一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统

摘要

本发明公开了一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，包括工业CCD、至少一个安装有CCD设备服务、图像处理服务软件的嵌入式前置控制器、辅助控制器，所述前置控制器通过PCIE扩展网卡与各CCD连接，以实现多路CCD图像的并行采集，并根据当前CCD连接的个数进行图像处理，最终以同步或者事件机制将图像传送至客户端。本发明提供一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，能够通过嵌入式前置控制器与辅助控制器的配合，实现电网口CCD的电源及挡板亮度控制、多路CCD的并行采集、处理，满足多路CCD的实时监控需求。

权利要求

1.一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，包括：在光路准直控制系统中进行图像采集的多个工业CCD；

至少一个安装有CCD设备服务及图像处理服务软件的嵌入式前置控制器；

与各前置控制器相配合以对各CCD电源、挡板亮度进行调节的辅助控制器；

与前置控制器通信连接的客户端；

其中，所述前置控制器通过PCIE扩展网卡与各CCD连接，以实现多路CCD图像的并行采集，并根据当前CCD连接的个数进行图像处理，即通过当前处理的CCD个数对图像处理或视频处理的效果进行调整，如个数少，则图像像素、清晰度可设置为较高，反之设置为较低，以满足大规模CCD处理的顺畅度，最终以同步或者事件机制将图像传送至客户端；

CCD设备服务对外提供一致性命令和属性接口，不同类型的CCD通过调用相应的CCD驱动实现CCD控制功能；

CCD设备服务对外提供图像处理接口，CCD设备服务直接调用图像处理服务获得图像处理接口，并返回给用户；

所述嵌入式前置控制器均被配置为采用能运行Ubuntu或Windows操作系统的处理器，以通过该处理器运行CCD设备服务及图像处理服务；

其中，所述CCD设备服务实现CCD的触发模式、采集模式、挡板亮度控制、图像采集、图像格式、图像大小和采集频率相应功能的切换或控制，且单个CCD设备服务仅运行一台CCD设备，并通过网卡绑定单个CCD，以在网卡设备设置IP地址和MAC地址后，CCD设备服务即可建立与硬件CCD的连接；

所述图像处理服务根据CCD远场、CCD近场、远场腔镜、远场反转器、远场或近场通用图像获得光斑中心位置，实现光路准直控制的图像处理，并能远程升级图像处理算法；

所述客户端可订阅CCD设备服务，实现上百路CCD的并行监视。

2.如权利要求 1 所述的面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，每个嵌入式前置控制器分别连接有两个PCIE扩展网卡，以实现8路1GbE的RJ45标准网口的扩展，进而实现8路CCD的硬件并行采集。

3.如权利要求 1 所述的面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，所述嵌入式前置控制器均被配置为通过下行以太网接口连接辅助控制器，以实现CCD电源及挡板亮度的控制。

4.如权利要求 1 所述的面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，每个嵌入式前置控制器均能通过SATAIII接口扩展硬件存储空间，通过标准1000Base‑T实现上行网络，通过PCIEx1扩展网卡及I1210LM芯片实现下行1000Base‑T网络扩展。

5.如权利要求1所述的面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，所述辅助控制器通过单片机MCU芯片STM32F407IG实现8路CCD的电源供电、电同步触发信号、挡板电源供电及RS485串口通讯，并通过百兆网口芯片W5500对外提供通讯接口。

6.如权利要求1所述的面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，各所述CCD分别通过RJ45连接至嵌入式前置控制器；

各所述CCD分别通过M8接口连接辅助控制器电缆接口；

各嵌入式前置控制器均通过RJ45连接辅助控制器网络接口。

7.如权利要求1所述的面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其特征在于，所述客户端上设置有上位机程序，以通过客户端API调用CCD设备服务接口实现CCD的控制与监视功能；

其中，在对多路及多达上百路CCD进行监控时，上位机程序通过设置CCD的压缩尺寸大小、采集频率及压缩格式，并订阅压缩图像属性，客户端接受事件后根据图像来源显示到相应通道上，实现多路CCD的并行监视。

