机器视觉系统，是一种非接触式的光学传感系统。
它同时集成软硬件，能够自动地从所采集到的图像中获取信息或者产生控制动作。自起步发展到现在，机器视觉已有15年的历史，主要经历了数字电路组成、PC机和输出设备组成、嵌入式三个阶段，其中，嵌入式机器视觉系统依托专业计算机技术，具有实时多任务操作系统、高效压缩芯片和功能强大的微处理器，可将视频压缩、传输与处理工作全部内置到芯片上，通过内部处理后可以直接连入以太网或广域网，完成网络实时远程监控，是目前的研究热点之一。
在国内外研究中，嵌入式机器视觉系统实现方式主要有三种：
(1)基于标准总线，采用DSP作为运算和控制处理器的系统。DSP芯片虽然能够处理大量信息和高速运行，但其I/O接口单一，不易扩展，控制能力较弱，尚存在一定局限性。
(2)基于DSP+FPGA 的机器视觉系统。FPGA 与DSP的结合，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度，但FPGA 使用的是硬件描述语言，其算法开发具有很大的难度，功能实现由硬件控制，系统受环境影响较大。
(3)采用ARM微处理器或采用ARM+DSP构建方式的机器视觉系统，这种构建方式人机交互功能强大，集成度高、实时性好、支持多任务，但该系统中ARM 与DSP的数据交换方法仍采用外部电路连接，增加了系统的不稳定性。
综合上述技术方案的优点和缺点，本文提出了一种新型机器视觉系统，实现图像信息的高速采集与存储。
其核心芯片选取TI公司最新生产的先进的双核嵌入式芯片，将ARM处理器和DSP处理器集成在一个芯片中，通过软件编程即完成ARM与DSP的协调工作。由该芯片构建开发的机器视觉处理系统，凭借植入Linux系统的ARM 处理器的优异的控制性能，配合DSP 的强大运算处理能力将保证系统拥有良好的实时性和稳定性，可以为机器视觉的研究和应用提供很好的视频采集与处理硬件平台。
1 系统功能
本系统为一高速图像数据采集存储系统，通过软硬件设计能够实现：两路分辨率640×480,帧频60 f/s,12 b/pixel;一路分辨率1 024×1 024,帧频60 f/s,12 b/pixel三路输入信号实时采集。实时无压缩存储。
如图1所示，系统通过串口控制图像传感器，使三路图像数据信号、时钟以及各种同步信号按要求输入，系统依次进行图像信号的采集、数据处理、存储。系统利用自带的接口可实现显示、上位机通信、键盘控制等更多的功能，能够实现友好的人机对话。
2 硬件设计
本系统选取TI 公司达芬奇系列最新的TMS320DM8168 芯片。此芯片集成了1 GHz ARMCortex-A8、1 GHz TI C674x 浮点DSP、若干二代可编程高清视频影像协处理器、一个创新型高清视频处理子系统(HDVPSS)以及综合编解码器，支持包括高清分辨率的H.264、MPEG-4 以及VC1.并且包含千兆以太网、PCI Express、SATA2、DDR2、DDR3、USB 2.0、MMC/SD、HDMI以及DVI等多种接口，可支持更多功能的扩展和复杂应用。
利用该芯片设计并实现两路或三路不同分辨率的图像信号的采集、处理与显示，硬件原理图如图2 所示。实现该系统的开发与设计所涉及的硬件模块有：图像采集接口模块、图像采集模块、图像存储模块、外围接口模块。
2.1 图像采集接口模块
作为图像传感器和高速采集系统的连接模块，该模块可对USB接口相机或Camera Link接口相机进行图像采集与控制。USB 接口连接十分方便，由于系统具有USB 外围接口，按照USB 标准协议连接即可。CameraLink接口具有开放式的接口协议，使得不同厂家既能保持产品的差异性，又能互相兼容，因此系统中的图像采集接口模块采用了Camera Link接口协议。该模块分别使用了DS90CR288A 、DS90LV049、DS90LV047 完成图像传感器的控制、图像信息的采集及图像传感器与图像采集系统的双向通信。
2.2 图像采集模块
TMS320DM8168 的HDVPSS(HD Video ProcessingSubsystem)提供了视频输入接口和视频输出接口。视频输入接口提供了外部图像设备(如图像传感器、视频解码器等)的接入。
HDVPSS可支持高达3 个60 f/s的1080p通道、同时支持16 个通道的CIF 数据流的H.264 高画质D1 编码与8通道D1解码;支持2个独立的视频捕捉输入端口，每个视频输入端口支持缩放、像素格式转换。两个视频输入捕捉端口均能以1个16 b输入通道(带分离的Y和Cb/Cr输入)，或2个时钟独立的8 b输入通道操作(带交织的Y/C数据输入)。第一个视频输入端口能以24 b模式操作以支持RGB捕捉。所有采集模式捕捉时钟高达165 MHz,可满足高速率的图像采集。
