长时间高速存储系统

湖南科天健光电技术有限公司 AcutEye高速图像处理系统 产品经理 陈先生 13574881629 0731-88577190 一、引言 高速运动物体数字图像的获得，是对瞬间发生的物理现象研究的基础，无论是在军事上，还是在民用方面，都有巨大的需求。在对燃烧、爆破、撞击和等离子体等持续时间非常短暂的物理现象的研究中，往往需要借助于高速摄像设备实现对高速动态过程的记录。一般定义帧率高于1000fps的摄像为高速摄像。高速摄像机快门打开时间非常短，或者采用频闪灯的辅助给一个短暂的照明，使相机在非常短的时间内曝光，将高速运动过程的瞬间“冻结”在相机底片上。这样，就能够看到高速运动过程的一个细节。 　　高速摄像机能够在极短的时间内连续拍摄到多幅图像，从而记录下来高速动态过程的一组分解图像。通过对分解图像进行比较，就能够对高速动态过程中发生的物理现象进行研究。 　　一百多年来，照相机在高速摄像领域得到了广泛应用。特别是近年来全球数字化的高速发展，数字图像因其具备的易编辑性和易保存性而越来越受到青睐，而CCD和CMOS图像传感器等数字图像获取器件的发明正好满足了这种要求。目前，基于CCD和CMOS的各种图像获取设备（如数码相机，扫描仪等）的研究和开发正在蓬勃地展开。目前，国内相关设备普遍采用化学感光胶片作为成像介质，高速数字摄像设备还要依赖进口。在国外，专门用于高速摄像的CCD和CMOS已经得到广泛的应用。但是由于受到技术保密的限制，目前国内还无法得到相关技术支持，只能购买国外成品，价格非常昂贵。因此，在现有条件下，开发出具有自主知识产权的高速数字成像设备具有重要的意义。 数字高速摄像技术的瓶颈在于高速图像数据的传输带宽限制和海量图像数据所需要的超大存储空间。普通数字摄像机的存储要采用较高压缩率的编码。如M-JPEG和MPEG等，以降低总的数据量以绕开这两个限制。以前的数字高速摄像图像系统只能在专用的硬件设备上才能实现，这导致数字高速摄像机价格昂贵，大多用户无法承担。科天健公司开发的AcutEye高速图像记录处理统克服了以上缺点，借助于计算机的最新技术，在一台PC机上完美的实现了高速度、高分辨率、长时间的高速图像的超大数据量无压缩、无损失的实时存储。 二、高速图像数据记录的基本原理 高速图像数据记录系统主要用来记录高速相机采集到的高速图像数据。在电力、汽车、航空、体育、军事、科研等领域以及其它工业等领域，在需要对高速运动物体进行分析的时候,高速记录系统显得尤为重要。但是从目前来看，专用于高速图像记录的嵌入式系统存储速度还不到70MBps，这在一定程度上限制了高速数据记录系统的应用范围。针对此不足，科天健公司提出了一种新的高速数据记录系统的实现方法，即基于FPGA的高速数据记录系统，其原理是通过Camera Link接口将高速相机输出的图像数据接收并缓存，再通过PCI Express总线将缓存数据送到SATA接口，由SATA控制器实现对硬盘的控制并完成数据的写入和读出。所记录的图像可以通过USB接口送到上位机。 目前，最常用的高速数据记录的方式是磁盘冗余阵列，它由高性能的计算机、磁盘冗余卡以及大容量高速度的SCSI（Small Computer System Interface）硬盘组成 ，其数据存储速度很快。为了减小设备的体积，高速图像数据记录系统采用独立于计算机系统的SCSI硬盘数据记录方式。 该记录系统的原理框图如图1所示。系统从存放数据的FIFO中取出数据，通过SCSI控制器把数据实时送入SCSI总线，并进入高速SCSI硬盘进行数据记录。记录系统主要包括微处理器、DMA控制器、数据缓存器和高速SCSI硬盘等。在数据的输入接口部分，需要有数据缓存单元，采用专用的FIFO芯片。 独立于微机系统的SCSI硬盘控制器，实际上就是设计一个脱离微机控制的具有高速DMA接口和微处理器接口的SCSI协议控制器，可以管理硬盘并处理I／O操作以达到高速数据记录的功能。微处理器用来控制SCSI协议控制器的工作，实现对高速SCSI硬盘的有效控制。该高速硬盘记录系统要实现数据的持续高速记录，数据处理速度要相应提高，通常这类设备选用DSP或者高速单片机作为微处理器。同时对控制器中的微处理器要开发高速、高效、功能强的SCSI硬盘控制器驱动程序，最终完成高速数据记录任务。驱动程序是整个系统的核心调度，它必须使系统的所有部件协调运行，对整个硬件时序合理调度，才可以完成整个系统的任务。对于大容量SCSI硬盘记录系统，SCSI控制软件首先要有效地控制SCSI硬盘，实现高速数据流的读出和写入，发挥硬盘的最大潜能。传送大量数据采用的是DMA方式。电路采用复杂可编程逻辑器件构造了一个独立的DMA控制器。 在系统中，SCSI硬盘仅是一个数据存储体，是与计算机操作系统无关的硬盘；但在事后数据处理的时候，SCSI硬盘又可以作为活动硬盘，通过计算机中的SCSI适配卡把此硬盘接入计算机，然后通过编程实现数据的导出。