基于GL0816传感器的高速线阵CMOS相机系统设计

张军亮， 戚 涛， 李 晖， 乔 健

(凌云光技术集团有限责任公司 相机开发部，北京 100094)

1 引 言

随着国产固态图像传感器及CMOS工艺技术的快速发展，面向印刷检测市场及工业检测领域所需的大幅面、高分辨率、高速线阵工业相机国产化研制成为可能[1-3]。

目前，高速线阵相机的研究大多集中在德国、美国、加拿大等欧美发达国家，如DALSA、E2V、Point Grey等，长期的研究探索使得国外的高速线阵相机有着优良的性能和广泛的市场[4-7]。和国外相比，国内自主开发高分辨率高速线阵相机，无论产品种类和产品质量都亟待提高。为了加快高分辨率高速线阵相机的国产化，国内急需展开含自主知识产权的高分辨率高帧频相机的研究，掌握包含CMOS图像传感器国产化、高速数据传输、控制、存储和处理在内的核心技术，积累相机开发经验，这对满足将来我国在高清高速拍摄领域的需求具有积极推动意义[8]。

本文对国产高速CMOS图像传感器GL0816进行了简要介绍，并基于该传感器设计了高分辨率高速线阵相机系统。相比于市场现有的高速线阵相机，本文所设计的相机系统凭借8K分辨率、50 kHz行频、具有高信噪比、高动态范围，贴近应用的功能特性，能够满足可变码检测和不断提速的需求，低成本、智能化功能设计能够提高印刷产品线的竞争力[8-9]。

2 CMOS图像传感器

2.1 GL0816基本性能

GL0816是为高端工业检测应用而设计的8K分辨率线阵CMOS图像传感器，像素尺寸5 μm，包含16条线，线间隔为5 μm，芯片支持标准4线输出模式以及4线TDI输出模式(4×2-stage TDI(Time Delay Integration，时间延迟积分) mode)，2线黑白输出模式行频可达到200 kHz以上，以满足工业检测对检测速度不断提升的需求；为获得更高的灵敏度，芯片可读出16条线，使得在相机内进行TDI运算成为可能。GL0816传感器的主要参数如表1所示。

表1 GL0816图像传感器主要参数说明Tab.1 Main performance specifications of GL0816 image sensors

2.2 GL0816内部结构

GL0816图像传感器的可读像素为8 580×16，每行(即每条线)有8 580个像素，列方向共16条线，每4条线为一个分组，依次为R分量、G分量、B分量、W分量(黑白分量)，可通过设置地址寄存器选择16线中任意线输出。GL0816有66对LVDS输出端口，每个端口支持800 Mb/s数据输出。GL0816的数据读出电路位于芯片底部，其中包括每行的采样电路，放大电路和读出电路。图像传感器的内部结构框图如图1所示。

图1 GL0816图像传感器框图Fig.1 GL0816 sensor block diagram

3 相机系统总体方案设计

3.1 相机系统的性能指标

本相机系统是完成印刷质量检测视觉系统的图像采集核心单元，它的性能指标关乎视觉系统方案的应用场景。综合当前印刷及工业检测市场对高分辨率高速相机的需求，结合GL0816图像传感器的性能参数，本相机系统的性能关键指标如表2所示。

表2 相机系统关键技术指标Tab.2 Key technical indicators of camera system

3.2 相机系统架构

基于图像传感器GL0816的高分辨率高速线阵相机由相机成像模块、相机控制模块、相机接口模块等3部分组成，如图2所示。

图2 GL0816相机系统框图Fig.2 GL0816 camera system block diagram

相机采集模块主要有镜头可CMOS图像传感器构成，镜头卡口采用M58接口，镜头结合印刷检测需求，选用施耐德1068013型手动可变焦距镜头，工作距离100 cm，光信号通过镜头射入到CMOS图像传感器，完成光信号到电信号的转换。相机控制模块采用FPGA作为主控制单元，为图像传感器提供驱动时序及控制信号，完成图像采集。相机存储模块挂载2组DDR3L SDRAM，用作数字图像处理过程中图像缓存。相机采用GigE vision标准协议，输出接口采用2×10 Gb/s SFP+接口，完成高分辨率实时图像传输。

3.3 相机成像模块

3.3.1 CMOS图像传感器驱动

相机的成像模块由镜头和CMOS图像传感器组成，CMOS图像传感器接收被摄物体的光信息，利用光电效应将光信息转换成电信息，再通过CMOS内部集成的ADC(Analog to Digital Converter)转换将拍摄的信息以数字量传给核心控制单元FPGA。

CMOS图像传感器要能正常出图，正确的驱动时序必不可少。本相机系统的驱动时序通过XILINX厂商的XC7K325T-2FFG900IFPGA产生。GL0816的驱动时序分为积分阶段(Integration Phase)、(Frame Overhead Time, FOT )帧转移阶段、读阶段(Read Phase)和空阶段(Black phase)时序，曝光模式如图3所示。

