CN220290262U - 一种图像采集和处理模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种图像采集和处理模块，该模块主要用于点钞机图像采集和实时识别处理，包括面额识别和基于图像的鉴伪处理等。该方案不需要专用的模数变换(ADC)、现场可编程逻辑器件(FPGA)和高性能处理器等独立的集成电路，只需要一片低成本的微控制器就可对来自接触式图像传感器的模拟图像信号进行采集和实时处理，实现面额识别和基于图像的鉴伪，是一种能有效提高商用点钞机性能的低成本解决方案。

Description

一种图像采集和处理模块

技术领域

本实用新型涉及点钞机产品技术领域，具体为一种用于点钞机的纸币图像采集和处理模块。

背景技术

现有用于点钞机的纸币图像识别方案一般需要较复杂的电路，为了采集来自接触式图像传感器(CIS)输出的模拟信号，如图1所示，需要虚线框内的专用的模数变换(ADC)、现场可编程逻辑器件(FPGA)和高性能处理器等独立的集成电路，其中高性能处理器还需要DDR-SDRAM、FLASH Memory或eMMC等***芯片才能工作。例如，实用新型专利CN211087376U公开的点验钞机本外币纸币自动分币***，其中图像采集模块包括CIS、AD模数转换、码盘电路、FPGA和DSP，DSP即为高性能的数字信号处理器；发明专利CN113870122A公开的用于金融机具的一种图像校正方法、***以及图像处理装置，包括CIS图像传感器、AD采集模块、Zynq FPGA和DDR_SDRAM，其中所用的Xilinx公司生产的Zynq FPGA内部包括处理***PS和可编程逻辑PL二部分，其中处理***PS是基于ARMCortex-A的高性能处理器，可编程逻辑PL是内置的FPGA电路，本质上仍是由CIS、ADC、FPGA和高性能处理器实现。而且DSP和ARMCortex-A处理器都需要DDR_SDRAM等***器件协同工作。可见，现有方案器件成本高，一般只用于银行等专业金融机构的A级点钞机、清分机或验钞机，而目前商用的低成本点钞机没有采用纸币图像识别技术进行面额识别和鉴伪处理，只采用成本较低的颜色传感器和长度传感器，性能较差，常常误判。特别地，旧版美元和某些国家的纸币，不同面额纸币的颜色和长宽几乎相同，颜色传感器和长度传感器起不了作用，只能依赖于磁性判断，判别能力差。

实用新型内容

针对商用低成本点钞机存在的上述问题，本实用新型公开了一种低成本的纸币图像采集和处理模块，只要采用一片低成本的微控制器(MCU)，就可代替图1中虚线框内的独立的模数变换(ADC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)芯片和高性能微处理器及其***电路，实现纸币图像的采集，以及进一步的处理。因此能被用于低成本商用点钞机，有效提高其性能。

本实用新型的一种图像采集和处理模块，包括：

编码器：安装于纸币传送轮上，用于测量纸币在纸币通道中的前进速度，输出码盘信号；

接触式图像传感器：安装于纸币通道的一侧，用于对经过的纸币进行扫描，输出模拟图像信号；

微控制器：用于根据接收到的编码器输出的码盘信号，利用片上定时器产生用于接触式图像传感器的时钟信号和行转移信号；以及利用片上定时器产生模数变换时钟信号，基于内置ADC对来自接触式图像传感器的模拟信号进行模数变换；微控制器还利用片上定时器产生发光控制信号，用于控制光源驱动电路；

光源和光源驱动电路：用于为接触式图像传感器提供照明光。

优选的，所述微控制器还用于通过预设的图像处理单元对模数变换后的数字图像进行识别处理，并将处理结果传送给主控模块。

优选的，所述接触式图像传感器输出1路、2路或3路模拟信号，每一路模拟信号对应接触式图像传感器上的一段，每一路模拟信号分别用微控制器中内置的一个ADC采集。

优选的，微控制器片上模数变换采样分辨率小于或等于50DPI。

优选的，微控制器中的模数变换行内采样分辨率为50DPI或25DPI。

优选的，微控制器采用ARM Cortex-M系列处理器。

优选的，所述微控制器至少有4个片上定时器，其中1号定时器产生CIS时钟信号，2号定时器产生ADC采样信号，3号定时器产生行转移信号和2个发光控制信号，其中一个发光控制信号用于控制反射光源发光，另一个发光控制信号用于控制透射光源发光，4号定时器测量编码器输出信号的周期或频率，用于控制3号定时器的输出频率。

优选的，所述光源包括接触式图像传感器的内置反射光源，以及外设透射光源，所述内置反射光源和外设透射光源包括红外光源和红、绿、蓝LED光源中的一种或几种。

优选的，所述微控制器片上还包括5号定时器用于产生发光控制信号，分别控制除3号定时器控制外的内置反射光源和外设透射光源中红、绿、蓝LED光源中的一种或几种。

优选的，所述光源驱动电路包括连接微处理器控制信号输出脚的电阻R101，其另一端连接三极管基极或场效应管栅极，三极管集电极或场效应管漏极通过限流电阻R102与光源LED负极端相连，光源LED的正极端连接到5V电源。

