基于GL0816傳感器的高速線陣CMOS相機系統(tǒng)設(shè)計

張軍亮， 戚 濤， 李 暉， 喬 健

(凌云光技術(shù)集團(tuán)有限責(zé)任公司 相機開發(fā)部，北京 100094)

1 引 言

隨著國產(chǎn)固態(tài)圖像傳感器及CMOS工藝技術(shù)的快速發(fā)展，面向印刷檢測市場及工業(yè)檢測領(lǐng)域所需的大幅面、高分辨率、高速線陣工業(yè)相機國產(chǎn)化研制成為可能[1-3]。

目前，高速線陣相機的研究大多集中在德國、美國、加拿大等歐美發(fā)達(dá)國家，如DALSA、E2V、Point Grey等，長期的研究探索使得國外的高速線陣相機有著優(yōu)良的性能和廣泛的市場[4-7]。和國外相比，國內(nèi)自主開發(fā)高分辨率高速線陣相機，無論產(chǎn)品種類和產(chǎn)品質(zhì)量都亟待提高。為了加快高分辨率高速線陣相機的國產(chǎn)化，國內(nèi)急需展開含自主知識產(chǎn)權(quán)的高分辨率高幀頻相機的研究，掌握包含CMOS圖像傳感器國產(chǎn)化、高速數(shù)據(jù)傳輸、控制、存儲和處理在內(nèi)的核心技術(shù)，積累相機開發(fā)經(jīng)驗，這對滿足將來我國在高清高速拍攝領(lǐng)域的需求具有積極推動意義[8]。

本文對國產(chǎn)高速CMOS圖像傳感器GL0816進(jìn)行了簡要介紹，并基于該傳感器設(shè)計了高分辨率高速線陣相機系統(tǒng)。相比于市場現(xiàn)有的高速線陣相機，本文所設(shè)計的相機系統(tǒng)憑借8K分辨率、50 kHz行頻、具有高信噪比、高動態(tài)范圍，貼近應(yīng)用的功能特性，能夠滿足可變碼檢測和不斷提速的需求，低成本、智能化功能設(shè)計能夠提高印刷產(chǎn)品線的競爭力[8-9]。

2 CMOS圖像傳感器

2.1 GL0816基本性能

GL0816是為高端工業(yè)檢測應(yīng)用而設(shè)計的8K分辨率線陣CMOS圖像傳感器，像素尺寸5 μm，包含16條線，線間隔為5 μm，芯片支持標(biāo)準(zhǔn)4線輸出模式以及4線TDI輸出模式(4×2-stage TDI(Time Delay Integration，時間延遲積分) mode)，2線黑白輸出模式行頻可達(dá)到200 kHz以上，以滿足工業(yè)檢測對檢測速度不斷提升的需求；為獲得更高的靈敏度，芯片可讀出16條線，使得在相機內(nèi)進(jìn)行TDI運算成為可能。GL0816傳感器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 GL0816圖像傳感器主要參數(shù)說明Tab.1 Main performance specifications of GL0816 image sensors

2.2 GL0816內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GL0816圖像傳感器的可讀像素為8 580×16，每行(即每條線)有8 580個像素，列方向共16條線，每4條線為一個分組，依次為R分量、G分量、B分量、W分量(黑白分量)，可通過設(shè)置地址寄存器選擇16線中任意線輸出。GL0816有66對LVDS輸出端口，每個端口支持800 Mb/s數(shù)據(jù)輸出。GL0816的數(shù)據(jù)讀出電路位于芯片底部，其中包括每行的采樣電路，放大電路和讀出電路。圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 GL0816圖像傳感器框圖Fig.1 GL0816 sensor block diagram

3 相機系統(tǒng)總體方案設(shè)計

3.1 相機系統(tǒng)的性能指標(biāo)

本相機系統(tǒng)是完成印刷質(zhì)量檢測視覺系統(tǒng)的圖像采集核心單元，它的性能指標(biāo)關(guān)乎視覺系統(tǒng)方案的應(yīng)用場景。綜合當(dāng)前印刷及工業(yè)檢測市場對高分辨率高速相機的需求，結(jié)合GL0816圖像傳感器的性能參數(shù)，本相機系統(tǒng)的性能關(guān)鍵指標(biāo)如表2所示。

表2 相機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Key technical indicators of camera system

3.2 相機系統(tǒng)架構(gòu)

