CN103632433A - 接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金融机具领域，一种接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法。现有技术的缺点是：采集到的图像中有噪声点；采集的图像段与段之间的整体亮度差异大；无法同时采集同一纸币不同种类光源下的图像。本发明方法如下：设置上下两个对称的多光源CIS图像传感器采集原始图像；采集到的模拟信号经过滤波后送到两个独立的A/D采样模块量化为数字信号；A/D采样模块将数字信号送给FPGA进行补偿、拼接、压缩、存储；FPGA将信号发送给主控芯片；主控芯片将两路信息放到外部RAM两个独立地址区域中缓存；整张图片采集完成后，DSP从外部RAM中取出图片进行处理。本发明的优点是：采集的图像噪声少；同时采集纸币在不同光源下的图像；采集出的图像更平滑，图像质量更高。

Description

接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法

技术领域

本发明属于金融机具领域，具体地说是一种接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法。

背景技术

接触式图像传感器，英文名称Contact Image Sensor，缩写为CIS。接触式图像传感器将感光单元紧密排列，直接收集被扫描稿件反射的光线信息，具有造价低廉、无需透镜组、体积小、安装方便等优点。以前被用于传真、扫描、纸币票据识别等领域，现在金融设备验钞机、点验钞机、ATM存取款机、纸币清分机中也广泛应用。接触式图像传感器在金融设备中的应用，具有减少了验钞机、点验钞机、ATM存取款机、纸币清分机的体积；增加了图像采集的稳定性，提高了点验钞机的图像鉴伪可靠性的优点。但是现有的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法仍然具有下列缺点。1.无法去除电路中其他信号的干扰，使得所采集到的图像中有噪声点；2.无法克服接触式图像传感器每段之间光源亮度的差异，使得采集到的图像段与段之间的整体亮度差异大；3.无法同时采集同一纸币不同种类光源下的图像。由于上述缺点的存在，使得金融设备验钞机、点验钞机、ATM存取款机、纸币清分机鉴别***的准确率降低，造成一些***流入市场、银行和社会，给国家金融带来严重危害。

由于接触式图像传感器在现有金融设备中应用广泛，作用重要，所以发明一种克服现有技术的缺点，具有采集的图像噪声小；图像平滑没有段间差异；同时采集同一个纸币在不同光源下的图像等优点的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采集的图像噪声小，图像平滑没有段间差异，可同时采集同一个纸币在不同光源下的图像等优点的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，步骤如下：

（1）设置上下两个对称的多光源CIS图像传感器采集原始图像；

（2）两个CIS图像传感器采集到的模拟信号经过滤波后同时送到两个独立的A/D采样模块量化为数字信号；

（3）A/D采样模块将数字信号送给FPGA进行补偿、拼接、压缩、存储；

（4）FPGA接收完一行信号后，将该信号发送给主控芯片；

（5）主控芯片将两路信息放到外部RAM两个独立地址区域中缓存；

（6）整张图片采集完成后，主控芯片从外部RAM中取出图片进行处理。

步骤（1）中设计了CIS管多段均一化方案，采集一张标准的白纸图像，计算出CIS管各段差异，计算出A/D的采样偏置电压的补偿值，备开机时使用。

步骤（2）两个CIS采集到的2*N路模拟信号先送入滤波模块去除电路中产生的干扰，然后再采样量化为2*N路数字信号。

步骤（2）上电后FPGA对CIS和A/D进行初始化，确定CIS的工作频率和采样分辨率，确定A/D芯片的工作模式并对各路偏置电压进行补偿。

采图时主控芯片控制FPGA切换CIS的红、绿、蓝、红外反射、红外透射、紫外光源，采集多光谱图像。

量化后的2*N路数字信号在FPGA中拼接为2路完整的数字信号，FPGA中压缩模块对这两路信号进行压缩处理，然后这两路信号在FPGA中分别被缓存起来，缓存完一行完整的信号后，将这行信号发送给主控芯片。

