一種usb數字工業相機的制作方法

專利名稱：一種usb數字工業相機的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器視覺圖像測量與模式識別技術領域，具體涉及一種用于工業檢測 和識別的USB數字工業相機。
背景技術：
產品的檢測和識別是工業生產中的一個重要的環節，目前大多數廠家都采用人工 檢測，人工檢測速度慢，準確率低，特別是在一些危險、污染等不適合人工操作的地方，人工 檢測的缺點就更加明顯。 隨著機器視覺行業的迅猛發展，機器視覺設備因其高速、高準確率的特點逐漸代 替了人工檢測，但是傳統的機器視覺設備也存在著諸多缺陷，如成本高、體積大、結構復 雜、軟件開發周期長，不利于生產線的安裝，并且必須依賴外接電源，這使得機器視覺設備 難以廣泛應用于工業生產中。 因此，現在機器視覺領域急需一種圖像傳輸速度快、分辨率高、接口友好、性價比 高、無需外接電源的小型機器視覺設備。

發明內容
為解決現有技術中存在的上述問題，本發明公開了一種應用于機器視覺領域的黑
白/彩色的USB數字工業相機，它將多種功能高度集成化于相機內部，采用USB2. 0數據輸
出接口和總像素140萬 500萬像素的CCD圖像傳感器，可通過外部信號觸發或連續采集，
具有采集速度快、圖像清晰度高等特點。USB數字工業相機采用軟硬件結合的設計思想，通
過USB接口 ，實現相機硬件和PC機上運行的演示軟件之間的通信，進一步方便了用戶進行
數據的訪問和工業過程的監控。 本發明具體采用以下技術方案 —種USB數字工業相機，包括一臺相機設備和一套演示軟件，所述演示軟件運行 在PC機上，控制所述相機設備的工作；其特征在于 所述相機設備包括USB主控器、可編程數字邏輯芯片、動態存儲器、模擬前端板、 CCD前端采集板、USB通用總線接口、電源管理單元； 其中，所述CCD前端采集板用于感知外界圖像信息，其輸出端與模擬前端板的輸 入端相連，所述模擬前端板用于將從所述CCD前端采集板輸入的模擬信號轉換為數字信 號，并將轉換后的數字信號輸入至可編程數字邏輯芯片，在所述可編程邏輯芯片中進行數 據處理、控制CCD前端采集板工作時所需要的驅動信號的產生； 所述動態存儲器與所述可編程數字邏輯芯片相連，用于進行數據的緩存和轉移；
所述USB通用總線接口用于建立相機設備與PC機端的演示軟件的連接和獲取5V 的電源； 電源管理單元主要用于將外界輸入的電壓轉換為USB數字工業相機所需要的電 壓；程數字邏輯芯 片，負責接收和執行計算機的控制指令； 運行在PC機上的演示軟件利用USB通用總線接口來實現與所述相機設備的高速 通信，從而控制相機設備的工作。 演示軟件是一套安裝在PC機上，并基于USB2. 0數據接口來實現演示軟件和相機
設備之間通信的軟件。演示軟件優選包括但不限于以下4個模塊相機基本屬性控制模塊、
相機工作模式控制模塊、相機圖像處理模塊和相機圖像自動調節功能控制模塊。 相機基本屬性控制模塊用于配置相機的各個屬性，主要包括紅綠藍增益、全局增
益、曝光時間和紅綠藍增益的偏置。 相機工作模式控制模塊用于設置相機工作的采圖模式，主要包括連續模式采集、 軟件觸發模式采集、硬件觸發模式采集，其中連續模式采集分為滾動快門方式下的連續采 集和全局快門方式下的連續采集。 相機圖像處理模塊用于對采集的圖像進行圖像處理操作，實現圖像的特效，并且 實現圖像的顯示和保存，主要包括原始Bayer圖像轉換彩色圖像顯示、JPEG圖像解碼、圖像 實時保存、亮度、對比度、伽瑪校正、飽和度及圖像的縮放處理功能。 相機圖像自動調節功能控制模塊用于自動調節圖像的色彩，主要包括圖像的紅綠 藍顏色的自動白平衡功能，通過調節自動白平衡功能，可以使用相機輸出恢復最佳色彩。
演示軟件的各個模塊之間的工作流程優選包括以下步驟
