粒子圖像測試實驗中的圖像采集控制方法

杜 海， 孟 娟， 李木國， 黃 影

(1. 大連理工大學 a.海岸和近海工程國家重點實驗室；b. DUT-UWA海洋工程聯合研究中心，遼寧 大連 116024；2. 大連海洋大學 信息工程學院，遼寧 大連 116024)

粒子圖像測試實驗中的圖像采集控制方法

杜 海1a,1b， 孟 娟2， 李木國1a,1b， 黃 影1a

(1. 大連理工大學 a.海岸和近海工程國家重點實驗室；b. DUT-UWA海洋工程聯合研究中心，遼寧 大連 116024；2. 大連海洋大學 信息工程學院，遼寧 大連 116024)

針對粒子圖像測速(PIV)實驗過程中的圖像采集問題，基于現場可編門陣列(FPGA)技術提出一種適用于流場圖像采集的控制方法。該方法根據PIV實驗時的圖像分辨率高、位寬大、傳輸速率高的特點進行了控制結構的優化設計：首先FPGA將配置信息發送給相機，然后在FPGA上產生用于相機、光源同步的觸發控制信號，在FPGA內部進行圖像信號的采集與傳輸。所提方法中，整個PIV數據的采集與控制均在一片FPGA芯片上進行，大大提高了系統的集成度，從而增強了系統的穩定性。最后，對所提的控制方法進行了驗證分析。結果表明：所提方法可以有效地解決粒子圖像的采集問題。

粒子圖像測速； 圖像采集； 同步控制； 現場可編門陣列

0 引 言

粒子圖像測速技術(Particle image velocimetry, PIV)是一種非接觸式可視化測量技術。PIV基于攝影測量原理通過對流場中的示蹤粒子進行圖像采集、圖像分析來獲取流場的運動信息。PIV技術對流場測試而言具有無擾動、高精度、全場測量的特點，因此在海洋工程研究領域有著重要的作用，同時也得到了較為廣泛的應用[1-7]。

在使用PIV技術進行流體運動分析時，對示蹤粒子圖像的采集是一項重要的內容。目前，在實驗室常用的PIV圖像采集系統包括：工業相機、圖像采集卡、同步器、光源(如激光器、LED等)以及PC機所組成。組成PIV系統的各個設備均承擔單一的任務，系統結構較為復雜，任意單元出現問題，整個實驗均無法開展。此外，在傳統的PIV系統的構建中，無法實現分析算法的硬件化，不利于PIV系統的優化，阻礙了PIV系統集成度的進一步提升。

本文以PIV測量時常用的系統結構為基礎，結合海洋工程PIV實驗中對高速圖像實時采集的性能需要，基于現場可編門陣列(FPGA)技術研究粒子圖像采集中的控制方法，其中包括CameraLink相機的控制、基于PCI-Express總線的數據傳輸控制以及系統內的同步控制。將全部PIV圖像采集控制放在一片FPGA芯片上，簡化了相機-采集卡-同步器的結構，提高了PIV系統的緊湊性，減少了實驗過程中的調試單元，提高了操作效率。與此同時，也極大地促進了PIV片上系統的研制。

1 PIV圖像采集的特點

PIV來源于流動顯示技術，主要是在透明流體分析的過程中，撒入一些微小的顆粒(示蹤粒子)，然后在輔助光源的配合下通過攝像機捕獲這些小顆粒的狀態。PIV就是通過采集流場中的這些示蹤粒子圖像來進行流場的運動分析。

令流場中某一粒子在t時刻的位置為x(t)、y(t)、z(t)，x(t+Δt)、y(t+Δt)與z(t+Δt)表示其在非常短的時間間隔Δt后的位置，那么該處流場的速度分量為：

(1)

根據式(1)可知只要在圖像分析過程中獲得粒子的位移信息[8-10]，然后配合攝像機的定標參數[11-12]，便可以得到該粒子的空間位移信息，另外由于在一次實驗中Δt是固定的，故該粒子在笛卡爾坐標系中的速度矢量可以計算得到。