本发明要点在于：

本发明采用现场可编程门阵列，英文缩写为FPGA，来控制接触式图像传感器多光谱图像的采集及处理，控制接触式图像传感器高速、稳定、可靠，同时采集多种光源下的图片，解决多段式接触式图像传感器由于每段光源差异造成采集的图像各段灰度值不均匀的问题。

本发明应用于金融设备验钞机、点验钞机、ATM存取款机、纸币清分机中，能够高速、稳定、可靠的控制接触式图像传感器CIS采集图像，用于对纸币的鉴伪、清分和冠字号提取等，实现银行***纸币流通的科学管理。

为了控制接触式图像传感器CIS高速的采集高质量的图像，本发明采用的技术方案是：本***包括现场可编程门阵列、主控芯片、模拟-数字信号转换器A/D、接触式图像传感器CIS、有源带通滤波器等。主控芯片与现场可编程门阵列FPGA双向连接，CIS的输入端与现场可编程门阵列FPGA相连接，所诉的CIS的模拟信号输出端与滤波器输入端相连接，A/D转换器的模拟信号输入端与滤波器的输出端相连接，A/D转换器的控制信号输入端与现场可编程门阵列FPGA相连接，A/D转换器的采样数字信号输出端与FPGA相连接。

现有技术接触式图像传感器CIS为多段，由多组感光元件拼接而成，多段接触式图像传感器CIS管每段CIS元件存在差异，本发明对CIS管采用标准化方案，标准化时须采集一张标准的纯白色纸，主控芯片根据每段CIS采集到的图像来计算出每段调整值，并将此值保存到flash中，每次上电后将这个调整值发送给FPGA，FPGA根据这个值来相应的调整A/D每段采样的偏置电压。

本发明基于现场可编程门阵列FPGA的接触式图像传感器CIS多光谱图像采集及处理方法，对纸币、票据等纸张的正反两面信息的采集及处理，包括以下步骤：检测硬件连接是否正确；配置接触式图像传感器CIS的工作模式；主控芯片读取FLASH芯片，FPGA配置A/D转换芯片；等待用户操作，消除接触式图像传感器每段光源亮度差异；采一张标准的均匀的白色纸张的图像；主控芯片计算图中CIS每段的调整系数，计算A/D芯片电压调整值；主控芯片将这个调整值写入FLASH芯片中保存；主控芯片将这个调整值发送给FPGA，并重新配置A/D芯片；判断是否要开始采图；FPGA根据主控芯片要求打开相应的CIS的光源；CIS产生的模拟信号经过滤波器去除毛刺，然后被A/D采样量化，A/D将量化后的数字信号送回给FPGA，FPGA将这些数据拼接成两路完整的连续的信号对其压缩；FPGA将压缩好的信号分别缓存到两个随机存储器RAM中；将缓存的信息发送给主控芯片；图像采集并发送完毕。

从接通电源到***稳定，上电后FPGA对各个模块进行初始化，产生CIS控制信号、时钟信号和A/D时钟信号；纸币进入验钞机后，主控芯片通知FPGA开始采图，以及用何种光源采图；FPGA收到采图使能信号和光源信号后，立即打开或切换CIS上相应的光源，同时使能A/D，CIS开始采图；两个CIS将采集到的2*N路模拟信号送入滤波模块进行滤波去除毛刺，然后将信号分别送入两个独立的A/D采样模块进行模数转换量化；A/D采样模块将量化后的2*N路数字信号送入FPGA拼接成两路数字信号，FPGA对这两路信号进行压缩并缓存起来，当收到一行完整的信号后就将这一行的信号送给主控芯片；主控芯片将收到的两路信号分别存入随机存储器RAM中，当一张完成的图像采集完成后，主控芯片再将不同光源下的图像取出来进行处理。本***设计了对CIS管的标准化方案，即标准化时须采集一张标准的白纸的图像，计算出CIS管各段差异，进而计算出A/D的采样偏置电压的补偿值，以便以后开机时使用。