基于圖像傳感器GL0816的高分辨率高速線陣相機由相機成像模塊、相機控制模塊、相機接口模塊等3部分組成，如圖2所示。

圖2 GL0816相機系統(tǒng)框圖Fig.2 GL0816 camera system block diagram

相機采集模塊主要有鏡頭可CMOS圖像傳感器構(gòu)成，鏡頭卡口采用M58接口，鏡頭結(jié)合印刷檢測需求，選用施耐德1068013型手動可變焦距鏡頭，工作距離100 cm，光信號通過鏡頭射入到CMOS圖像傳感器，完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。相機控制模塊采用FPGA作為主控制單元，為圖像傳感器提供驅(qū)動時序及控制信號，完成圖像采集。相機存儲模塊掛載2組DDR3L SDRAM，用作數(shù)字圖像處理過程中圖像緩存。相機采用GigE vision標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，輸出接口采用2×10 Gb/s SFP+接口，完成高分辨率實時圖像傳輸。

3.3 相機成像模塊

3.3.1 CMOS圖像傳感器驅(qū)動

相機的成像模塊由鏡頭和CMOS圖像傳感器組成，CMOS圖像傳感器接收被攝物體的光信息，利用光電效應(yīng)將光信息轉(zhuǎn)換成電信息，再通過CMOS內(nèi)部集成的ADC(Analog to Digital Converter)轉(zhuǎn)換將拍攝的信息以數(shù)字量傳給核心控制單元FPGA。

CMOS圖像傳感器要能正常出圖，正確的驅(qū)動時序必不可少。本相機系統(tǒng)的驅(qū)動時序通過XILINX廠商的XC7K325T-2FFG900IFPGA產(chǎn)生。GL0816的驅(qū)動時序分為積分階段(Integration Phase)、(Frame Overhead Time, FOT )幀轉(zhuǎn)移階段、讀階段(Read Phase)和空階段(Black phase)時序，曝光模式如圖3所示。

圖3 4線曝光模式Fig.3 Exposure in 4-line mode

圖4 4線模式最大行頻曝光時序Fig.4 Exposure timing under max line frequency in 4 line mode

圖3中，曝光過程可分為如下幾個階段：

(a)積分階段：該階段像素點完成光子的收集，持續(xù)時間長短是依據(jù)曝光時間調(diào)節(jié)的。

(b)幀轉(zhuǎn)移階段：該階段完成像素信號的采樣的轉(zhuǎn)移，該階段的持續(xù)時間依據(jù)時序而定。

(c)讀階段：包括像素數(shù)據(jù)的信號放大，信號量化，和信號輸出。

(d)空階段：根據(jù)行頻和曝光時間，額外插入的空白時間。

4線模式最大行頻曝光時序如圖4所示。

圖4中，當(dāng)RST保持高電平期間，TX[3∶0]的下降沿為積分開始。當(dāng)RST保持低電平期間，TX[3∶0]的下降沿為積分結(jié)束。如果要加大曝光時間，在幀轉(zhuǎn)移FOT階段之后，可以加入BLACK空階段。圖5為帶有10 bit ADC的讀階段時序圖。

圖5 4線10 bit模式讀階段時序圖Fig.5 READ phase timing in 4 line 10 bit mode

圖5中，左側(cè)信號為驅(qū)動GL0816的讀階段控制信號，時序圖給出了不同時刻各信號所需的電平及持續(xù)時間。在4-line 10 bit 模式下，一個完整的讀階段需要持續(xù)264個CLE_SEQ時鐘單元。圖6為帶有10 bit ADC的FOT階段時序圖。

圖6 4線10 bit模式FOT階段時序圖Fig.6 FOT phase timing in 4 line 10 bit mode

圖6中，左側(cè)信號為驅(qū)動GL0816的幀轉(zhuǎn)移階段控制信號，時序圖給出了不同時刻各信號所需的電平及持續(xù)時間。在4-line 10 bit 模式下，一個完整的幀轉(zhuǎn)移階段也需要持續(xù)264個CLE_SEQ時鐘單元。

3.3.2 圖像數(shù)據(jù)的輸出格式

由于傳感器的流水線特性，像素采樣和數(shù)據(jù)輸出之間有一個延時。即輸出第M行像素數(shù)據(jù)時，也在進(jìn)行第M+1行積分，如圖7所示。

