USB2.0接口的芯片CY7C68013与PC机实现了高分辨率、快速、全数字图像的实时采集系统，然后利用实时采集到的图像对元器件的外径进行测量。

一、数字图像的实时采集原理

数字图像的实时采集原理如图1所示。在采集速度满足的前提下，选取图像分辨率相对较高的图像芯片，根据项目和研究需要，在此选择了Omnivision technologies公司的OV9650芯片作为图像采集芯片，CMOS 彩色图像传感器OV9650将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能，能够消除噪声、灯光闪烁等光电干 扰，输出清晰、稳定的彩色图像。OV9650的功能特点包括：单芯片1/4寸镜头，最大1280×1024像素分辨；标准SCCB接口；开窗功能，局部图像输出；输出RGB/RawRGB/YCbCr视频信号；自动曝光控制/自动白平衡/自动增益控制/自动亮度控制；图像质量控制，包括颜色饱和 度、锐度、伽马校正等。

为了取得好的图像，镜头和光源系统是至关重要的，鉴于项目的需要，选用Computar工业自动化（FA）镜头0814-MP，焦距：8mm；工作距离：100mm-300mm；低变形率（低于1.0%），光源在日常光照下即可。

数字图像实时采集与传输模块，采用了Cypress公司的CY7C68013的USB2.0接口芯片，该芯片的主要特点是在一块芯片上集成了USB2.0内核和引擎、一个增强型的51系列微处理器，及可编程外围接口芯片，提供了高效率的时序解决方案，在这种有独创性的结构下，仍然使用低价位的51系列的微处理器，其数据传输速度可以达到56MB/s，可以提供USB2.0的最大带宽。因此，本系统的CPU控制和USB2.0接口芯片选择了上述芯片。图像传感器芯片（OV9650）工作在24MHZ频率下，在 CY7C68013內部程序控制下，通过CY7C68013的FIFO缓冲区以及USB电缆线传送到PC机上。

二、图像采集系统的实现

（一）硬件系统实现原理

硬件系统的连接原理，图像采集处理芯片用 OV9650，时钟频率为24MHz，像素时钟为24MHz；CPU控制和USB2.0接口芯片用CY7C68013，时钟频率为24MHz， 通过对CY7C68013内部的CPUCS寄存器进行修改，使其工作在24MHz方式下。将OV9650的像素时钟PCLK接到CY7C68013的IFCLK上； OV9650的HREF、VSYNC分别接到CY7C68013的RDY0、RDY1上；将OV9650的VSYNC分别接到CY7C68013的INT0上。将CY7C68013的PA1、PA2接在OV9650的SCCB的接口上。因为OV9650芯片的控制接口采用SCCB协议，与I2C相似，但却有些小的差别，所以用PA1和PA2两个IO口来模拟SCCB BUS时序，完成对图像芯片的初始化、显示窗口大小、数据格式、显示帧数等工作。

（二）固件程序设计

从程序到USB2.0芯片初始化到初始化图像传感器OV9650到开启中断判定有无中断，如中断及转入中断处理程序如无中断再重新判定。

固件程序：

（1） USB2.0芯片的初始化程序，通过对CPUCS 寄存器进行设定，工作在频率24MHz下，对USBCS寄存器设定，使其USB内核工作在 USB2.0方式下，同时通过对IFCONFIG寄存器设定，使其工作在通用编程接口方式下，控制端点0用来传输用户命令，图像传感器的初始化程序，通过对图像芯片进行初始化、显示窗口大小、数据格式、显示帧数等参数。

（2） 通用编程接口程序，利用GPIF Designer工具软件设计，然后导出GPIF接口程序。

（3） USB2.0批量传输程序设计，本段程序主要完成USB2.0的批量传输功能，利用批量传输和中断方法完成大批量图像数据的实时传输。

（三）系统软件的设计

1.USB2.0驱动与接口程序

利用通用驱动程序源码，在此基础上进行修改然后在Win2000的DDK下重新编译，再利用VC++6.0对驱动程序的操作函数进行封装，这样应用程序的可以像调用其他的函数一样去调用函数来完成USB接口的初始化、读取整帧图像、CMOS寄存器设置等等。

系统程序主要有以下几个模块组成：

（1） USB2.0初始化模块

首先将图像采集的硬件设备通过USB电缆连接到PC上，然后利用写好的函数探测USB2.0设备，进而初始化各种变量，分配内存。

（2） 图像传感器器设置模块

通过USB2.0设备的端点0对图像芯片的窗口大小、数据格式、显示帧数等进行初始化。

（3） 数字图像采集模块

利用USB的批量传输技术和终端技术实现图像数据的实时采集，然后可以将采集到的图像进行处理和显示。

（4） 数字图像显示模块

利用VC6.0技术实现图像实时显示。

（5） 图像检测处理模块

通过网络下载开放源代码的机器视觉库OpenCV，利用其中的图像处理函数实现元器件的外径测量，详细描述参考图像处理与检测部分。

（6） 数据存储模块

通过运用各种算法对图象数据进行处理运算， 计算出待检测元器件的外径参数， 最后与预置的标准尺寸相比较判断其是否合格，然后将检测结果计算机存储到数据库系统，并自动统计生成报表。

三、图像处理与检测

开放源代码的计算机视觉类库，主要包括以下部分

（1） CXCORE 定义基本的数据结构和操作函数；

（2） CV包含了几乎所有涉及到的图像处理函数；

（3） HighGUI包括图像显示、保存部分。

四、结论

通过系统调试实验，利用USB2.0图像采集系统可以实时地获取图像数据，采集速率为1～12帧/秒，基本可以满足实时检测需要，然后利用Intel的开放源代码的机器视觉库，可以对采集到的图像进行实时地处理，然后将处理结果存入检测数据库。

此系统还需进一步改进，如图像处理方面的进一步应用、提高对高速运动物体的检测性能等等。

参考文献

[1]《图像处理、分析与机器视觉》兴军亮译 清华大学出版社 2016年06月

[2]《计算机视觉特征提取与图像处理》艾海舟译 电子工业出版社 2014年11月

[3]《USB 2.0设备的设计与开发》 边海龙，贾少华 人民邮电出版社2011年10月endprint