上电后现场可编程逻辑门阵列FPGA对CIS和A/D进行初始化，确定CIS的工作频率和采样分辨率，确定A/D芯片的工作模式并对各路偏置电压进行适当补偿。

现场可编程逻辑门阵列FPGA何时产生的CIS使能信号、光源信号以及A/D模块使能信号是由主控芯片间接控制的。

开始采图后主控芯片可以根据不同的模式的需要来控制FPGA切换CIS红、绿、蓝、红外反射、红外透射、紫外等光源，采集多光谱图像。

根据需要按照一定的时间比率，主控芯片定时发送切换光源的信号，然后再根据这个比率抽出相应行的图像，即可一次性得到不同光源下的多幅图像。

两个CIS采集到的2*N路模拟信号先送入滤波模块去除电路中产生的干扰，然后再采样量化为2*N路数字信号。

量化后的2*N路数字信号在现场可编程逻辑门阵列FPGA中拼接为2路完整的数字信号，现场可编程逻辑门阵列FPGA中压缩模块对这两路信号进行压缩处理，然后这两路信号在现场可编程逻辑门阵列FPGA中分别被乒乓缓存起来，缓存为一行完整的信号，并将这行信号发送给主控芯片。主控芯片将这两路信号分别存到RAM中，一副图像采集完成后，根据不同的时间（不准确！）比例抽出不同光源（不准确！）相应的图像进行相应（不准确！）的处理。

本发明方法能够高速、稳定、可靠的对CIS图像进行采集，可用于对纸币的鉴伪、清分和冠字号提取等，进而加强银行***纸币流通的科学管理。

本发明的优点是：

1.能够滤除电路中其他信号的干扰，采集出的图像噪声少；

2.能够在采图过程中切换光源，同时采集纸币在不同光源下的图像；

3.设计了接触式图像传感器段与段之间亮度均一化的方案，使采集出的图像更平滑，图像质量更高；

4.采集完一行图像后，在FPGA中对图像信息做了压缩处理，大大减少了图像传输时的数据量。

5.提高金融设备验钞机、点验钞机、ATM存取款机、纸币清分机鉴别***的准确率。

附图说明

图1为本发明***结构图。

图2为本发明现场可编程逻辑门阵列FPGA总体模块图。

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种应用在金融设备的基于现场可编程逻辑门阵列FPGA的接触式图像传感器CIS多光谱图像采集及处理方法。FPGA为现场可编程逻辑门阵列，英语名称：Field Programmable Gate Array,缩写FPGA，是一个含有可编辑元件的半导体设备，供使用者现场程序化的逻辑门阵列元件。FPGA的工作原理是：采用逻辑单元阵列，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种应用在金融领域的基于FPGA控制的CIS多光谱图像采集及处理方法，本***由FPGA、主控芯片（单片机、DSP芯片等）、A/D转换器、CIS、滤波器组成；FPGA配置CIS和A/D转换器的工作模式，提供CIS和A/D转换器的工作时序，CIS输出模拟信号经过滤波滤除电路噪声后送给A/D采集，转换成数字信号，由FPGA进行拼接压缩等预处理，并缓存到内部随机存储器（RAM）中，并以行为单位将两个CIS采集到的信号发送给主控芯片处理。

主控芯片除了接收图像信息、处理图像以外还控制着整个图像采集的过程，它控制FPGA何时开始采图，以何种光源采图，主控芯片还存储着CIS段与段之间光强差异均一化后的A/D转换器各通道基准电压的调整值。

本发明的特点是：为了控制接触式图像传感器CIS高速的采集高质量的图像，本发明采用基于FPGA的接触式图像传感器CIS多光谱图像采集及处理***。本***包括FPGA、单片机或DSP等主控芯片、A/D转换器、CIS管、滤波器等。主控芯片与现场可编程逻辑门阵列FPGA双向连接，CIS管的输入端与FPGA相连接，接触式图像传感器CIS管的模拟信号输出端与滤波器输入端相连接，A/D转换器的模拟信号输入端与滤波器的输出端相连接，A/D转换器的控制信号输入端与FPGA相连接，A/D转换器的采样数字信号输出端与FPGA相连接。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的原理如图1所示，一种基于FPGA的CIS多光谱图像采集及处理***，本***包括FPGA、主控芯片、A/D转换器、接触式图像传感器CIS管、滤波器等。所诉的主控芯片与FPGA双向连接，所诉的CIS管的输入端与FPGA相连接，所诉的接触式图像传感器CIS管的模拟信号输出端与滤波器输入端相连接，所诉的A/D转换器的模拟信号输入端与滤波器的输出端相连接，所诉的A/D转换器的控制信号输入端与FPGA相连接，所诉的A/D转换器的采样数字信号输出端与FPGA相连接。