说明书

一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大型激光装置光路准直控制情况下使用的系统。更具体地说，本发明涉及一种大型激光装置光路准直控制系统中采用CCD进行视频监控的面向光路准直控
制的多通道图像采集处理系统。

背景技术

[0002] 大型激光装置光路准直控制系统中存在大量不同厂商的CCD，其运行于黑暗的真空环境中，需要通过挡板避免强激光的损伤，调节LED亮度值来满足CCD暗场成像的需求。且
在准直过程中，图像采集处理软件要满足多光路并行准直及多CCD并行监控的需求。

[0003] 传统的视频监控系统无法满足光路准直控制的需求，如硬触发采集、图像处理等。当前光路准直控制软件运行于虚拟计算机或PC机中，在单进程内通过线程锁实现多路CCD
的并行采集，基本满足了光路准直控制需求。但其同步触发、CCD供电、挡板亮度控制及汇聚
交换机等硬件设备占用过多硬件集成空间，且不同厂商的CCD面临驱动冲突的风险，CCD直
接接入网络时其UDP传输机制已引起网络广播风暴，软件耦合性较差，上位机软件较难实现
多路CCD的并行监视。尤其是随着光路规模的增大，上述方式较难满足控制系统的并行监控
需求。

发明内容

[0004] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

[0005] 本发明还有一个目的是提供一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，其能够通过嵌入式前置控制器与辅助控制器的配合，具有软件耦合性强，能实现电网口CCD
的电源及挡板亮度控制、多路CCD的并行采集、处理，满足实时监控的需求。

[0006] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统，包括：

[0007] 在光路准直控制系统中进行图像采集的多个工业CCD；

[0008] 至少一个安装有CCD设备服务及图像处理服务软件的嵌入式前置控制器；

[0009] 与各前置控制器相配合以对各CCD电源、挡板亮度进行调节的辅助控制器；

[0010] 与前置控制器通信连接的客户端；

[0011] 其中，所述前置控制器通过PCIE扩展网卡与各CCD连接，以实现多路CCD图像的并行采集，并根据当前CCD连接的个数进行图像处理，最终以同步或者事件机制将图像传送至
客户端。

[0012] 优选的是，所述嵌入式前置控制器均被配置为采用能运行Ubuntu操作系统的处理器，以通过该处理器运行CCD设备服务及图像处理服务；

[0013] 其中，所述CCD设备服务实现CCD的触发模式、采集模式、挡板亮度控制、图像采集、图像格式、图像大小和采集频率相应功能的切换或控制，且单个CCD设备服务仅运行一台
CCD设备，并通过网卡绑定单个CCD，以在网卡设备设置IP地址和MAC地址后，CCD设备服务即
可建立与硬件CCD的连接；

[0014] 所述图像处理服务根据CCD远场、CCD近场、远场腔镜、远场反转器、远场或近场通用图像获得光斑中心位置，实现光路准直控制的图像处理，并能远程升级图像处理算法；

[0015] 所述客户端可订阅CCD设备服务，实现上百路CCD的并行监视。

[0016] 优选的是，每个嵌入式前置控制器分别连接有两个PCIE扩展网卡，以实现8路1GbE的RJ45标准网口的扩展，进而实现8路CCD的硬件并行采集。

[0017] 优选的是，所述嵌入式前置控制器均被配置为通过下行以太网接口连接辅助控制器，以实现CCD电源及挡板亮度的控制。

[0018] 优选的是，每个嵌入式前置控制器均能通过SATAIII接口扩展硬件存储空间，通过标准1000Base‑T实现上行网络，通过PCIEx1扩展网卡及I1210LM芯片实现下行1000Base‑T
网络扩展。

[0019] 优选的是，所述辅助控制器通过单片机MCU芯片STM32F407IG实现8路CCD的电源供电、电同步触发信号、挡板电源供电及RS485串口通讯，并通过百兆网口芯片W5500对外提供
通讯接口。