圖7 4線模式流水線特性Fig.7 Pipeline characteristic in 4 line mode

4線模式輸出時，第一個讀階段，ROW(A)和ROW(B)分別從左側(cè)和右側(cè)數(shù)據(jù)鏈路讀出。 ROW(C)和ROW(D)在第二個讀出階段從左右兩側(cè)數(shù)據(jù)鏈路通道讀出。4線模式的數(shù)據(jù)輸出形式，如圖8所示。比如：在4-line模式下，設(shè)置總線選擇寄存器REG_PIX_SEL1_EN(D(47∶32))為二進(jìn)制0000 0001 0000 0001，REG_PIX_SEL2_EN(D(63∶48))為二進(jìn)制0001 0000 0001 0000，ROW(A)、ROW(B)、ROW(C)、ROW(D)將被選擇；ROW(A)、ROW(B)的像素數(shù)據(jù)將從左側(cè)33個LVDS數(shù)據(jù)通道讀出，ROW(C)、ROW(D)的像素數(shù)據(jù)將從右側(cè)33個LVDS數(shù)據(jù)通道讀出。同時，圖8數(shù)據(jù)輸出階段還需進(jìn)行數(shù)據(jù)通道校準(zhǔn)及無效像素輸出等設(shè)置。

圖8 4線模式數(shù)據(jù)輸出形式Fig.8 Data output format for 4-line mode

GL0816對電源的需求比較復(fù)雜，偏置電壓較多。4線輸出模式所需電源說明如表3所示。

由于所需的偏置電壓較多，模擬數(shù)字電源同時存在。表3中，VDD33A為模擬電壓，在電源拓?fù)湓O(shè)計時，通過100 NF的電容將其與其他數(shù)字電源隔離，減小數(shù)字電源對模擬電源的干擾。由于圖像傳感器需要多路偏置電壓，偏置電壓供電方案采用DAC (Digital to analog converter)+射極跟隨器，DAC通過IIC配置輸出多路數(shù)字電壓，經(jīng)過設(shè)計跟隨器進(jìn)行緩沖隔離，供給偏置電源。

表3 GL0816圖像傳感器電壓說明Tab.3 Power specification of GL0816 image sensor

3.4 相機控制模塊

FPGA作為現(xiàn)場可編程邏輯器件，具有靈活、可重構(gòu)等特點。相機控制系統(tǒng)和圖像傳感器驅(qū)動時序共用同一片F(xiàn)PGA，其中型號為XC7K325T-2FFG900I?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖9所示，F(xiàn)PGA軟核Micro Blaze通過SPI總線配置SENSOR寄存器、上電加載配置FLASH中FPGA配置文件、FPGA正常運行時讀寫數(shù)據(jù)FLASH。FPGA片外掛載兩組DDR3L SDRAM芯片，其中一組掛載FPGA HP BANK實現(xiàn)GigE vision協(xié)議8 Gb重傳機制，另外一組DDR3可用于圖像預(yù)處理算法。FPGA在2個10 Gb/s SFP+接口上采用GigE vision協(xié)議與上位機數(shù)據(jù)傳輸與命令交互。FPGA內(nèi)部邏輯主要劃分幾個邏輯單元：(1)數(shù)據(jù)處理單元，主要實現(xiàn)產(chǎn)生SENSOR驅(qū)動信號與數(shù)據(jù)接收、按照GF8K整體需求進(jìn)行對圖像數(shù)據(jù)處理功能。(2)圖像數(shù)據(jù)按照GigE vision協(xié)議傳輸單元，該單元主要實現(xiàn)GigE vision協(xié)議，將圖像預(yù)處理算法處理后圖像進(jìn)行打包成GigE vision協(xié)議數(shù)據(jù)格式，并通過SFP+接口輸出。(3)邏輯參數(shù)配置與控制單元，該單元主要采用Micro Blaze作為系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)包括與上位機實現(xiàn)指令交互、參數(shù)管理、監(jiān)控相機溫度過壓保護(hù)狀態(tài)等功能。

圖9 GL0816相機控制系統(tǒng)功能框圖Fig.9 GL0816 camera control system functional diagram

為滿足需求，DDR3L芯片的選型主要基于兩點：內(nèi)部容量和工作頻率?？紤]到GL0816的輸出數(shù)據(jù)率很高，為確保完整的接收和儲存高速的數(shù)據(jù)流，在選擇DDR3L芯片時須注意頻率和帶寬參數(shù)。本設(shè)計最終選擇Micron公司的MT41K256M16HA，其單片存儲容量為4 Gb，位寬16 bit，數(shù)據(jù)傳輸速率最高為1 600 Mb/s，可滿足系統(tǒng)幀頻實時監(jiān)控需求。

3.5 相機接口模塊

相機系統(tǒng)輸出接口完成圖像數(shù)據(jù)輸出及上位機顯示。由于相機成像數(shù)據(jù)量較大，對輸出接口實時傳輸速度要求也較高。常見的工業(yè)相機接口見表4。