FPGA的功能模块图如图2所示，FPGA***中主要包括CIS时序控制模块、A/D工作模式配置模块、A/D采样时序控制模块、PLL时钟模块、A/D数据拼接与压缩模块、随机存储器的乒乓缓存模块、UART串口通信模块、采图开始/结束控制模块、图像输出模块。

本发明方法的实施步骤如图3所示：

步骤1.检测硬件是否连接正确；

步骤2.配置接触式图像传感器CIS的工作模式，如工作频率、图像扫描精度DPI等；

步骤3.主控芯片读取长寿命的非易失性的存储器芯片FLASH芯片，FPGA配置A/D转换芯片；

步骤4.等待用户操作，是否需要均一化接触式图像传感器，即消除接触式图像传感器每段光源亮度差异，若是则执行步骤5，否则执行步骤9；

步骤5.采一张标准的均匀的白色纸张的图像；

步骤6.主控芯片计算出图中CIS每段的调整系数，进而计算出A/D芯片相应的每段采样偏置电压调整值；

步骤7.主控芯片将这个调整值写入FLASH芯片中保存；

步骤8.主控芯片将这个调整值发送给FPGA，并重新配置A/D芯片；

步骤9.判断是否要开始采图，是则执行步骤10，否则执行步骤4；

步骤10.FPGA根据主控的要求打开相应的CIS的光源；

步骤11.接触式图像传感器CIS产生的模拟信号经过滤波器去除毛刺，然后被A/D采样量化，A/D将量化后的数字信号送回给FPGA，FPGA将这些数据拼接成两路完整的连续的信号，并对其压缩；

步骤12.FPGA将压缩好的信号分别缓存到两个内部的随机存储器RAM中；

步骤13.FPGA将缓存的信息发送给主控芯片；

步骤14.若一张图像采集并发送完则执行步骤4，如未完则执行步骤10。

本实施例中使用的接触式图像传感器为山东威海华菱光电有限公司生产的型号为：WHEC183的宽183毫米的CIS，本CIS具有3个通道，结构为3段拼接而成，可变扫描精度：50DPI、100DPI、200DPI；工作电压为3.3V；光源电压为5V。上电时先对其进行配置，本实施例配置为200DPI，有效像素为1440。CIS工作频率为8M，每个通道有一个模拟信号输出口。CIS正常工作需要一个像素时钟CLK和一个选通信号SI，SI大概持续两个CLK时间，CIS在SI下降沿后65个CLK时间开始产生并输出模拟信号。

此CIS有红、绿、蓝、红外反射、红外透射等五种光源。主控芯片根据需要在CIS每一行信号采集完后及时切换光源，即下一行用另外一种光源，这样可以让CIS管时分复用，同时采出不同光源下的图，提高了***的工作效率。

本实施例采用的滤波器为有源带通滤波器，型号LT1568，工作电压为3.3V，中心频率配置为8MHz，带宽配置为1MHz，CIS模拟信号通过滤波器可以有效的去除由电路不稳定产生的毛刺等干扰。

为了和这种CIS配合使用，本实施例选择高速16-bit CCD/CIS的专用A/D转换芯片，型号为：HT82V42，工作电压为3.3V；该芯片有3个通道，可同时对CIS的三路模拟信号采样。芯片内部具有双相关采样电路CDS和可编程增益放大器PGA可以用其调整每一路的采样的偏置电压，以补偿CIS管每段元器件特性不同而导致的图像段与段之间灰度值的差异，通过配置可使其并行输出高8为数据。本***用了两条CIS管和两片A/D转换芯片。