為了得到較為清晰的粒子圖像，PIV實驗中不僅要求相機的分辨率較高、位寬較大，而且還需要有輔助光源(如脈沖激光器、高功率LED等)的配合。PIV系統的主要結構如圖1所示，其中數據流用紅線標識，控制流用藍線標識。圖1中PC機一方面通過圖像采集卡獲取相機的圖像數據，另一方面通過同步器控制相機曝光與激光器的觸發時序。因此完成一次PIV的數據采集，需要完成3個步驟：① 設置相機為外觸發模式；② 設置同步信號；③ 圖像數據的采集與傳輸。

圖1 PIV系統結構

2 PIV圖像采集中的控制方案

目前，工業相機多采用RS-422、LVDS、USB3.0、CameraLink、IEEE1394、Gigabit Ethernet、GigE Vision等接口技術。然而，在進行PIV實驗時，為了得到較為清晰的粒子圖像，選用的相機分辨率多為2、4、6 MB等，位寬為8、10、12 bit等，采集速率為30、100、1 000 f/s等。所以單相機每秒會產生至少60MB的數據量。為了滿足圖像的無失真采集，在PIV結構中常見的相機接口為CameraLink[13]。另外，現在發展中的高速率接口技術中(包括DALSA公司的HS-Link接口技術)也多以CameraLink為基礎，因此以CameraLink作為本文相機控制的研究對于PIV技術應用領域具有一定的普適性。與此同時，為了能夠匹配多種相機系統，滿足大數據量的高速傳輸要求，以PCI-Express作為數據的傳輸控制形式[14]，采用的圖像采集控制結構如圖2所示。在圖2的采集結構中，FPGA作為控制核心主要作用為：① 接口控制，其中包括CameraLink接口控制、PCI-Express接口控制、數據存儲器接口控制(如采用DDR2 SDRAM)；② 同步時序控制，其中包括相機的觸發控制與激光器的觸發控制。基于FPGA的PIV圖像采集控制流程如圖3所示。通過對比圖2可以看出，PIV采集過程中，除了人機交互部分放在PC機上完成，而所有控制任務將在FPGA上實現。

圖2 圖像采集原理框圖

圖3 PIV圖像采集流程

3 基于FPGA的圖像采集控制

為了完成圖3粒子圖像采集功能，基于FPGA從系統控制與圖像數據采集兩方面開展研究工作。

3.1 相機與光源的同步控制

在PIV實驗中，無論是跨幀(雙曝光)采集模式還是周期觸發模式均需要將激光脈沖的發出時刻與相機的曝光時刻相匹配。以海洋工程中常用的周期觸發模式為例，時序關系如圖4所示。由圖4可見，粒子圖像采集時需要將激光脈沖打在相機的曝光間隔內，否則將無清晰成像。

圖4 相機曝光時序與激光脈沖時序關系

令PIV的采集時刻為tc，即在tc時刻由FPGA向相機發出一個觸發信號trig_cam。而在tg時刻激光器發出一次脈沖光。為了保證圖4的時序關系，需要滿足：

tc+Δtu

(1)

式中：Δtu與Δtexp分別為相機的快門信號持續時長和曝光持續時長。

令由FPGA向光源控制器發出一個觸發信號trig_light的時刻為tl，存在tg=tl+Δts，當將脈沖激光器作為輔助光源時，Δts為激光器氙燈與Q開關的觸發延遲。此時式(1)變為：

tc+Δtu-Δts

(2)

為了提高設備之間的聯動特性以及時序關系的穩定性，將根據trig_cam產生的觸發事件來產生trig_light，這里利用相機的Strobe信號。令FPGA檢測到相機Strobe信號的時刻為ts，則有ts=tc+Δtcs，代入式(2)中，并選擇曝光間隔的一半作為觸發產生的時刻，則可得到trig_light的時刻：

tl=ts+Δtu+Δtexp/2-Δts-Δtcs

(3)

