基于USB2.0的數字圖像處理系統

陳亞梅

摘要：本文是利用USB2.0芯片CY7C68013和圖像傳感器OV9650實現圖像采集的硬件電路，在Windows 2000下編寫驅動程序實現數字圖像的采集，然后在VC++6.0開發環境下利用Intel的機器視覺庫實現數字圖像的處理與檢測。

關鍵詞：USB2.0、OV9650、數字圖像處理

為了實現工業檢測自動化，減輕由人工檢測元器件的勞動強度，可以將數字圖像處理系統應用于大批量生產過程中的檢測與辨識，如：零件裝配完整性，裝配尺寸精度，零件加工精度，位置/角度測量等。其應用如：對汽車儀表盤加工精度的檢查，膠囊生產中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查，食品包裝上面對生產日期的辨識，等等。

鑒于工程需要，要對一些元器件的外徑進行測量，精度和速度要求不是很高，傳統的基于PC的機器視覺系統用視頻采集卡對視頻信號進行采集，但是由于這種方案板卡成本太高，鑒于經濟方面和開發周期的考慮，本文采用USB2.0接口的芯片CY7C68013與PC機實現了高分辨率、快速、全數字圖像的實時采集系統，然后利用實時采集到的圖像對元器件的外徑進行測量。

一、數字圖像的實時采集原理

數字圖像的實時采集原理如圖1所示。在采集速度滿足的前提下，選取圖像分辨率相對較高的圖像芯片，根據項目和研究需要，在此選擇了Omnivision technologies公司的OV9650芯片作為圖像采集芯片，CMOS 彩色圖像傳感器OV9650將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數混合輸出等功能，能夠消除噪聲、燈光閃爍等光電干 擾，輸出清晰、穩定的彩色圖像。OV9650的功能特點包括：單芯片1/4寸鏡頭，最大1280×1024像素分辨；標準SCCB接口；開窗功能，局部圖像輸出；輸出RGB/RawRGB/YCbCr視頻信號；自動曝光控制/自動白平衡/自動增益控制/自動亮度控制；圖像質量控制，包括顏色飽和 度、銳度、伽馬校正等。

為了取得好的圖像，鏡頭和光源系統是至關重要的，鑒于項目的需要，選用Computar工業自動化（FA）鏡頭0814-MP，焦距：8mm；工作距離：100mm-300mm；低變形率（低于1.0%），光源在日常光照下即可。

數字圖像實時采集與傳輸模塊，采用了Cypress公司的CY7C68013的USB2.0接口芯片，該芯片的主要特點是在一塊芯片上集成了USB2.0內核和引擎、一個增強型的51系列微處理器，及可編程外圍接口芯片，提供了高效率的時序解決方案，在這種有獨創性的結構下，仍然使用低價位的51系列的微處理器，其數據傳輸速度可以達到56MB/s，可以提供USB2.0的最大帶寬。因此，本系統的CPU控制和USB2.0接口芯片選擇了上述芯片。圖像傳感器芯片（OV9650）工作在24MHZ頻率下，在 CY7C68013內部程序控制下，通過CY7C68013的FIFO緩沖區以及USB電纜線傳送到PC機上。

二、圖像采集系統的實現

（一）硬件系統實現原理

硬件系統的連接原理，圖像采集處理芯片用 OV9650，時鐘頻率為24MHz，像素時鐘為24MHz；CPU控制和USB2.0接口芯片用CY7C68013，時鐘頻率為24MHz， 通過對CY7C68013內部的CPUCS寄存器進行修改，使其工作在24MHz方式下。將OV9650的像素時鐘PCLK接到CY7C68013的IFCLK上； OV9650的HREF、VSYNC分別接到CY7C68013的RDY0、RDY1上；將OV9650的VSYNC分別接到CY7C68013的INT0上。將CY7C68013的PA1、PA2接在OV9650的SCCB的接口上。因為OV9650芯片的控制接口采用SCCB協議，與I2C相似，但卻有些小的差別，所以用PA1和PA2兩個IO口來模擬SCCB BUS時序，完成對圖像芯片的初始化、顯示窗口大小、數據格式、顯示幀數等工作。

