从Photonfocus系列相机看FPGA系统设计特点

作者:haoxingheng

Photonfocus近期发布了三款紧凑型GigE相机,相机可以输入高达400MB/s的视频数据,经实时4:1视频压缩后通过标准的GigE接口输出。这三款Quad Rate QR1-D2048x1088(I/G)-G2相机都基于针对低照度优化的CMOSIS CMV2000 CMOS图像传感器,输出图像分别为黑白图像、近红外和真彩色三种模式。

图1 基于Xilinx Spartan-6 FPGA的QuadRate相机

图1 基于Xilinx Spartan-6 FPGA的QuadRate相机

相机输出支持的分辨率和帧率如下表所示:

表1 输出分辨率和帧率对照表

分辨率(Resolution)

帧率(fps)

2048×1088

169

1024×1024

358

800×600

606

640×480

754

类似运动分析(仿生学、运动和生物力学分析等),处理错误分析(工具爆炸或破裂、处理系统失败、包装系统崩溃等)以及机器视觉等应用都需要高帧率。如今,针对这些应用的最佳选择是GigE接口相机,因为GigE是一个适合长距离传输的标准化接口,使用GigE网络也很容易搭建多相机系统。但是,一个GigE链路传输多组高速视频时会有严重的带宽问题。

最初,Photonfocus开发了DoubleRate视频压缩技术以期通过标准GigE接口传输更高帧率的图像。该技术非常受欢迎,公司客户进一步希望在保证高图像质量的情况下获得更高的压缩率来满足更快帧率的要求。最终结果是:Photonfocus 四倍率压缩技术提供不掉帧的4:1实时视频压缩并100%兼容GigEVision和GenICam标准。

实现这种压缩必须针对相机量身定做,如果使用处理器完成压缩,在功耗和结构包络都满足的情况下无法获得如此高的压缩性能,Photonfocus的相机结构非常紧凑,体积仅为55×55×55.7mm(不包含镜头座或镜头)。因此,这些相机和Photonfocus早前开发的相机模组一样,都是基于Xilinx Spartan-6 FPGA来实现包括QuadRate 4:1实时压缩在内的丰富多样的功能。Photonfocus利于基于FPGA硬件平台的高度灵活性开发了多个产品线。

以下是通过Photonfocus发布的最新产品总结的有关FPGA系统设计的三大特点:

(1) 将FPGA用于其相机设计,Photonfocus能够显著提高产品核心竞争力。在根据客户要求持续改进的过程中无需更改BOM或重新设计PCB,这是基于FPGA系统平台设计的典型特征。设计团队在设计完成很久之后都可以选择延长产品的有效生命周期,最近Photonfocus发布的产品再次证明了这一点。

(2) Photonfocus在2015年6月发布了两款同样基于Xilinx Spartan-6 FPGA的超光谱GigE相机。这些高光谱相机里面使用的图像传感器和2015年10月介绍的Photonfocus 3D03、3D04激光线扫描相机和可见光、近红外CMOSIS传感器明显不同,对成像子系统的要求也完全不同。基于FPGA的设计可以让你开发非常灵活的硬件系统平台来处理各种不同的需求,只需要提高开发成本,就可以衍生实现众多相关产品,就像Photonfocus设计其相机所做的那样。

(3)Spartan-6系列FPGA推出已经超过五年,但它仍然以主力平台的角色发挥价值,也是最具成本效益的器件之一。包括Photonfocus不断扩大的相机产品线在内,许多许多新的视频和视觉应用都在广泛使用Spartan-6系列器件。

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