3.2 圖像數據的采集控制

在PIV實驗中所使用的CameraLink接口相機需要通過串口通信協議進行相機的配置。一般情況下，完成串口通信需要添加MAX232等接口芯片進行協議轉換，然后通過RS-232接口進行數據交換。這種方式實現較為直接，但增加了系統設計與使用的復雜度。本文采用FPGA內部數據轉換的方式進行相機配置數據的通信。

首先在FPGA中設置FIFO存儲器。然后用戶在PC機上將要發送的相機配置數據以字符串的形式通過PCI-Express接口傳輸至FPGA，并緩存在已開辟好的FIFO中。接下來程序判斷FIFO中數據是否為空，如不為空，則將并行的8位數據從FIFO中讀出存入移位寄存器，并按照9.6 kHz的時鐘產生一位低電平的起始位，再將待發送的數據從高位到低位依次移出8位輸出，最后產生一位高電平停止位。直到FIFO中無數據，所有配置數據發送完畢，其過程狀態轉換關系見圖5。

圖5 相機配置數據發送狀態轉換圖

當相機配置完畢后，開始進行圖像采集。在PIV系統運行期間，相機的主要輸出控制信號為場同步信號FVAL與行同步信號LVAL。因此，在FPGA內進行圖像的采集控制需要按照行場有效時序進行有效像素的提取和接收。在采集控制設計中，采用PC機為主控制機、FPGA為從處理機的方式。當FPGA得到采集命令后，首先檢測FVAL信號。當FVAL有效時檢測LVAL信號，并且每次LVAL信號的有效均指示一行數據的開始。FPGA將根據FVAL與LVAL將每一幀粒子圖像逐行存入片外DDR2 SDRAM中。之后，該數據將由FPGA以DMA方式通過PCI-Express接口傳輸給PC機。在該過程中，為了提高數據流控制的穩定性以及程序開發的效率，采用了FPGA內嵌IP硬核的方式來實現PCIE的管理[15]。由于IP硬核實現PCI-Express的物理層和數據鏈路層的協議，故在FPGA內只需要將圖像數據按照64 bit并行方式放在處理層數據包(簡稱TLP)中并傳輸給PCI-Express硬核，而TLP包的解析任務放在IP核中進行。當IP核對TLP包文完成解析后將正確的圖像數據串行發送給PC機端。反復此過程直到采集的一幀圖像傳輸完畢。

4 實驗與討論

為了對所提的PIV采集控制方法進行驗證，在實驗設計中采用了體積較小、方便調試的LED線性光源(24 V、29.9 W、綠色)來代替脈沖激光器。實驗中將觸發信號通過光源控制器來進行同步控制。在圖像傳感器方面則采用了IMPERX公司生產的IPX-2M30-L型CCD相機(1 600×1 200 pixels、33 f/s、最大位寬12 bit)。

為了測試采集同步控制功能，進行同步信號的產生測試。測試中，由PC機發送“000F”字符來啟動觸發機制，設置相機的觸發信號持續時長為6個clock，而光源觸發信號與相機觸發信號之間的時延為1個clock。使用SignalTap邏輯分析儀得到的FPGA時序如圖6所示。從圖中可以看出相機的同步信號trigger_cam與光源的觸發信號trigger_light均按預設定的參數進行產生，邏輯關系正確，設計合理。

圖6 相機觸發時序圖

在PIV實驗中，得到較高的幀頻，往往需要相機的雙通道輸出模式。因此，實驗中采用雙通道模式進行測試。此時，相機將整幀圖像分成分辨率為800×1 200的左右各半幀圖像，雙通道分別掃描并且同時輸出圖像數據。為了方便觀察數據，將相機位寬設置為8 bit，而存儲帶寬為16 bit。測試結果如圖7所示。圖中：camera_clk為相機輸出的參考時鐘，image_data為相機輸出的圖像數據，image_data_out為采集的有效圖像數據，fval、lval、dval分別為場同步信號、行同步信號與數據信號，而counter_data負責計數接收一行有效數據的個數。從圖7中可以看出，在行場同步信號有效后FPGA內的采集模塊可以正確地對有效圖像數據進行采集與計數，采集控制時序正確。