高清视频处理子系统(HDVPSS)有两个独立视频捕捉输入端口VIP0与VIP1.VIP0可配置成24 b、16 b、和两个独立的8 b 模式，VIP1 可配置成16 b、和两个独立的8 b.从捕捉频率和各种配置模式可看出，针对不同的流量，可以有多种实现方法。为了存储设计简单，本方案将VIP0配置为24 b进行采集。在此模式下，最高流量为165M × 24 8 = 495 MB/s,可以满足流量要求。
从最高捕捉时钟可知，每次采集间隔在1 165M,约为6.1 ns.经计算，也为了设计方便，拟采用三个帧频均为200 f/s的Base配置的Camera Link相机，帧频控制均为外部触发方式，该Camera Link相机一次输出两个像素，每像素12 b,即2×12 b,刚好可以和VIP0的24 b匹配采集。以三路信号分时采集为例，如图3所示，3路信号的采集方法为3个相机轮流采集，即一个循环内每个相机各采一帧，这就需要实现3路分时采集的时序信号。由定时器产生一个1/200 s的脉宽，经延时环节使帧频高电平分时分路送入三个相机;3路采集信号时序关系为一个相机不进行延时，一个相机延时1/200 s,最后一个延时2/200 s.
相机通过DS90LV047A收到指令后，将拍摄到的图像数据分为4路LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号，通过接口连接器MDR26 传输到DS90CR288A;DS90CR288A 将串行数据转换成28 路并行信号和1 路随路时钟信号，并传送至TMS320DM8168视频捕捉端口VIP0进行采集。
2.3 图像存储模块
从上述设计方案，系统存储速率约为160 MB/s,数据量较大，可选择大容量、高速的固态硬盘，通过其SATA2接口写入。
数据采集结束后，通过配置HDVPSS子系统将数据送入VPDMA,最后转入DDR 内存，当DDR 内存的数据量达到设定的数据量时产生中断，中断发生后，根据存放地址启动内存和固态硬盘之间的DMA 传输，将采集的图像通过SATA2接口存储在SSD上，实现数据存储。
然后启动定时器产生下一个帧频脉冲，开始下一周期的数据采集。
外部扩展存储器选取系统支持的DDR3(1 600)存储器。按照系统存储控制器位宽32 b 来算，内存速率可达32/8×1 600M=6.4 GB/s.在该模式下，采集和存储可并行处理。缓存所采集的数据移动到DDR3内存，其速率远高于端口采集的每秒数据量。因为该方案的采集方式是每帧轮流采集，并且帧内数据已按顺序紧凑排列，可大幅减少数据的重排工作，仅需去除一些辅助数据。采集系统将其余相关信号全部置成一帧一行的形式，让相机的时钟信号与系统采集端口的时钟信号通信，图像信号前有少量的辅助数据，设置DMA起始地址时直接跳过辅助数据。所以在本系统几乎不运行程序的情况下，固态硬盘可以最少有80%的时间占据DMA控制权进行内存图像数据的存储。按所选取的硬盘的持续写入速率250 MB/s 来算，250×0.8=200 MB/s 大于160 MB/s,所以1 s采集的数据可以进行实时存储。数据上传后，可以选择清除原有数据，释放硬盘空间。
2.4 外围接口模块
基于TMS320DM8168芯片丰富的外设接口，本系统能够灵活的进行外部接口设计来控制外围设备，并实现与外部处理器的通信功能。根据需求可供选取的接口有：2 个具有GMII 和MDIO 接口的千兆位以太网MAC(10 Mb/s,100 Mb/s,1 000 Mb/s);2个具有集成2.0 PHY的USB端口;双DDR2/3 SDRAM接口等，可参考图2.
TMS320DM8168 的两个USB 口可满足将采集的图像数据上传给上位机时连接键盘鼠标，LCD、VGA 接口可用来直接显示图像。串口亦可用来同上位机进行通信，且可用来控制本设计方案用到的Camera Link 相机。千兆网接口以其超高的速率可满足图像数据的高速传输。
上述技术的实现主要通过软件编程驱动外设接口来实现，具体方案见软件设计。
3 软件设计
本系统采用Linux操作系统，带有友好的界面，使操作更加灵活自如，能运行多任务。可以通过界面进行相机控制、图像的采集、停止、显示、图像上传等。这部分的开发可由两部分组成，移植和自主开发。软件设计如图4所示。