本实用新型的图像采集和处理模块，与现有的采用独立ADC、FPGA和高性能微处理器芯片的图像采集处理方案相比，成本大幅度下降，可用于普通商用点钞机，在保持低成本的同时有效提升其性能。

附图说明

图1是现有纸币图像采集处理装置的电气原理示意框图。

图2是本实用新型电气原理框图。

图3是一种光源驱动电路示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步阐述。以下实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不限定本实用新型的范围。

如图2所示，示出了本实用新型实施例的图像采集和处理模块电气原理框图，包括编码器、接触式图像传感器、微控制器、光源和光源驱动电路。其中各模块具体描述如下：

编码器：安装于纸币传送轮上，用于测量纸币在纸币通道中前进速度，输出码盘信号，每前进指定距离输出1个脉冲。例如，每前进1mm输出1个脉冲。编码器可以采用光电编码器或霍尔传感编码器。编码器输出的脉冲信号可以根据需要确定是否整形，可以采用比较器进行整形。

接触式图像传感器(CIS)：安装于纸币通道的一侧，对经过的纸币进行扫描，输出模拟图像信号。例如，需要采集前进方向50DPI的图像，则根据编码器输出的码盘信号，微控制器(MCU)输出时钟(CLK)和行转移信号(SP)，每1/50英寸输出一行图像信号。

微控制器(MCU)：根据接收到的编码器输出的信号，利用片上定时器产生用于接触式图像传感器(CIS)的时钟信号(CLK)和行转移信号(SP)；利用片上定时器产生模数变换(ADC)时钟信号，对来自接触式图像传感器(CIS)的每一行模拟信号进行模数变换；微控制器还利用片上定时器产生发光控制信号，用于控制光源驱动电路。其中输入接触式图像传感器的时钟信号(CLK)和行转移信号(SP)需要符合触式图像传感器的时序要求。

接触式图像传感器输出1路、2路或3路模拟信号(Vout)，每一路模拟信号对应接触式图像传感器上的一段，即若干图像传感器感光单元，每一路模拟信号分别用微控制器中内置的一个ADC采集；用于ADC采样的时钟频率是CIS时钟信号CLK的整数分频。例如，若CIS工作在100DPI输出模式，用片上的定时器产生8MHz方波信号作为CIS时钟信号(CLK)，若采集50DPI的图像，则ADC用4MHz进行采集，即对CIS输出的模拟信号隔点采样；若采集25DPI的图像，则ADC用2MHz进行采集，即对CIS输出的模拟信号每4点采样1次。由于CIS感光后需要由行转移信号(SP)整行转移后再逐点输出，MCU还要用片上的定时器每行产生一个行转移信号(SP)。为了让CIS感光，MCU还用片上的定时器产生发光控制信号，通过光源驱动电路控制光源的发光，每行的发光脉冲宽度即为发光的时间长度。

作为进一步的优选实施方案，微控制器(MCU)除实现图像采集外，还对模数变换后的数字图像进行识别处理，由预设的图像处理软件模块实现，该模块可以采用目前点钞机常用的数字图像识别处理算法，包括图像校正、图像识别等。如通过提取纸币边界实现图像的几何校正，对校正后的图像采用图像模板匹配、特征匹配、卷积神经网络识别等常用算法进行图像处理，从而识别面额、面向，甚至识别版本和币种，以及进行鉴伪。上述算法已被本领域相关专利和非专利文献公开，且为本领域技术人员所掌握，不是本实用新型的创新点所在。同时，本实用新型的方案中，由于采集图像分辨率的降低，这些常用算法更易于实现。

本实施例用微控制器(MCU)片上1号定时器产生CIS时钟信号(CLK)，用片上2号定时器产生ADC采样信号，用3号定时器产生行转移信号(SP)和2个发光控制信号，其中一个发光控制信号用于控制反射光源发光，另一个发光控制信号用于控制透射光源发光。其中反射光源和透射光源都可以用红、绿、蓝或红外，可以控制其中一种光源发光，或几种光源同时或分时发光，在需要控制多种光源分时发光时采用5号定时器产生更多的控制信号。本实施例用4号定时器测量编码器输出信号的周期(或频率)，用于控制3号定时器和5号定时器的输出频率。特别地，用3号定时器产生用于控制绿色反射光源和红外透射光源的发光控制信号，采集这二种光源的图像。在需要更多光源的图像时，通过5号定时产生附加的发光控制信号，如生产用于控制红色和蓝色反射光源的发光控制信号，从而采集红、绿、蓝彩色反射图像。