[0020] 优选的是，各所述CCD分别通过RJ45连接至嵌入式前置控制器；

[0021] 各所述CCD分别通过M8接口连接辅助控制器电缆接口；

[0022] 各嵌入式前置控制器均通过RJ45连接辅助控制器网络接口。

[0023] 优选的是，CCD设备服务对外提供一致性命令和属性接口，不同类型的CCD通过调用相应的CCD驱动实现CCD控制功能；

[0024] CCD设备服务对外提供图像处理接口，CCD设备服务直接调用图像处理服务获得图像处理接口，并返回给用户。

[0025] 优选的是，所述客户端上设置有上位机程序，以通过客户端API调用CCD设备服务接口实现CCD的控制与监视功能；

[0026] 其中，在对多路及多达上百路CCD进行监控时，上位机程序通过设置CCD的压缩尺寸大小、采集频率及压缩格式，并订阅压缩图像属性，客户端接受事件后根据图像来源显示
到相应通道上，实现多路CCD的并行监视。

[0027] 本发明至少包括以下有益效果：

[0028] 其一，本发明的多通道图像采集处理系统，其能够通过嵌入式前置控制器与辅助控制器的配合，具有软件耦合性强，能实现电网口CCD的电源及挡板亮度控制、多路CCD的并
行采集、处理，满足实时监控的需求。

[0029] 其二，本发明与现有技术相比，硬件集成度更高、线缆连接更加模块化，图像采集与处理的松耦合架构，满足CCD的远程控制、管理、采集处理及并行监视的要求。

[0030] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0031] 图1为本发明的一个实施例中面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统的结构示意图；

[0032] 图2为本发明嵌入式前置控制器硬件结构示意图；

[0033] 图3为本发明的多通道图像采集处理系统对上百路CCD并行监控的示意框图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0035] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

[0036] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置
或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0037] 图1‑3示出了根据本发明的一种面向光路准直控制的多通道图像采集处理系统的实现形式，其中包括：

[0038] 在光路准直控制系统中进行图像采集的多个工业CCD1，各CCD被配置为采用多路电网口；

[0039] 至少一个安装有CCD设备服务及图像处理服务软件的嵌入式前置控制器2，其用于实现CCD并行采集处理，具体来说，图像处理服务提供模块化的图像处理功能，如CCD远场、
CCD近场、远场腔镜、远场反转器、远场或近场通用图像等光斑中心计算接口，用户根据函数
名称和图像实现对应的算法处理，并返回字符串化图像处理结果。图像处理服务即可封装
为c++动态链接库，也可通过python脚本，CCD设备服务对外提供一致性命令和属性接口，不
同类型的CCD通过调用相应的CCD驱动实现CCD控制功能，其功能包括触发模式、采集模式、
挡板亮度控制、图像采集、图像格式、图像大小、采集频率、原始图像和压缩图像等功能。CCD
设备服务对外提供图像处理接口，CCD设备服务直接调用图像处理服务获得图像处理接口，
并返回给用户；

[0040] 与各前置控制器相配合以对各CCD电源、挡板6亮度进行调节的辅助控制器3，其用于提供集成化辅助控制功能如电源供电、同步及挡板电源控制；

[0041] 与前置控制器通信连接的客户端4，其上安装有上位机的客户端软件；

[0042] 其中，所述前置控制器通过PCIE扩展网卡5与各CCD连接，以实现多路CCD图像的并行采集，并根据当前CCD连接的个数进行图像处理，最终以同步或者事件机制将图像传送至
客户端，采用这种方案的总体思路是通过PCIE扩展网卡实现CCD采集硬件并行化、通过辅助
控制器实现CCD辅助控制集成化、通过嵌入式前置控制器实现CCD控制服务化、图像处理的
模块化、通过客户端实现多路CCD传输的并行化等手段实现多通道图像采集处理，更进一步
的是通过当前处理的CCD个数对图像处理或视频处理的效果进行调整，如个数少，则图像像
素、清晰度可设置为较高，反之设置为较低，以满足大规模CCD处理的顺畅度。