图3 4线曝光模式Fig.3 Exposure in 4-line mode

图4 4线模式最大行频曝光时序Fig.4 Exposure timing under max line frequency in 4 line mode

图3中，曝光过程可分为如下几个阶段：

(a)积分阶段：该阶段像素点完成光子的收集，持续时间长短是依据曝光时间调节的。

(b)帧转移阶段：该阶段完成像素信号的采样的转移，该阶段的持续时间依据时序而定。

(c)读阶段：包括像素数据的信号放大，信号量化，和信号输出。

(d)空阶段：根据行频和曝光时间，额外插入的空白时间。

4线模式最大行频曝光时序如图4所示。

图4中，当RST保持高电平期间，TX[3∶0]的下降沿为积分开始。当RST保持低电平期间，TX[3∶0]的下降沿为积分结束。如果要加大曝光时间，在帧转移FOT阶段之后，可以加入BLACK空阶段。图5为带有10 bit ADC的读阶段时序图。

图5 4线10 bit模式读阶段时序图Fig.5 READ phase timing in 4 line 10 bit mode

图5中，左侧信号为驱动GL0816的读阶段控制信号，时序图给出了不同时刻各信号所需的电平及持续时间。在4-line 10 bit 模式下，一个完整的读阶段需要持续264个CLE_SEQ时钟单元。图6为带有10 bit ADC的FOT阶段时序图。

图6 4线10 bit模式FOT阶段时序图Fig.6 FOT phase timing in 4 line 10 bit mode

图6中，左侧信号为驱动GL0816的帧转移阶段控制信号，时序图给出了不同时刻各信号所需的电平及持续时间。在4-line 10 bit 模式下，一个完整的帧转移阶段也需要持续264个CLE_SEQ时钟单元。

3.3.2 图像数据的输出格式

由于传感器的流水线特性，像素采样和数据输出之间有一个延时。即输出第M行像素数据时，也在进行第M+1行积分，如图7所示。

图7 4线模式流水线特性Fig.7 Pipeline characteristic in 4 line mode

4线模式输出时，第一个读阶段，ROW(A)和ROW(B)分别从左侧和右侧数据链路读出。 ROW(C)和ROW(D)在第二个读出阶段从左右两侧数据链路通道读出。4线模式的数据输出形式，如图8所示。比如：在4-line模式下，设置总线选择寄存器REG_PIX_SEL1_EN(D(47∶32))为二进制0000 0001 0000 0001，REG_PIX_SEL2_EN(D(63∶48))为二进制0001 0000 0001 0000，ROW(A)、ROW(B)、ROW(C)、ROW(D)将被选择；ROW(A)、ROW(B)的像素数据将从左侧33个LVDS数据通道读出，ROW(C)、ROW(D)的像素数据将从右侧33个LVDS数据通道读出。同时，图8数据输出阶段还需进行数据通道校准及无效像素输出等设置。

图8 4线模式数据输出形式Fig.8 Data output format for 4-line mode

GL0816对电源的需求比较复杂，偏置电压较多。4线输出模式所需电源说明如表3所示。

由于所需的偏置电压较多，模拟数字电源同时存在。表3中，VDD33A为模拟电压，在电源拓扑设计时，通过100 NF的电容将其与其他数字电源隔离，减小数字电源对模拟电源的干扰。由于图像传感器需要多路偏置电压，偏置电压供电方案采用DAC (Digital to analog converter)+射极跟随器，DAC通过IIC配置输出多路数字电压，经过设计跟随器进行缓冲隔离，供给偏置电源。

表3 GL0816图像传感器电压说明Tab.3 Power specification of GL0816 image sensor

3.4 相机控制模块

FPGA作为现场可编程逻辑器件，具有灵活、可重构等特点。相机控制系统和图像传感器驱动时序共用同一片FPGA，其中型号为XC7K325T-2FFG900I。控制系统框图如图9所示，FPGA软核Micro Blaze通过SPI总线配置SENSOR寄存器、上电加载配置FLASH中FPGA配置文件、FPGA正常运行时读写数据FLASH。FPGA片外挂载两组DDR3L SDRAM芯片，其中一组挂载FPGA HP BANK实现GigE vision协议8 Gb重传机制，另外一组DDR3可用于图像预处理算法。FPGA在2个10 Gb/s SFP+接口上采用GigE vision协议与上位机数据传输与命令交互。FPGA内部逻辑主要划分几个逻辑单元：(1)数据处理单元，主要实现产生SENSOR驱动信号与数据接收、按照GF8K整体需求进行对图像数据处理功能。(2)图像数据按照GigE vision协议传输单元，该单元主要实现GigE vision协议，将图像预处理算法处理后图像进行打包成GigE vision协议数据格式，并通过SFP+接口输出。(3)逻辑参数配置与控制单元，该单元主要采用Micro Blaze作为系统的控制核心，实现包括与上位机实现指令交互、参数管理、监控相机温度过压保护状态等功能。