(1)在PC機上安裝USB相機的驅動程序； (2)在PC機上啟動演示軟件，利用USB2. O接口將演示軟件與相機設備建立一個新 連接； (3)在相機基本屬性控制模塊中配置相機設備的屬性；
(4)在相機工作模式控制模塊中設置相機設備的采圖模式； (5)參數配置完畢后，若相機判斷采圖模式為觸發模式，則等待軟件觸發或硬件觸 發信號輸入后，才開始采集即時圖像；若不是觸發模式，則根據滾動快門方式的連續采集或 全局快門方式的連續采集模式進行采集圖像，并顯示于PC端上，通過查看實時圖像，用戶 可以手動或者自動調節相機的顏色； (6)然后用戶根據實際需要，在圖像處理模塊中進行圖像處理操作，使采集的圖像 達到用戶期望效果； (7)采圖完畢后，用戶可通過圖像處理模塊把圖像保存于本地；
(8)演示軟件停止采圖，并斷開與相機的連接。 本發明的USB數字工業相機應用非常廣泛，主要涉及半導體和零件的檢測、印刷 電路板缺陷的檢測、交通的監控、生物醫學的圖像采集、證件卡片的制作、各種工業探傷的 檢測、光學字符的識別及條碼的識別等領域，為用戶提供了高性價比的解決方案。


圖1是本發明的機械結構框圖； 圖2是本發明的相機規格表； 圖3是本發明的相機設備硬件結構框 圖4是本發明的相機輸出電纜定義圖；
圖5是本發明的相機光譜特性圖；
圖6是本發明的演示軟件工作流程圖。
具體實施例方式
為了更清楚的理解本發明，下面結合附圖和具體的實例，對本發明作進一步的詳 細說明。本發明包括相機硬件、驅動程序和演示軟件程序。
—、相機的機械結構 USB數字工業相機的外型如附圖1，該相機可以連接C-mo皿t接口的標準鏡頭。同 時通過USB線連接到擁有USB-Host接口的電腦或者嵌入式設備上。 USB數字工業相機通過USB來供電。同時圖像數據的傳輸都是通過USB總線來進 行。包括對前端采集部分的各種配置也是通過USB總線進行。
二、相機的規格參數 該相機的各項規格參數如附圖2所示，具體規定如下 1、相機的圖像傳感器(Image sensor)采用1/2-inch CCD圖像傳感器； 2、有效像素數(Effective pixels)為1280(H) X1024(V); 3、每個像素的尺寸(Pixel size)為4. 65 y mX4. 65 y m/pixel ;4、圖像格式(Image Format)采用彩色24bits ; 5、采樣精度(Bit D印th)為8位或者10位； 6、掃描方式(Scanning)采用逐行全幀掃描； 7、觸發方式(Trigger)包括連續采集、外部觸發、軟件觸發； 8、幀速率(Frame rate)為12幀/秒；9、 A/D (Analog/Digital)為256級； 10、輸出(Output)使用USB2. 0接口 ； 11、 1/0(input/output)采用外部觸發信號輸入和頻閃控制輸出； 12、電子快門使用全局快門； 13、電源(Power supply)采用外部輸入電源； 14、功耗(Power consumption)是5V/2. 2W ; 15、鏡頭卡口 (Lens mount)可以使用C-Mount或CS-Mount ; 16、外形尺寸(Dimensions)為66mmX 55mmX 35mm(長度X寬度X高度)； 17、在工作時，相機溫度(Temperature)在0 45t:之間，在保存狀態下，相機溫度
在-1(T65。C之間； 18、在工作和保存狀態下，相機的相對濕度(Humidity)都是10 90%之間；
19、相機的重量(Weight)約為120g。
三、相機的硬件結構 附圖3給出了相機設備的硬件結構，它的工作原理是 1、 USB數字工業相機通過USB2. 0通用總線接口與PC機上的演示軟件連接以后， 從USB2. 0通用總線接口獲取了 5V的電源。然后通過電源管理單元把5V電壓轉換為系統 需要的3. 3V和1. 4V電壓，以此為相機供電；