（二）固件程序設計

從程序到USB2.0芯片初始化到初始化圖像傳感器OV9650到開啟中斷判定有無中斷，如中斷及轉入中斷處理程序如無中斷再重新判定。

固件程序：

（1） USB2.0芯片的初始化程序，通過對CPUCS 寄存器進行設定，工作在頻率24MHz下，對USBCS寄存器設定，使其USB內核工作在 USB2.0方式下，同時通過對IFCONFIG寄存器設定，使其工作在通用編程接口方式下，控制端點0用來傳輸用戶命令，圖像傳感器的初始化程序，通過對圖像芯片進行初始化、顯示窗口大小、數據格式、顯示幀數等參數。

（2） 通用編程接口程序，利用GPIF Designer工具軟件設計，然后導出GPIF接口程序。

（3） USB2.0批量傳輸程序設計，本段程序主要完成USB2.0的批量傳輸功能，利用批量傳輸和中斷方法完成大批量圖像數據的實時傳輸。

（三）系統軟件的設計

1.USB2.0驅動與接口程序

利用通用驅動程序源碼，在此基礎上進行修改然后在Win2000的DDK下重新編譯，再利用VC++6.0對驅動程序的操作函數進行封裝，這樣應用程序的可以像調用其他的函數一樣去調用函數來完成USB接口的初始化、讀取整幀圖像、CMOS寄存器設置等等。

系統程序主要有以下幾個模塊組成：

（1） USB2.0初始化模塊

首先將圖像采集的硬件設備通過USB電纜連接到PC上，然后利用寫好的函數探測USB2.0設備，進而初始化各種變量，分配內存。

（2） 圖像傳感器器設置模塊

通過USB2.0設備的端點0對圖像芯片的窗口大小、數據格式、顯示幀數等進行初始化。

（3） 數字圖像采集模塊

利用USB的批量傳輸技術和終端技術實現圖像數據的實時采集，然后可以將采集到的圖像進行處理和顯示。

（4） 數字圖像顯示模塊

利用VC6.0技術實現圖像實時顯示。

（5） 圖像檢測處理模塊

通過網絡下載開放源代碼的機器視覺庫OpenCV，利用其中的圖像處理函數實現元器件的外徑測量，詳細描述參考圖像處理與檢測部分。

（6） 數據存儲模塊

通過運用各種算法對圖象數據進行處理運算， 計算出待檢測元器件的外徑參數， 最后與預置的標準尺寸相比較判斷其是否合格，然后將檢測結果計算機存儲到數據庫系統，并自動統計生成報表。

三、圖像處理與檢測

開放源代碼的計算機視覺類庫，主要包括以下部分

（1） CXCORE 定義基本的數據結構和操作函數；

（2） CV包含了幾乎所有涉及到的圖像處理函數；

（3） HighGUI包括圖像顯示、保存部分。

四、結論

通過系統調試實驗，利用USB2.0圖像采集系統可以實時地獲取圖像數據，采集速率為1～12幀/秒，基本可以滿足實時檢測需要，然后利用Intel的開放源代碼的機器視覺庫，可以對采集到的圖像進行實時地處理，然后將處理結果存入檢測數據庫。

此系統還需進一步改進，如圖像處理方面的進一步應用、提高對高速運動物體的檢測性能等等。

參考文獻

[1]《圖像處理、分析與機器視覺》興軍亮譯 清華大學出版社 2016年06月

[2]《計算機視覺特征提取與圖像處理》艾海舟譯 電子工業出版社 2014年11月

[3]《USB 2.0設備的設計與開發》 邊海龍，賈少華 人民郵電出版社2011年10月endprint