图9 GL0816相机控制系统功能框图Fig.9 GL0816 camera control system functional diagram

为满足需求，DDR3L芯片的选型主要基于两点：内部容量和工作频率。考虑到GL0816的输出数据率很高，为确保完整的接收和储存高速的数据流，在选择DDR3L芯片时须注意频率和带宽参数。本设计最终选择Micron公司的MT41K256M16HA，其单片存储容量为4 Gb，位宽16 bit，数据传输速率最高为1 600 Mb/s，可满足系统帧频实时监控需求。

3.5 相机接口模块

相机系统输出接口完成图像数据输出及上位机显示。由于相机成像数据量较大，对输出接口实时传输速度要求也较高。常见的工业相机接口见表4。

表4 高速相机常用接口对比Tab.4 High-speed camera interface comparison

通过表4相机接口特点的对比，结合系统性能指标的要求，选择10 GigEvision 作为图像输出接口协议，选择高密度、低功耗、低成本的 SFP+ 作为输出接口，可满足8K像素50 kHz行频的相机实时传输高分辨率高速图像数据的要求。

4 测量实验与结果

4.1 分辨率测试

对所设计相机系统进行分辨率测试实验，实验环境如图10所示。

图10 相机系统分辨率测试Fig.10 Camera system resolution test

测试环境包含被测试相机(含镜头)，测试用光源，靶标，用于控制行频的运动轨道，及上位机。

系统过程中，相机曝光时间设置为80 μs，行频设置为50 kHz，系统通过DDR3L缓存CMOS图像传感器所采集到的图像，通过SFP+图像传输到上位机显示。所采集到的靶标如图11所示。

图11 (a) 相机系统图卡测试；(b) 相机系统靶标测试.Fig.11 (a) Camera system PIC Card test; (b) Camera system target test.

图11(a)为图卡测试，图11(b)为靶标测试。测试图表明，相机系统能对行频50 kHz、每行分辨率8 192、2 000行一帧的图像进行清晰成像。

4.2 信噪比与动态范围测试

根据EMVA1288测试标准[9]，对所设计的相机系统在4-line10 bit输出模式，未开启图像预处理算法时，进行信噪比和动态范围进行测试，测试实验环境如图12所示。

图12 相机系统信噪比动态范围测试Fig.12 Camera system SNR and DR test

测试环境包含被测试相机(不含镜头)、积分球、暗室、导轨运动系统及上位机。

搭建测试环境，采集明场、暗场图像。

(1)信噪比的测试方法如下：

(a)采集明场，暗场环境下不同曝光时间的数字信号均值μy、μy.dark。

(b)计算方差σy，带入式(1)计算不同曝光时间的信噪比SNR大小。

(1)

式中：μy为传感器输出的数字信号均值，μy.dark暗场时传感器输出的数字信号均值，σy为传感器输出的数字信号的方差。

(2)动态范围的测试方法如下：

(a)找出饱和输出均值μy.sat和信噪比SNR=1时的输出均值μy.min值。

(b)找出暗场饱和输出均值μy.dark.sat和信噪比SNR=1时的暗场输出均值μy.dark.min。

(c)带入式(2)计算动态范围DR。

(2)

式中:μy.sat为传感器输出的数字信号饱和输出均值，μy.min为信噪比SNR=1时的输出值均值，μy.dark.sat为暗场时传感器饱和输出均值，μy.dark.min为暗场SNR=1时，传感器输出均值。

通过公式(2)得到表5所示的相机系统信噪比和动态范围。

表5 相机系统信噪比和动态范围性能Tab.5 Camera system SNR and dynamic range performance indicators

由表5可知：所设计的相机系统最大信噪比40.945 9 dB，最大动态范围57.320 6 dB。满足印刷等工业检测市场线阵相机的需求。

5 结 论

本设计将GPIXEL公司的GL0816型CMOS图像传感器运用在微米级高分辨率高速线阵相机系统中，与国内外其他相机相比在行分辨率行频及高速实时显示方面都有很大提升；基于GL0816传感器芯片构建的相机采集系统采用FPGA作为系统控制核心，以GigE vision2.0协议为输出标准，SFP+作为相机接口，行分辨率8 192，连续采集2 000行，行频50 kHz；动态范围57.32 dB，信噪比40.95 dB。在高速相机内部，挂载大容量DDR3L SDRAM作为图像缓存器，通过SFP+在上位机实时显示采集图像。本高速相机系统可广泛应用于印刷等高端工业检测行业。