表4 高速相機常用接口對比Tab.4 High-speed camera interface comparison

通過表4相機接口特點的對比，結(jié)合系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，選擇10 GigEvision 作為圖像輸出接口協(xié)議，選擇高密度、低功耗、低成本的 SFP+ 作為輸出接口，可滿足8K像素50 kHz行頻的相機實時傳輸高分辨率高速圖像數(shù)據(jù)的要求。

4 測量實驗與結(jié)果

4.1 分辨率測試

對所設(shè)計相機系統(tǒng)進(jìn)行分辨率測試實驗，實驗環(huán)境如圖10所示。

圖10 相機系統(tǒng)分辨率測試Fig.10 Camera system resolution test

測試環(huán)境包含被測試相機(含鏡頭)，測試用光源，靶標(biāo)，用于控制行頻的運動軌道，及上位機。

系統(tǒng)過程中，相機曝光時間設(shè)置為80 μs，行頻設(shè)置為50 kHz，系統(tǒng)通過DDR3L緩存CMOS圖像傳感器所采集到的圖像，通過SFP+圖像傳輸?shù)缴衔粰C顯示。所采集到的靶標(biāo)如圖11所示。

圖11 (a) 相機系統(tǒng)圖卡測試；(b) 相機系統(tǒng)靶標(biāo)測試.Fig.11 (a) Camera system PIC Card test; (b) Camera system target test.

圖11(a)為圖卡測試，圖11(b)為靶標(biāo)測試。測試圖表明，相機系統(tǒng)能對行頻50 kHz、每行分辨率8 192、2 000行一幀的圖像進(jìn)行清晰成像。

4.2 信噪比與動態(tài)范圍測試

根據(jù)EMVA1288測試標(biāo)準(zhǔn)[9]，對所設(shè)計的相機系統(tǒng)在4-line10 bit輸出模式，未開啟圖像預(yù)處理算法時，進(jìn)行信噪比和動態(tài)范圍進(jìn)行測試，測試實驗環(huán)境如圖12所示。

圖12 相機系統(tǒng)信噪比動態(tài)范圍測試Fig.12 Camera system SNR and DR test

測試環(huán)境包含被測試相機(不含鏡頭)、積分球、暗室、導(dǎo)軌運動系統(tǒng)及上位機。

搭建測試環(huán)境，采集明場、暗場圖像。

(1)信噪比的測試方法如下：

(a)采集明場，暗場環(huán)境下不同曝光時間的數(shù)字信號均值μy、μy.dark。

(b)計算方差σy，帶入式(1)計算不同曝光時間的信噪比SNR大小。

(1)

式中：μy為傳感器輸出的數(shù)字信號均值，μy.dark暗場時傳感器輸出的數(shù)字信號均值，σy為傳感器輸出的數(shù)字信號的方差。

(2)動態(tài)范圍的測試方法如下：

(a)找出飽和輸出均值μy.sat和信噪比SNR=1時的輸出均值μy.min值。

(b)找出暗場飽和輸出均值μy.dark.sat和信噪比SNR=1時的暗場輸出均值μy.dark.min。

(c)帶入式(2)計算動態(tài)范圍DR。

(2)

式中:μy.sat為傳感器輸出的數(shù)字信號飽和輸出均值，μy.min為信噪比SNR=1時的輸出值均值，μy.dark.sat為暗場時傳感器飽和輸出均值，μy.dark.min為暗場SNR=1時，傳感器輸出均值。

通過公式(2)得到表5所示的相機系統(tǒng)信噪比和動態(tài)范圍。

表5 相機系統(tǒng)信噪比和動態(tài)范圍性能Tab.5 Camera system SNR and dynamic range performance indicators

由表5可知：所設(shè)計的相機系統(tǒng)最大信噪比40.945 9 dB，最大動態(tài)范圍57.320 6 dB。滿足印刷等工業(yè)檢測市場線陣相機的需求。

5 結(jié) 論

本設(shè)計將GPIXEL公司的GL0816型CMOS圖像傳感器運用在微米級高分辨率高速線陣相機系統(tǒng)中，與國內(nèi)外其他相機相比在行分辨率行頻及高速實時顯示方面都有很大提升；基于GL0816傳感器芯片構(gòu)建的相機采集系統(tǒng)采用FPGA作為系統(tǒng)控制核心，以GigE vision2.0協(xié)議為輸出標(biāo)準(zhǔn)，SFP+作為相機接口，行分辨率8 192，連續(xù)采集2 000行，行頻50 kHz；動態(tài)范圍57.32 dB，信噪比40.95 dB。在高速相機內(nèi)部，掛載大容量DDR3L SDRAM作為圖像緩存器，通過SFP+在上位機實時顯示采集圖像。本高速相機系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于印刷等高端工業(yè)檢測行業(yè)。