高速视频采集系统技术方案

本发明专利技术公开了属于图像传感及记录技术领域的一种高速视频采集系统。在由高速摄像机、计算机和软件组成的所述高速视频采集系统中，采用ＵＳＢ２．０作为数字视频的传输协议，其高速摄像机将光信号转换成数字视频，通过ＵＳＢ２．０数据接口送入计算机，计算机通过软件设置高速摄像机内部工作参数、采集高速摄像机的数字图像进行存储和运算。采用ＵＳＢ２．０作为数字视频的传输协议，在系统中省去ＰＣＩ视频采集卡，从而优化了系统结构、提高了系统可靠性、降低了成本。同时控制数据和图像数据都可以通过ＵＳＢ２．０传输。因此计算机与高速摄像机之间的数据连线也从原来的几十根减少到一根ＵＳＢ电缆，从而提高了系统使用的灵活性；平台兼容性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于图像传感及记录
，特别涉及一种高速视频采集系统。
技术介绍
目前世界大多数视频采集系统所支持的视频制式是PAL和NTSC等类似的标准制式，其中PAL制式的帧率为25fps，NTSC制式的帧率为30fps。这两种制式和人类眼睛的观察能力相当，适合人类的观看。但是当事件发生的速度超出人眼的观察能力时，要记录并研究这样的事件就不能借助人眼或者标准视频制式的视频采集系统，而需要借助高速视频采集系统。高速视频系统的帧率可以达到几百fps甚至几千fps，能够记录高速事件发生过程的影像，是研究高速事件的利器。高速视频系统在军事、航天、材料、制造、生物等领域中有着非常重要的应用。高速视频采集系统在许多领域都有着不可替代的作用。最早的高速视频采集系统应该是高速电影胶片拍摄机。高速电影胶片设备笨重，胶片不能重复使用，拍摄费用很高，胶片需要冲洗才能显影，拍摄和显示需要间隔一定的时间，而且胶片拍摄只是对影像的记录，不能直接将影像数据送入计算机进行运算处理。这些因素大大的限制了高速胶片的使用，尤其是以高速CCD为基础的高速视频采集系统出现后，高速胶片基本上不再使用。高速CCD视频采集系统具有速度高、灵敏度高、可以将数据直接送入计算机处理等诸多优点。在高速视频采集系统的研制领域，目前世界上大多数高速视频采集系统都采取高速摄像机+专用PCI视频采集卡+计算机+专用软件的框架。加拿大DALSA公司是著名的CCD芯片及CCD摄像机设计生产厂商，DALSA公司的CA-D1高速摄像机与其他组件构成的高速视频采集系统结构图。系统由高速摄像机和计算机及软件组成，系统帧率可以达到843.95 CA-D1系统采用多路并行的RS-422协议传输数字视频信号，RS-422采用差分模式，每路RS-422信号需要一对双绞线。CA-D1的CCD芯片的像素输出率为15M pixel/s，8位A/D变换后，需要接口的数据传输速率为120Mbits/s。单路RS-422的数据传输速率为10Mbits/s，因此CA-D1采用了多路RS-422并行传输的模式。这就大大增加了CA-D1外部连接线的数量，再加上控制线、电源等，CA-D1的实际外接线共有65根。RS-422是一种早期的接口电器标准，电压比较高，速度比较低。近年出现了一些新的接口电器标准如LVDS、CAMERA LINK等，这些协议和RS-422从本质上类似，都是差分信号，但是电压更低，速度更高。采用这几种接口标准，系统的构架和CA-D1没有太大区别，都要在系统中引入专用采集卡，从而造成系统成本增加、可靠性降低。同时由于这样的系统采用多路数据并行传输，因此不可避免的在系统中引入大量的连接线。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高速视频采集系统，所述高速视频采集系统主要由高速摄像机、计算机和软件的模式构成；其特征在于在由高速摄像机、计算机和软件组成的所述高速视频采集系统中，采用USB2.0作为数字视频的传输协议，其高速摄像机由光学镜头、驱动电路、视频信号预处理电路、AD转换电路、USB2.0数据接口、电源组成，将光信号转换成数字视频，通过USB2.0数据接口送入计算机；在计算机主板上集成有USB2.0接口；所述软件包括Windows驱动程序、二次开发接口和应用程序，主要是设置高速摄像机内部工作参数、采集高速摄像机的数字图像进行存储和运算。本专利技术的有益效果是采用USB2.0作为数字视频的传输协议，可以从根本上优化系统的构架。在系统中省去视频采集卡，从而优化了系统结构、提高了系统可靠性、降低了成本。