由于微控制器通常内置的RAM(随机存取存储器)较小，不能存贮较大的图像数据和处理时的缓存数据，而且处理能力较弱，因此本实施例ADC行内采样分辨率小于或等于50DPI，通过控制ADC采样频率实现。由于市面上CIS的分辨率一般是100DPI、200DPI，本实施例视图像识别要求，采用50DPI或25DPI采样。

为了降低成本，本实施例的微控制器采用ARM Cortex-M系列处理器，特别采用较高性能的ARM Cotex-M4或ARM Cotex-M7处理器。也可采用ARM Cortex-A或RISC_V等处理器，但会增加成本。

光源和光源驱动电路：用于为接触式图像传感器(CIS)提供照明光。CIS一般内置反射光源，可以有红(R)、绿(G)、蓝(B)、红外(IR)四种LED光源，可以根据图像处理需要，由MCU产生的发光控制信号控制各光源驱动电路，从而控制其中一种或多种LED光源发光。还可以设置LED透射光源，从而采集透射图像，如采用红外(IR)透射光源，还可有红(R)、绿(G)、蓝(B)色的LED透射光源。

图3所示是一种光源驱动电路示例图，用于控制一路LED光源，来自MCU的控制信号CIS_LED_B通过电阻R101(可省去)接Q100A三极管基极或场效应管栅极，Q100A三极管集电极或场效应管漏极通过限流电阻R102与光源LED负极端相连，光源LED的正极端连接到5V电源。如果光源内置了限流电阻，则R102可省去。

图2中还包括主控模块，用于设置微控制器的工作模式和功能、接收来自微控制器的图像识别处理结果、监测纸币在纸币通道中的位置、控制点钞机的各电机、并实现人机接口。主控模块通过人机接口控制纸币图像采集和处理模块的工作模式。主控模块是点钞机的必备模块，在微控制器(MCU)中资源足够时可与上述图像采集和处理模块共用一个微控制器芯片，也可以单独用另一个微控制器芯片实现。

采用本方案的图像采集和处理模块后，开机时初始化各定时器、片上ADC等，随后只要纸币进入纸币通道，编码器就可触发各定时器输出，采集数字图像信号，实现图像采集的功能，并可进一步通过微控制器实现图像处理，进而实现纸币币种、面额识别和鉴伪。与传统的基于FPGA、高性能处理器的图像识别方案相比，大大降低了成本。

以上所表述的具体实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型的方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种图像采集和处理模块，其特征在于，包括：

编码器：安装于纸币传送轮上，用于测量纸币在纸币通道中的前进速度，输出码盘信号；

接触式图像传感器：安装于纸币通道的一侧，用于对经过的纸币进行扫描，输出模拟图像信号；

微控制器：用于根据接收到的编码器输出的码盘信号，利用片上定时器产生用于接触式图像传感器的时钟信号和行转移信号；以及利用片上定时器产生模数变换时钟信号，基于内置ADC对来自接触式图像传感器的模拟信号进行模数变换；微控制器还利用片上定时器产生发光控制信号，用于控制光源驱动电路；

光源和光源驱动电路：用于为接触式图像传感器提供照明光。

2.根据权利要求1所述的图像采集和处理模块，其特征在于，所述接触式图像传感器输出1路、2路或3路模拟信号，每一路模拟信号对应接触式图像传感器上的一段，每一路模拟信号分别用微控制器中内置的一个ADC采集。

3.根据权利要求1所述的图像采集和处理模块，其特征在于，微控制器片上模数变换采样分辨率小于或等于50DPI。

4.根据权利要求3所述的图像采集和处理模块，其特征在于，微控制器中的模数变换行内采样分辨率为50DPI或25DPI。

5.根据权利要求1-4任一项所述的图像采集和处理模块，其特征在于，微控制器采用ARM Cortex-M系列处理器。

6.根据权利要求5所述的图像采集和处理模块，其特征在于，所述微控制器至少有4个片上定时器，其中1号定时器产生CIS时钟信号，2号定时器产生ADC采样信号，3号定时器产生行转移信号和2个发光控制信号，其中一个发光控制信号用于控制反射光源发光，另一个发光控制信号用于控制透射光源发光，4号定时器测量编码器输出信号的周期或频率，用于控制3号定时器的输出频率。

7.根据权利要求5所述的图像采集和处理模块，其特征在于，所述光源包括接触式图像传感器的内置反射光源，以及外设透射光源，所述内置反射光源和外设透射光源包括红外光源和红、绿、蓝LED光源中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的图像采集和处理模块，其特征在于，所述微控制器片上还包括5号定时器用于产生发光控制信号，分别控制除3号定时器控制外的内置反射光源和外设透射光源中红、绿、蓝LED光源中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的图像采集和处理模块，其特征在于，所述光源驱动电路包括连接微处理器控制信号输出脚的电阻R101，其另一端连接三极管基极或场效应管栅极，三极管集电极或场效应管漏极通过限流电阻R102与光源LED负极端相连，光源LED的正极端连接到5V电源。