本实施例采用Altear公司的Cyclone II系列的FPGA，型号为：EP2C20F484B，工作电压为3.3V，内部有52个M4K存储器资源。FPGA为CIS管提供时序，控制A/D采样，图像数据的预处理和传输，向外部接口（如PC等上位机）转发主控芯片指令或数据的。由于CIS管的有效像素为1440，一行原始数据位1440bit，压缩处理后为960bit。本***中申请了两个2K的RAM，分别存储两个CIS管的信息。对于一个CIS管而言，将连续的先后两行的信息乒乓缓存入一个2K的RAM的高1K空间和低1K空间中，一行存取完后立即产生一个中断，通知主控芯片来取数据，控制取数据的速率高于存数据的速率，就可以使得这个2K的RAM能够连续、高效的被使用。

FPGA部分的设计是整个多光谱图像采集***的核心部分，其整体功能模块如图2所示，FPGA***中主要包括CIS时序控制模块、A/D工作模式配置模块、A/D采样时序控制模块、PLL时钟模块、A/D数据拼接与压缩模块、RAM乒乓缓存模块、UART串口通信模块、采图起始控制模块、图像输出模块。

本实施例使用的主控芯片是TI公司生产的DSP芯片，型号为：TMS320C6418，工作电压为3.3V，工作频率600MHz，处理速度为4800MIPS；芯片内部有16KBytes的L1P和L1D的Cache Memory和215Kbytes的L2 CacheMemory；芯片各个外设的数据通过EDMA传送到CPU进行处理；对于数据接口方面，该芯片没有串口、USB等通用的数据接口，因此整个***向外部传送数据时，需要通过FPGA中模拟出来的串口转发。

本发明主要应用于金融设备，金融行业对***安全稳定、处理速度等要求较高，所以本发明采用了两个CIS管，同时采集纸币或票据的正反两面的图像，提高了采图效率；为了解决电压、温度等对电路的影响，在CIS管模拟信号输出端和A/D采样芯片之间增加了一个滤波器去除掉毛刺；为了解决CIS管每段之间的物理差别导致的图像每段间灰度值存在差异，本***设计了一个对CIS均一化的方案，即通过采集标准的白纸图像来计算CIS管每段的差异，然后调节A/D采样芯片对每段采样的偏置电压，以使CIS采集到的图像段与段之间灰度值比较均匀。

上述实施例，仅为本发明的优选实施例，并不代表本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何更改、变化、替换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，步骤如下：

（1）设置上下两个对称的多光源CIS图像传感器采集原始图像；

（2）两个CIS图像传感器采集到的模拟信号经过滤波后同时送到两个独立的A/D采样模块量化为数字信号；

（3）A/D采样模块将数字信号送给FPGA进行补偿、拼接、压缩、存储；

（4）FPGA接受完一行信号后，将该信号发送给主控芯片；

（5）主控芯片将两路信息放到外部RAM两个独立地址区域中缓存；

（6）整张图片采集完成后，DSP从外部RAM中取出图片进行处理。

2.根据权利要求1所述的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，其特征在于：步骤（1）为CIS管设计了多段均一化方案，采集一张标准的白纸图像，计算出CIS管各段差异，计算出A/D的采样偏置电压的补偿值，备开机时使用。

3.根据权利要求1所述的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，其特征在于：步骤（2）两个CIS采集到的2*N路模拟信号先送入滤波模块去除电路中产生的干扰，然后再采样量化为2*N路数字信号。

4.根据权利要求1所述的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，其特征在于：步骤（2）上电后FPGA对CIS和A/D进行初始化，确定CIS的工作频率和采样分辨率，确定A/D芯片的工作模式并对各路偏置电压进行补偿。

5.根据权利要求1所述的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，其特征在于：采图时主控芯片控制FPGA切换CIS的红、绿、蓝、红外反射、红外透射、紫外光源，分时采集多光谱图像。

6.根据权利要求1所述的接触式图像传感器多光谱图像采集及处理方法，其特征在于：量化后的2*N路数字信号在FPGA中拼接为2路完整的数字信号，FPGA中压缩模块对这两路信号进行压缩处理，然后这两路信号在FPGA中分别被缓存起来，缓存完一行完整的信号后，将这行信号发送给主控芯片。

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