2、 USB主控器采用了 CY68013單片機，它內部的程序主要負責USB接口通信以及
與可編程數字邏輯芯片的數據和命令交付。同時當相機設備連接到計算機的USB接口的時
候，USB主控器內部的程序能自動運行。USB主控器上電工作并收到PC端的演示軟件發送
的采集圖像指令后，通過I2C總線對可編程數字邏輯芯片進行初始化的配置； 3、可編程數字邏輯芯片收到USB主控器的初始化指令后，開始產生CCD前端采集
板工作時所需要的垂直驅動信號。同時通過SPI總線對模擬前端板進行初始化； 4、模擬前端板初始化通過后，則產生CCD前端采集板工作時所需要的水平驅動信
號； 5、在工作電壓和驅動信號都正確的情況下，CCD前端采集板開始高速逐行掃描，進 行感光和幀轉移操作； 6、 CCD前端采集板把感知到的圖像模擬信號傳輸給模擬前端板，模擬前端板對輸 入信號進行模數轉換； 7、可編程數字邏輯芯片對模擬前端板輸出的數字信號進行數據處理，同時可編程 數字邏輯芯片連接的內存芯片在器件內部被配置成了先入先出的動態存儲器，動態存儲器 提供了數據緩沖和轉移的功能； 8、USB主控器接收可編程數字邏輯芯片轉換完畢的數據，通過USB通用總線接口 把數據傳輸并顯示于PC端的演示軟件上。
四、相機輸出電纜的定義 相機配有輸出電纜，用于各種觸發信號和外接電源的輸入，輸出電纜分為5個管
腳，如附圖4所示，每個管腳的具體定義如下 1、管腳1 (Pinl) :5V外接電源輸入; 2、管腳2 (Pin2):外觸發信號正輸入； 3、管腳3(Pin3):頻閃控制輸出； 4、管腳4(Pin4):外觸發信號負輸入； 5、管腳5(Pin5):數字地。 五、相機的光譜特性 USB數字工業相機采用1/2-inch CCD彩色圖像傳感器，CCD又稱電荷耦合器件， 它是以電荷作為信號，并具有電荷轉移功能的元件。在光電轉換過程中，CCD的感光度特性 會大大影響再現圖像的色彩，也決定拍攝對象可否以與原本相同的色彩再現，所以CCD的 光譜感光度特性是決定色彩再現性的重要因素。USB數字工業相機的光譜特性圖如附圖5 所示。在附圖5中，CCD傳感器的感光度隨著波長的變化而變化，三條曲線分別代表了在不 同波長的情況下，CCD傳感器對紅藍綠光的感光能力，其中縱坐標軸代表的是CCD的相對感 光靈敏度，橫坐標軸代表的是波長。當波長在450nnT500nm之間時，CCD對藍光的相對靈 敏度約為0. 9，波長在500nm 550nm之間時，CCD對綠光的相對靈敏度可達到0. 92，波長在 600nm 650nm之間時，CCD對紅光的相對靈敏度可達到0. 99。因此，用戶可以對相機的光譜 特性圖進行分析，再根據自身需求來調節相機CCD對紅藍綠光的感光度，從而提高圖像的 色彩質量。 六、演示軟件的工作流程 演示軟件是運行在PC機上的相機配套軟件，它主要包括相機基本屬性控制模塊、相機工作模式控制模塊、相機圖像處理模塊和相機圖像自動調節功能控制模塊。
附圖6詳細介紹了演示軟件的工作流程 1、在使用USB2. 0接口連接相機之前，需先在PC機上安裝USB相機的驅動程序，安 裝步驟如下 去掉相機鏡頭接口處的封蓋，安裝C接口鏡頭到相機上； 打開鏡頭的光圈，把相機通過USB線纜插入計算機USB2. 0接口 ； ,indows即彈出發現新硬件的窗口并按默認的自動安裝軟件選項來執行，直到驅