[0043] 在另一种实例中，所述嵌入式前置控制器均被配置为采用能运行Ubuntu操作系统的处理器，以通过该处理器运行CCD设备服务及图像处理服务，嵌入式前置控制器在CPU主
板i7‑6822EQ（或i5）内运行ubuntu1604操作系统，用于运行CCD设备服务、图像处理服务软
件及服务管理软件，更进一步地，嵌入式前置控制器尺寸为1U，CPU处理核心采用第四代
intel核心处理器i5‑6440EQ，并通过SATA连接128G固态硬盘，并通过PCI‑E 2.0 x4扩展为8
路1GbE的RJ45标准网口，并安装ubuntu1604操作系统，对外提供1个220VAC交流电源输入接
口； 1路RS232接口，1路485接口、1个DVI‑I视频信号输出接口、2个USB3.0接口、一个上行千
兆网络标准RJ45接口、一个下行千兆网络标准RJ45接口和8路千兆以太网接口LAN1 LAN8；
~

[0044] 其中，所述CCD设备服务实现CCD的触发模式、采集模式、挡板亮度控制、图像采集、图像格式、图像大小和采集频率相应功能的切换或控制，且单个CCD设备服务仅运行一台
CCD设备，并通过网卡绑定单个CCD，避免多设备串行调用动态库的情况,以在网卡设备设置
IP地址和MAC地址后，CCD设备服务即可建立与硬件CCD的连接，具体来说，CCD设备服务软件
通过制定厂商的C++驱动实现和嵌入式前置控制器通讯接口实现CCD的集成控制功能，其接
口定义如下：

[0045] 属性：

[0046] grayImage8；//8位灰度图像，二维数组，包括宽度和高度;

[0047] grayImage16；//16位灰度图像，二维数组，包括宽度和高度;

[0048] rawImage；//原始图像，一维数组，包括总长度;

[0049] encodedImage；//压缩图像，一维数组，图像长度；

[0050] imageWidth;//int 图像宽度；

[0051] imageHeight;//int 图像高度;

[0052] imagePixelBit;//int像素位数；

[0053] hinderState;//int 挡板状态；

[0054] hinderLightness;//int 挡板亮度；

[0055] acqMode；//int 相机采集模式，0‑内触发采集；1‑外触发采集；2‑连续采集；

[0056] encodedImageWidth;//int 压缩图像宽度；

[0057] encodedImageHeight;//int 压缩图像高度；

[0058] encodedImageFormat;//string 压缩图像格式；

[0059] encodedImageFreq;//int 压缩图像采集频率；

[0060] 命令：

[0061] Void PowerOn();//CCD电源上电；

[0062] Void PowerOff();//CCD电源下电；

[0063] Void OpenHinder()；//打开挡板；

[0064] Void CloseHinder();//关闭挡板；

[0065] Void StartAcq();//开始采集图像；

[0066] Void StopAcq()；//关闭采集图像；

[0067] String CalcImage(String);//图像处理；

[0068] 所述图像处理服务根据CCD远场、CCD近场、远场腔镜、远场反转器、远场或近场通用图像获得光斑中心位置，实现光路准直控制的图像处理，并能远程升级图像处理算法，具
体来说，图像处理服务对外提供图像处理函数，客户端API或者CCD设备服务通过函数名称
即可实现图像处理，并返回图像处理结果。用户也可不断添加新的图像处理接口。其中，图
像处理服务命令和属性定义如下：

[0069] 属性：

[0070] grayImage16；//16位灰度图像，二维数组，包括宽度和高度;