数据导出主要靠软件来完成，把SCSI硬盘和计算机相连接，通过软件控制，就可根据要求实现测量数据的导出。基本过程如图2所示。 　　ASPI的含义是高级SCSI编程接口，计算机的软件系统通过ASPI接口与SCSI总线交换信息。在Windows下，ASPI通过连接动态链接库来实现并自动得到ASPI接口地址，然后通过自行编制的程序代码就可以实现对SCSI设备的数据读写操作。 三、AcutEye高速图像记录处理系统的组成结构  AcutEye高速图像记录处理系统由CameraLink输出的高速相机、可FPGA编程的高速CameraLink采集卡、内置的高速Flash存储阵列的工控机、实时采集存储控制软件构成。 四、AcutEye 高速图像记录处理系统的功能 AcutEye 高速图像记录处理系统可实现多台高速摄像机的视频同步采集，并将由多台摄像机采集到的高速视频数据实时记录到图像工作站的硬盘阵列内。用户可以对记录下的视频数据进行编辑，回放，导入导出，转换成AVI，MPEG等格式的视频文件或 JPEG，TIFF，BMP等格式的序列图像文件。区别于一般的消费类压缩流媒体储存软件，图像采集存储是将数字图像不压缩而直接保存到用户 PC上，保证用户可以得到高品质的不失真图像。AcutEye 高速图像记录处理系统非常适用于科学研究、撞击测试、高速扫描、机器视觉、军事研究、过程控制、运动分析、3D检测、科学试验运动捕获等场合的需要。 高速实时无压缩的记录本记录技术的一个主要特点是高速实时无压缩的数据记录，它可完成高速、大容量图像数据和测量信息的采集、存储和分析，具有高速大容量、通用性、独立性和灵活性等特点。高速就是能对图像信号进行长时间连续采集和无压缩记录，成像数据一般是高分辨率、高帧频的，数据量相当大（达到650MB／s的流量）。独立性体现在系统是一个脱离于微机的独立记录设备，可以嵌入到测量设备中。灵活性体现在系统的存储容量、硬盘连接方式可以按需配置，记录单元模块化、可重组化。高速图像数据记录系统可以对测量信息进行实时记录、事后信息回放和图像信息处理与分析。 五、图像采集存储软件 高速图像记录处理系统（HVR）是科天健公司研发的专业图像记录软件，可以支持目前市场上几百种主流的工业摄像机和图像采集卡。通过一套图像采集存储软件，用户可以同时从多台摄像机采集记录不经压缩的原始数据到计算机的硬盘或硬盘阵列，非常适用于科学研究，过程控制，运动分析，三维重建等应用。 六、AcutEye 高速图像记录处理系统的特点 1、Windows 2000/XP/VISTA实时记录最高每秒650 M的高速数字图像序列持续无损的存储到专用高速Flash 阵列存储器中。 2、支持CameraLink Base,Medium 或Full 的黑白或彩色的各种高分辨率高速相机。 3、可根据实际要求配置不同容量的专用高速Flash存储器来实现不同时长的高速数据的持续无损记录，从5分钟甚至到数小时的海量高速存储。 4、可实现多个相机的同步采集、同时长时间记录。 5、可导出生产通用的BMP 图像格式文件， 以及AVI（有损或无损）视频文件。 6、提供高速串口通道，可精确保存每帧图像所对应的记录时间及其他辅助信息 7、采用类似录像机的操作方式。录像、回放、暂停、快进、快退等操作可方便用户对已记录下的图像序列的检索和浏览定位。 8、可在采集进行时或采集结束后在每帧图像上叠加 GPS、IRIG-B时间码或其它用户定制信息。 9、可实现超长距离高速摄像传输存储，远程网络控制和外触发图像采集。 10、支持长延时的图像采集录制 11、存储的图像序列文件的大小没有限制。 12、软件可方便的升级，中文人机界面友好。 七、高速图像记录处理系统相机选型： 常用的高速图像记录处理系统相机选型 型号名称 相机型号，（最高帧率@最大分辨率） AcutEye C250S-4G（CLB） 德国Optronis公司的高速相机CL300×2  （125fps @ 1280 x 1024 x 8 bits） AcutEye C650S-4G（CLF） 德国Optronis公司的高速相机CL600×2  （502fps @ 1280 x 1024 x 8 bits） AcutEye P040S-4G（CLB） 瑞士PhotonFocus公司的MV-D1024E、MV1-D1312系列相机 AcutEye P040S-4G（GE） 瑞士PhotonFocus公司的MV-D1024E、MV1-D1312系列相机 AcutEye P080S-4G（CLB） 瑞士PhotonFocus公司的MV-D1024E、MV1-D1312系列相机 AcutEye P080S-4G（GE） 瑞士PhotonFocus公司的MV-D1024E、MV1-D1312系列相机 AcutEye P160S-4G（CLB） 瑞士PhotonFocus公司的MV-D1024E系列相机（150fps @ 1024 x 1024 x 8 bits） AcutEye P240S-4G（CLB） 瑞士PhotonFocus公司的MV-D1024E系列相机（169fps @ 1248 x 1082 x 8 bits） AcutEye S040S-4G（GE） Smartek 公司GC1281M （30fps @ 1280 x 1024 x 8 bits）  * 用户选择或已有的其他型号的高速面阵相机或线阵相机，受用户的正式委托，我公司可完成AcutEye高速图像记录处理系统与之匹配的开发工作。 