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基于FPGA的彩色线阵CCD工业相机

摘要

在当下的工业领域，机器视觉技术推动智能制造的发展，其应用领域涵盖了从民用

自动化生产到军用武器制造等诸多重要领域。机器视觉系统的关键部分是工业相机，它

具有高精度的图像采集功能，能够对待测物体进行快速准确的图像捕获和识别，并进行

复杂的图像分析。随着计算能力和图像处理算法的不断进步，工业相机的性能也在不断

提升，这进一步加速了智能制造行业的创新和发展。

本论文是研制了一种基于FPGA（Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵

列）的彩色线阵CCD（Charge-coupledDevice，感光耦合组件）工业相机，搭配对应的

上位机软件，能够实现在工业环境下对待测物的检测。主要工作包括硬件工作平台搭建、

软件算法的FPGA实现以及上位机开发。硬件工作平台采用传动辊模拟实际工业化流水

线，完成光学系统和相机底座的设计，硬件电路以EP4CE115F29I7型号的FPGA芯片

作为核心处理器，完成对相机的功能控制；利用硬件描述语言完成对CCD、模数转换器、

以太网芯片的驱动，实现对图像信息的采集、传输；通过FPGA对采集图像进行改进的

边缘提取算法处理，实现灰度变换、高斯滤波、边缘检测等图像处理算法，完成对待测

物的识别检测；在DDR2SDRAM（DoubleDataRate2SynchronousDynamicRandom

AccessMemory，第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器）中实现乒乓缓冲结构，

实现图像数据处理的流水线操作，加速算法执行效率；利用以太网将图像处理数据传输

到上位机进行显示或做进一步算法处理，上位机可通过串口控制硬件电路完成采集频率

设置、图像算法选择、处理数据传输等操作。

本论文实现了基于FPGA的彩色线阵CCD工业相机的设计，对其进行了功能验证

与测试。测试表明：本论文设计的CCD工业相机能够实现对待测物体的采集、处理、

显示，以异色大米和瑕疵布匹为检测对象，对黑米、红米、白垩米等异色大米进行检测，

其检测准确率能达到85%以上；对纯色布匹和纹理牛仔布匹存在的断经、污迹、破洞等

瑕疵进行检测，其识别准确率在90%左右。对相机参数进行评估，行分辨率5400像素，

最大行频11kHz，受限于网口传输速率，对于512×5400像素图像采集帧率为3帧/s，

与常用工业相机性能基本持平，在图像分辨率上提升接近20%。

关键词：工业相机；边缘检测；可编程逻辑器件；线阵CCD

基于FPGA的彩色线阵CCD工业相机

Abstract

Inthecurrentindustrialfield,machinevisiontechnologypromotesthedevelopmentof

intelligentmanufacturing,anditsapplicationareascovermanyimportantfieldsfromcivilian

automatedproductiontomilitaryweaponsmanufacturing.Thekeypartofthemachinevision

systemistheindustrialcamera,whichhashigh-precisionimageacquisitioncapabilitiesandis

capableoffastandaccurateimagecaptureandidentificationoftheobjecttobemeasured,as

wellascompleximageanalysis.Withthecontinuousadvancementofcomputingpowerand

imageprocessingalgorithms,theperformanceofindustrialcameras