動程序安裝完成，新的USB2. 0相機進入Windows硬件設備管理器。 2、在PC機上啟動演示軟件，利用USB2. 0接口與相機建立一個新連接，實現演示軟 件與相機之間的高速通信。另外，USB數字工業相機支持單臺計算機連接多臺相機。當連 接多臺相機到同一臺計算機的多個USB2.0接口的時候，在計算機的硬件設備管理器中會 顯示存在多臺相機，并且根據相機連接到計算機的先后順序，驅動程序會為相機依次分配 UNIC-0 ;UNIC-1 ;UNIC-2等設備號，這樣用戶可以通過演示軟件控制多臺相機進行配置和 采集圖像 3、在相機基本屬性控制模塊中配置相機的屬性紅綠藍增益、全局增益、曝光時間 和紅綠藍增益的偏置。 4、在相機工作模式控制模塊中設置相機的采圖模式，主要包括滾動快門方式下的
連續采集、全局快門方式下的連續采集、軟件觸發模式采集和硬件觸發模式采集。 5、參數配置完畢后，相機自動判斷采圖模式是否為觸發模式，若為觸發模式，則等
待軟件觸發或硬件觸發信號輸入后，才開始采集即時圖像，用戶可以將抓拍到的即時圖像
應用于條碼識別、通用目標識別，車牌識別、測量等等領域。如果相機判斷采圖模式不是觸
發模式，則根據滾動快門方式的連續采集或全局快門方式的連續采集模式進行采集圖像，
其中滾動快門方式的連續采集是指相機采集圖像時，前端的傳感器一行一行的曝光圖像，
全局快門方式的連續采集模式是指相機采集圖像時，前端的傳感器瞬間曝光整幅圖像。相
機采集的圖像通過USB接口傳送給演示軟件的圖像處理模塊，并顯示于PC端上。通過查
看實時圖像，用戶可以手動調節相機的鏡頭焦距、光圈和相機的固有屬性，如紅綠藍色增益
值，以此來獲取較好質量的圖像，也可以使用圖像自動調節功能控制模塊中的自動白平衡
的功能，自動調節相機的顏色到一個最佳狀態。 6、然后用戶根據實際需要，在圖像處理模塊中進行圖像處理操作，包括原始Bayer 圖像轉換彩色圖像顯示、JPEG圖像解碼、亮度、對比度、伽瑪校正、飽和度及圖像的縮放處 理，使采集的圖像達到用戶期望效果。 7、當采圖操作完畢后，用戶還可以通過圖像處理模塊把采集的圖像保存于本地。
8、演示軟件停止采圖，從USB2.0接口中拔出USB線纜，演示軟件斷開與相機的連 接。 以上給出的實施例僅用以說明本發明和它的實際應用，并非對本發明作任何形式 上的限制，任何一個本專業的技術人員在不偏離本發明技術方案的范圍內，依據以上技術 和方法作一定的修飾和變更當視為等同變化的等效實施例。因此，所有等同的技術方案也 應該屬于本發明的范疇，應由各權利要求限定。
權利要求
一種USB數字工業相機，包括一臺相機設備和一套演示軟件，所述演示軟件運行在PC機上，控制所述相機設備的工作；其特征在于所述相機設備包括USB主控器、可編程數字邏輯芯片、動態存儲器、模擬前端板、CCD前端采集板、USB通用總線接口、電源管理單元；其中，所述CCD前端采集板用于感知外界圖像信息，其輸出端與模擬前端板的輸入端相連，所述模擬前端板用于將從所述CCD前端采集板輸入的模擬信號轉換為數字信號，并將轉換后的數字信號輸入至可編程數字邏輯芯片，在所述可編程邏輯芯片中進行數據處理、控制CCD前端采集板工作時所需要的驅動信號的產生；所述動態存儲器與所述可編程數字邏輯芯片相連，用于進行數據的緩存和轉移；所述USB通用總線接口用于建立相機設備與PC機端的演示軟件的連接和獲取5V的電源；電源管理單元主要用于將外界輸入的電壓轉換為USB數字工業相機所需要的電壓；所述的USB主控器分別連接至所述USB通用總線接口和所述可編程數字邏輯芯片，負責接收和執行計算機的控制指令；運行在PC機上的演示軟件利用USB通用總線接口來實現與所述相機設備的高速通信，控制相機設備的工作。
2. 根據權利要求1所述的USB數字工業相機，其特征在于所述演示軟件進一步包括 相機基本屬性控制模塊、相機工作模式控制模塊、相機圖像處理模塊、相機自動調節功能控 制模塊；所述的相機基本屬性控制模塊是用于配置相機設備的屬性； 所述相機工作模式控制模塊用于相機設備采圖模式的控制；當相機設備的屬性和采圖模式配置完畢后，在相機采圖的過程中手動調節相機基本屬 性控制模塊中的相機參數，或利用相機圖像自動調節功能控制模塊自動調節采集的圖像顏 色，使得圖像的色彩達到一個最佳狀態；相機圖像處理模塊用于進行圖像處理操作，實現滿足用戶需要的圖像特效，并對處理 后的圖像進行保存。
