多功能四路GigE Vision同步记录设备的设计

1.概述
本设备为一款嵌入式GigE Vsion接口相机的四路同步记录、实时预览、同步回放、网络传输、图像预处理、图像处理等多功能设备。其设计之目的,在于满足下面的应用:
应用方案一:如下图所示,支持四路GigE Vision相机图像的同步记录、实时预览、同步回放、网络传输 。记录的数据格式可以是原始数据或压缩数据,压缩算法标准支持H.264、MJPEG、JPEG等,并为每路摄像机提供同步触发信号,以及接受外部传感器触发信号 ,支持面阵和线阵摄像机 。每路均有一枚性能强大的支持浮点定点运算的高清多媒体数字视频处理器(DSP),可供用户植入特定的图像预处理算法,甚至特定应用的机器视觉算法。图像压缩并不占用DSP资源。
应用方案二:如下图所示,网络应用,基于Gige Vision Recorder组成一个工作站,每个工作站完成四路GigE Vision相机的同步预录、记录、实时预览、同步回放 、图像预处理 、图像分析处理等功能 ,然后通过GigE网络将图像数据传至中央处理计算机系统。每个工作站工作状态受控于中央处理计算机。
本设备的意义在于:
  1. GigE Vision相机是基于GigE网络,所以,如果多个相机应用时,这些相机会共享一个1G带宽,因此降低了计算机获得图像的帧率或分辨率,为了解决这个问题,从而又出现了多网口的GigE Vision帧捕捉卡(而本来GigE Vision的一个优势就是取消帧捕捉卡)。本设备多路图像的同步预录、记录及预处理功能,完全取代GigE Vision捕捉卡的功能,并使得机器视觉处理计算机在图像捕捉和预处理方面的负担近一步降低且与路数无关,同时保证了处理的实时性。
  2. 机器视觉处理计算机如果要实现高清图像的实时同步记录并不是件很容易的事情 ,除了增加研发的周期和精力外 ,还会使得处理计算机CPU的负担更进一步加重。GigE Vison的同步预录、记录解决了这一问题,使得处理计算机在这方面不需要消耗任何CPU。
  3. GigE Vison 具备常规帧捕捉器的数字 I/O 接口,可以为多路摄像机提供同步控制信号,以及接收触发传感器的信号,支持面阵和线帧GigE Vision摄像机。
  4. 单机使用时,充当了GigE网络的实时交换机作用。用户可以更方便地搭建系统,从而使研发人员更专注于机器视觉应用本身的开发。
  5. 机器视觉计算机无内置板卡,降低系统的发热,提高应用系统可移动性。
  6. GigE Vision记录仪的强大网络功能,可以更加方便实现联网、网络广播、数据共享。

2.技术指标
  1. 支持4路GigE Vision接口相机,支持面阵和线阵相机
  2. 每路相机均具有下面的GPIO信号,用户相机的同步触发控制,曝光控制、编码器输入等,以及作为事件触发记录。
    1. 3个TTL可配置辅助输入I/O
    2. 2个LVDS辅助输入
    3. 1个LVDS辅助输出
    4. 2个光电隔离输入
    5. 支持1个正交旋转编码器
    6. 如果要很复杂精确的同步,我觉得还应该加个串口,用于外界一个复杂的更为精确的同步、专用的同步设备,包括日期时间的同步、图像帧一级同步等。让多台记录仪工作同步工作
  3. 外部接口:
    1. 2个GigE网口,用于网络通讯,传输RAW DATA或压缩视频流、控制信号、下载预录或预录的图像等。
    2. 1个USB2.0接口,用于记录图像的COPY等
    3. 1个RS232接口,用于设备控制
    4. 5个 DVI 接口,其中4个 DVI 接口单独对应于4路GigE Vision相机的实时预览图像和记录图像的同步回放显示,1个DVI接口可分割等多种方式显示4路GigE Vision相机画面实时画面或4路同步回放的画面。
  4. 设备控制可通过:
    1. 操作面板
    2. RS232接口
    3. 网络
  5. 每路GigE Vision相机对应2个独立的SATA 3.0Gbps接口,因此每路可接2个硬盘,容量可选。
  6. 实时预览功能
    1. 1路主监视器DVI输出,在该监视端口可以看到4路图像的分割或每路的满屏等多种方式显示的图像,图像可以是实时画面,也可以是记录的图像同步回放。
    2. 4路辅助监视器DVI输出,每路对应于每个GigE Vision相机,用于显示该相机实时图像或同步回放的记录图像。
  7. 预录和记录、快照功能
    1. 支持4路GigE Vision相机的同步预录、记录和快照,支持RAW DATA的记录,也可以压缩后记录存储,压缩标准:H.264。
    2. 标准的文件格式:BMP 、TIFF 、multi-TIFF 、JPEG、FITS、AVI 、MOV 等标准格式,可以用标准的播放器播放,如Windows MediaPlayer
    3. 回放控制:记录、回放、快进、快退、单步、暂停。
    4. 回放显示时叠加:帧率、帧数、分辨率、开始记录的时间、当前的时间和帧好,ms精度,也可以选显示用户设定的文本、Bitmap图片。
    5. 记录方式有4中:
方式一:手动记录,开始记录和停止记录,人为控制:
方式二:定时记录:手动开始记录,等到了设定的时间自动停止记录,也可以选择重复这个记录时间,直到按停止键。
方式三:事件触发记录:这种模式下,系统总是先缓冲一段时间的图像在RAM中,当事件发生的时候,能记录事件发生前后的图像。触发事件可以来自GPIO、或画面的变化、异常等。
方式四:门控触发记录:这种模式下,触发信号变高启动记录,变低停止记录。
  1. 网络传输功能
    1. 网络传输相机的实时图像:支持RAW DATA或压缩数据的网络传输
    2. 下载预录和记录的图像。
    3. 网络浏览实时图像和记录的图像。
    4. 远程控制:记录仪的工作状态控制、相机控制等。
  2. 图像预处理功能
    1. 彩色平衡、直方图等实时图像处理
    2. Bayer转换
    3. 色彩重映射LUT
    4. 色彩空间转换
    5. 图像重构

3.实现方案
硬件:
采用模块化设计的方法:设备有2种模块实现:一种是主控模块,一种是通道处理模块。它们使用PCIe总线进行通讯。通道处理模块每路有一块,4路GigE Vision相机,所有有4个通道处理模块。
系统框图如下:
主控模块:
主控模块的核心器件采用Ti公司的TMS320DM8167高清视频处理器。该处理器为多核处理器,内置ARM Cortex A8主控CPU、C674x VLIM DSP、3个高清视频图像协处理器、高清视频处理子系统、以及丰富的外设。
  1. 通过PCIe总线与各通道处理模块通讯。
  2. 双GigE网络接口,支持1G、100M、10M自适应
  3. RS232接口,设备控制
  4. USB2.0接口,数据备份
  5. 主监视DVI端口
通道处理模块:
通道处理模块的核心器件采用Ti公司的TMS320DM8147高清视频处理器。该处理器为多核处理器,内置ARM Cortex A8主控CPU、C674x VLIM DSP、1个高清视频图像协处理器、高清视频处理子系统、以及丰富的外设。
  1. GigE Vision接口
  2. GPIO接口及同步时序发生器
  3. 图像捕捉
  4. 图像预处理
  5. 图像记录
软件: ??????
Linux操作系统。
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