圖7 整幀圖像開始傳輸時序圖

為了驗證PC機到相機之間的控制通路，在PC機中基于VC2008編寫控制臺程序，并由該程序負責PC-PCIE-FPGA之間的數據通信。實驗中通過該程序發送指令“gag 1”(該命令是獲得相機通道1的模擬增益)，該指令將通過PCI-Express、FPGA到達相機內部。測試結果如圖8所示。由圖8可見，相機接收到命令后，以串口形式將該相機的模擬增益值傳輸至FPGA，再通過PCI-Express總線傳輸到PC機。數據發送與相機反饋接收正確，數據通信控制設計正確。

最后，使用12 bit位寬對水槽中的示蹤粒子進行采集。為了能夠在顯示器中對所采集的圖像進行顯示，按下式進行位數轉換：

(4)

圖8 從PC機到相機之間通路的測試

式中：floor(·)為向下取整操作；f(x,y)為在圖像中(x,y)位置處的一個像素；m與n分別為圖像的寬度與高度。

經式(4)轉換后，得到的圖像如圖9所示。由圖可見，相機與光源配合較好，示蹤粒子較為清晰，并由于采用了觸發控制方式，粒子像無“拖尾”現象。實驗結果表明，基于FPGA的圖像采集與控制方法是正確、有效的，該方法可用來進行PIV粒子圖像的采集。

圖9 粒子圖像顯示

5 結 語

PIV技術是海洋工程研究中的一種非接觸測量方法，該方法可以有效地避免對被測流體的擾動問題，可用于對流場的高精度運動分析。針對傳統PIV的系統架構存在的部件分散、調試繁瑣等問題，提出了基于FPGA的粒子圖像采集控制方法。該方法將圖像采集與控制放在一片FPGA芯片中進行實現，提高了PIV系統的緊湊度。所提方法面對通用型PIV相機進行設計，并采用了高傳輸率的PCI-Express總線傳輸方式，有效地解決了PIV實驗中的圖像采集問題。最后進行圖像采集實驗，分別從時序控制與圖像數據的質量進行方法論證。實驗結果表明，基于FPGA的粒子圖像采集控制方法可以有效地對示蹤粒子進行圖像采集，為PIV系統的小型化、片上系統化提供了參考。

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Study on Image Acquisition and Control Method for PIV Experiment

DUHai1a, 1b,MENGJuan2,LIMuguo1a, 1b,HUANGYing1a

(a. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering;b. Ocean Engineering Joint Research Center of DUT-UWA, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China; 2. School of Information Engineering, Dalian Ocean University, Dalian 116023, Liaoning, China)

In order to solve the image acquisition problem on the particle image velocimetry (PIV) experiment, a fluid image acquisition and control method based on FPGA is presented in this paper. In the method, the PIV structure is optimized according to the particle image features such as higher image resolution, faster transmission and larger bit-wide. Firstly, the camera configure information is sent out by FPGA. And then, the sync signals are also produced on the same FPGA chip. Meanwhile, the image data signal is detected and sent to PC through PCI-Express bus by FPGA. The new image acquisition process which is designed in one FPGA chip can greatly improve the integration of the system. At last the acquisition method based on FPGA is tested. The experimental results show that the proposed method is an effective method for particle image acquisition.

particle image velocimetry (PIV); image acquisition; sync control; field programmable gate array(FPGA)

2016-07-09

國家自然科學基金項目(61202253)，海岸和近海工程國家重點實驗室青年學者創新基金(LY1613)

杜 海(1980-)，男，河北石家莊人，博士，工程師，現主要從事非接觸式測量技術研究。

Tel.:13795121877；E-mail: duhai@dlut.edu.cn

O 353.5

A

1006-7167(2017)04-0011-05