[0071] method;//整形，图像处理方法；

[0072] 命令：

[0073] String CalcImageFarField()；//远场图像处理

[0074] String CalcImageNearField()；//近场图像处理

[0075] String CalcImageFarFieldCm()；//远场腔镜图像处理

[0076] String CalcImageNearField()；//近场图像处理

[0077] String CalcImageFarFieldReverse()；//远程反转器图像处理

[0078] String CalcImageFarFieldCommon()；//远场图像通用处理

[0079] String CalcImageNearFieldCommon()；//近场图像通用处理

[0080] 其中字符串返回结果为json map格式，例如{"zx":125.0;"zy":125.0}；

[0081] 所述客户端可订阅CCD设备服务，实现上百路CCD的并行监视，客户端上的上位机程序通过客户端API调用CCD设备服务接口实现CCD的控制与监视功能，当实现多路及多达
上百路CCD监控时，通过设置CCD的压缩尺寸大小、采集频率及压缩格式，并订阅压缩图像属
性，实现多路CCD的并行监视，具体来说，客户端API可通过CCD设备对象接口实现CCD挡板控
制、电源控制、触发模式设置及图像采集等功能；当客户端进行多路CCD监控时，首先通过设
置属性压缩图像宽度、高度、采样频率及图像格式等参数来确定事件更新频率及事件数据
大小，并通过encodedImage属性订阅事件，客户端接受事件后根据图像来源显示到相应通
道上。激光装置中监视CCD和准直CCD为8位或者12位1392*1040灰度图像，当采用jpeg压缩
时，其压缩为50KB左右时，千兆网络带宽满足1200次左右事件，满足激光装置上百路CCD的
监控要求；

[0082] 客户端还可以通过服务管理软件实现CCD服务和图像处理服务的远程更新、注册、启停及监控功能,即客户端可以通过服务管理软件在嵌入式控制器上注册1‑8个CCD设备名
称及设备地址、CCD设备的启停及监控。

[0083] 在另一种实例中，每个嵌入式前置控制器分别连接有两个PCIE扩展网卡，以实现8路1GbE的RJ45标准网口的扩展，进而实现8路CCD的硬件并行采集,在这种方案通过芯片的2
个PCIEx4扩展网卡NMC‑0107实现8路千兆电网口的扩展，结构设计布局合理，并行收集效果
更好。

[0084] 在另一种实例中，所述嵌入式前置控制器均被配置为通过下行以太网接口连接辅助控制器，以实现CCD电源及挡板亮度的控制，通过这种方式，实现嵌入式控制器的信号互
联和交互，完成系统板块之间的功能性交互操作要求。

[0085] 在另一种实例中，每个嵌入式前置控制器均能通过SATAIII接口扩展硬件存储空间，以满足CCD采集存储的要求，通过标准1000Base‑T实现上行网络，通过PCIEx1扩展网卡
及I1210LM芯片实现下行1000Base‑T网络扩展，采用这种方案的系统功能性更强，适应性更
强。

[0086] 在另一种实例中，所述辅助控制器通过单片机MCU芯片STM32F407IG实现8路CCD的电源供电、电同步触发信号、挡板电源供电及RS485串口通讯，并通过百兆网口芯片W5500对
外提供通讯接口，通过对设备板块的具化，进而满足本发明的操作要求和功能性要求，具有
更好的适应性。

[0087] 在另一种实例中，各所述CCD分别通过RJ45连接至嵌入式前置控制器；

[0088] 各所述CCD分别通过M8接口连接辅助控制器电缆接口；

[0089] 各嵌入式前置控制器均通过RJ45连接辅助控制器网络接口，通过接口实现板块之间的通信和供电，实现板块电性和通信互联。

[0090] 在另一种实例中，CCD设备服务对外提供一致性命令和属性接口，不同类型的CCD通过调用相应的CCD驱动实现CCD控制功能；

[0091] CCD设备服务对外提供图像处理接口，CCD设备服务直接调用图像处理服务获得图像处理接口，并返回给用户。

[0092] 在另一种实例中，所述客户端上设置有上位机程序，以通过客户端API调用CCD设备服务接口实现CCD的控制与监视功能；

[0093] 其中，在对多路及多达上百路CCD进行监控时，上位机程序通过设置CCD的压缩尺寸大小、采集频率及压缩格式，并订阅压缩图像属性，客户端接受事件后根据图像来源显示
到相应通道上，实现多路CCD的并行监视，通过客户端软件的作用，在对大规模CCD进行视频
或图像采集时，可根据需要对视频或图像进行相应压缩，以使其满足实时监控中对多线路
并行监控的需要，通过对其品质的降低，以使其系统能正常运行，稳定性更好。

[0094] 采用以上方案只是较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

[0095] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

[0096] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限
于特定的细节和这里示出与描述的图例。