3. 根據權利要求1所述的USB數字工業相機，其特征在于所述USB主控器上電工作并收到PC端的演示軟件發送的采集圖像指令后，通過I2C總線對可編程數字邏輯芯片進行初始化的配置；可編程數字邏輯芯片初始化通過后，開始產生CCD前端采集板工作時所需要的垂直驅動信號，同時通過SPI總線對模擬前端板進行初始化；模擬前端板初始化通過后，則產生CCD前端采集板工作時所需要的水平驅動信號； 在工作電壓和驅動信號都正確的情況下，CCD前端采集板進行感光和幀轉移操作； USB主控器接收可編程數字邏輯芯片轉換完畢的數據，通過USB通用總線接口把數據傳輸并顯示于PC端的演示軟件上。
4. 根據權利要求1或2所述的USB數字工業相機，其特征在于所述的演示軟件的工 作流程優選包括以下8個步驟(1) 在PC機上安裝USB相機的驅動程序；(2) 在PC機上啟動演示軟件，利用USB2. 0接口將演示軟件與相機設備建立一個新連接；(3) 在相機基本屬性控制模塊中配置相機設備的屬性；(4) 在相機工作模式控制模塊中設置相機設備的采圖模式；(5) 參數配置完畢后，若相機判斷采圖模式為觸發模式，則等待軟件觸發或硬件觸發信 號輸入后，才開始采集即時圖像；若不是觸發模式，則根據滾動快門方式的連續采集或全局 快門方式的連續采集模式進行采集圖像，并顯示于PC端上，通過查看實時圖像，用戶可以 手動或者自動調節相機的顏色；(6) 然后用戶根據實際需要，在圖像處理模塊中進行圖像處理操作，使采集的圖像達到 用戶期望效果；(7) 采圖完畢后，用戶可通過圖像處理模塊把圖像保存于本地；(8) 演示軟件停止采圖，并斷開與相機的連接。
5. 根據權利要求4所述的USB數字工業相機，其特征在于所述相機設備屬性有紅綠 藍增益、全局增益、曝光時間和紅綠藍增益的偏置。
6. 根據權利要求4所述的USB數字工業相機，其特征在于所述采圖模式有連續模式采集、軟件觸發模式采集、硬件觸發模式采集，其中連續模 式采集分為滾動快門方式下的連續采集和全局快門方式下的連續采集。
7. 根據權利要求4所述的USB數字工業相機，其特征在于通過查看實時圖像，用戶能夠手動調節相機的鏡頭焦距、光圈和相機的固有屬性，也能 夠使用圖像自動調節功能控制模塊中的自動白平衡的功能，實現相機顏色的最佳效果。
8. 根據權利要求4所述的USB數字工業相機，其特征在于所述圖像處理操作包括原始Bayer圖像轉換彩色圖像顯示、JPEG圖像解碼、圖像實時 保存、亮度、對比度、伽瑪校正、飽和度及圖像的縮放處理。
全文摘要
本發明涉及一種USB數字工業相機，它由一臺相機設備和一套演示軟件構成。相機設備包括USB主控器、可編程數字邏輯芯片、動態存儲器、模擬前端板、CCD前端采集板、USB2.0通用總線接口、電源管理單元，具有采集速度快，分辨率高、簡單易用等特點；相機的演示軟件運行在PC機上，包括相機基本屬性控制模塊、相機工作模式控制模塊、相機圖像處理模塊和相機圖像自動調節功能控制模塊。演示軟件是利用USB數據接口來實現與相機設備的高速通信，從而控制相機設備的工作。本發明不僅外觀專業小巧，結構緊湊，而且功能一體化集成，安裝、使用方便，軟件設置簡單，廣泛應用于半導體和零件的檢測、印刷電路板缺陷的檢測、交通的監控、生物醫學的圖像采集、證件卡片的制作、各種工業探傷的檢測、光學字符的識別及條碼的識別等領域，為用戶提供了高性價比的解決方案。
文檔編號G06F13/10GK101738827SQ20091024388
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者張海明, 王志, 胡耀平, 鄭眾喜 申請人:北京優納科技有限公司