同时由于USB2.0协议采用的是高速串行传输方式，控制数据和图像数据都可以通过USB2.0传输。因此计算机与高速摄像机之间的数据连线也从原来的几十根减少到一根USB电缆，从而提高了系统使用的灵活性附图说明图1为高速视频采集系统的结构示意图。图2为高速摄像机采用的空间立体结构示意图。图3为高速摄像机结构框架图。具体实施例方式本专利技术提供一种高速视频采集系统，所述高速视频采集系统都采取高速摄像机、计算机和软件的模式构成。图1所示为采用USB2.0协议的高速视频采集系统的结构示意图。由高速摄像机1、计算机2和软件3三部分组成，所述高速视频采集系统中，出于对性能、成本、接口复杂度、体积、外部连接线数量等因素的综合考虑，本文采用了目前在高速视频采集领域很少采用的USB2.0协议。USB(Universal Serial Bus)是目前非常流行的接口协议。USB的早期版本USB1.1，数据传输速率非常低，支持两种传输速度，分别为12Mbps和1.5Mbps。只是应用于对速度要求不是很高的串行传输领域。但是USB2.0推出后，其数据传输速率高达到480Mbps，使得USB应用于高速数据传输成为可能。USB2.0已经成为几乎所有PC厂商支持的外设接口标准。如图1、图2所示，高速视频采集系统中的高速摄像机由光学镜头4、驱动电路5、视频信号预处理电路6、AD转换电路7、USB2.0数据接口8、电源9组成，将光信号转换成数字视频，通过USB2.0数据接口8送入计算机2；高速摄像机1是高速视频采集系统中的最重要的组成部分，按照模块化的设计的要求，将高速摄像机划分成以下几个功能独立的子模块分别进行设计CCD感光芯片模块10；CCD驱动模块5CCD信号预处理模块6USB2.0接口模块8；电源模块9。CCD主芯片模块的功能是直接支持CCD的工作，如驱动信号电平转换、CCD信号放大、CCD电源滤波等；CCD驱动模块的主要功能是产生CCD逻辑驱动信号及预处理电路的驱动逻辑信号；CCD信号预处理模块功能是对CCD信号进行钳位、相关双采样、可编程增益、AD转换等操作；USB2.0接口模块的功能是提供与计算机的USB2.0高速数据接口，根据计算机的指示对高速摄像机进行配置；电源模块的功能是为整个高速摄像机提供电源及与外界的接插口。由于CCD驱动模块和CCD信号预处理模块的关系十分紧密，所以将这两个模块做在同一个电路板上，其他几个模块分别各做一块电路板，四块电路板通过接插件连接在一起，构成一部完整的高速摄像机。为了减小高速摄像机的体积，本文采用了一种特殊的电路空间几何结构。将四块电路板在空间连接成一个长方体，形成一个“电路体”，元器件表贴在长方体的内外表面。该结构克服了电路板所有元器件在一个平面上占用过大面积的弱点，保证了高速摄像机空间的高效利用，使得相机的体积更加小巧(如图2所示)。这种设计便于系统调试和升级。四块电路板可以按照功能分别调试，而且未来可以对其中某个模块进行升级或更换，而不会影响到其他模块。例如需要的时候可以对USB2.0的模块进行重新设计，改变高速摄像机的接口形式，而不需要更换其他模块。在图3中，USB板主要由MCU、CPLD#2、FIFO和USB2.0接口芯片组成，MCU负责初始化USB2.0接口芯片，并控制帧率调节、启动等重要信号。CPLD#2负责接收来自AD转换器的数字图像数据，并将数据高速写入USB2.0接口芯片。FIFO起到CPLD和USB2.0接口芯片之间的数据缓冲作用，以防止数据丢失。电源板不仅为高速摄像机提供电源，而且安装了高速摄像机对外的接插座，分别为USB插座和12V电源插座。在电源板上有一组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速视频采集系统，所述高速视频采集系统主要由高速摄像机、计算机和软件的模式构成；其特征在于：在由高速摄像机、计算机和软件组成的高速视频采集系统中，采用ＵＳＢ２．０作为数字视频的传输协议，其高速摄像机由光学镜头、驱动电路、视频信号预处理电路、ＡＤ转换电路、ＵＳＢ２．０数据接口、电源组成，将光信号转换成数字视频，通过ＵＳＢ２．０数据接口送入计算机；在计算机主板上集成有ＵＳＢ２．０接口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐磊，陈强，孙振国，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]