八、应用领域 军事 航空 着陆姿势 起飞状态； 弹道 火箭喷射，子弹出膛，火炮发射； 爆破分析 炮弹爆炸 、破片分析、爆炸防御，撞击分离 翼及各种武器性能测试分析，点火装置工作过程等。 科学研究 结晶， PIV的流体、粒子研究， 燃烧 敷层过程测量 生产领域 产品喷溅、封装、压轧、织网、模压、绕线、切削、裁剪、采掘、机械运转动作分析或故障诊断。 生物 运动学、生物力学；生物运动分析：人体、动物动作分析，昆虫或鸟类翅膀运动；步态分析，康复物理治疗。 医疗 医疗器具、细胞、瓣膜运动、 出血观察；吞咽、呼吸道鞭毛运动 电影、电视 电影、广告、动画特技等，如高速动作特技 体育 跑步,跳远,跨栏体操,跳水等姿势动作分析；运动广播、体育运动辅导和训练 汽车 安全气囊测量、汽车碰撞研究、拖运器 轮胎 限制器 组件动作 专业领域 工程故障、 动态特性、破碎、 震动分析；落摔分析、冲击分析、产品开发研究分析、力学和弹性分析等 九、关于科天健 湖南科天健光电技术有限公司自创业之初即专研于高速摄影测量、高速动态目标跟踪测量、机器视觉系统、子系统解决方案。进而延伸到工业现场机械故障诊断系统、自动光学检测系统、3D测量系统、视觉检测系统、高端制造过程图像监控系统等应用领域。 多年来，公司一直秉持“诚信立足，服务为责，创新求发展”的理念，不断的研发改进高速图像、机器视觉技术，自主研发了“Acuteye高速数字图像长时间存储系统”；“高速铁路弓网检测系统” ；“高速铁路路轨磨耗实时检测系统”； “高速列车轮轨运行状态检测系统”；“高速公路路面实时检测系统”；“高速焊接熔滴检测系统”；“焊缝实时跟踪系统”；“焊接图像及电流电压综合采集控制系统”；“实验外场高速电视长时间同步记录系统”；“海基、路基移动平台高速图像采集系统”；“高速大动态实时目标跟踪系统”等，均为国内领先，并获得了铁路、焊接、科研、军事等领域广大客户的支持与一致肯定。 公司追踪世界前沿的图形图像技术，与德国、瑞士、美国、加拿大、意大利等国的十余家国际著名的图形图像硬件公司在高速相机、工业CMOS相机、工业CCD相机、光电信息及图像处理子系统等方面有广泛的技术合作，是瑞士PHOTONFOCUS、德国OPTRONIS、德国SMARTEK、德国SILICONSOFTWARE、美国PHRONTIER等专业图像部件厂商在中国地区独家代理。 湖南科天健光电技术有限公司在高速图像处理和机器视觉领域有雄厚人才队伍，凝聚了一批具有多年高速图像处理研发和应用经验的有创新精神、有事业心的优秀工程师，60％以上员工具有硕士以上学位。公司以客户的成功为目标，以提供国际一流的产品和服务为宗旨，以强大的国际著名图像硬件公司阵容、先进的产品和强大的技术支持为支撑，致力于开拓和服务于中国高速摄影、工业图像和机器视觉市场。 主要产品 1. Acuteye高速图像采集记录系统 2. 工业用光源 / Light Guide 3. Camlink Camera /工业相机, Giga Camera /工业相机, LINLOG Camera / 工业相机 4. 高速相机, 工业相机 / 高速工业相机 5. 工业图像采集卡 6. 滤镜 (Filter) / Hirose Connector 7. 相关软件(测量软件 / 影像处理软件 / 高速图像采集处理软件)及技术服务(AOI Inspection / 自动光学检测) 8. Camera Link Repeater / Camera Link Simulator / Camera Link Translator / Camera Link Video Splitter / Camera Link Breakout Box / Camera Link Extender 9.太阳能电池专用检测工业相机 （备注: 本公司所销售的高速相机能够与下列品牌镜头相匹配: Fujinon, VST, KOWA, Myutron, Tamron, Computar, Pentax, Cosmicar, Optart, Kenco, Tokina, Moritex） 应用范围 1. 影像处理 2. 机器视觉 3. 焊接检测控制 4. 自动光学检测 5. 精密测量 6. 电脑视觉，高速图像。 8