2024年5月4日发(作者：)

[19]

中华人民共和国国家知识产权局

[12]

发明专利申请公开说明书

[21]申请号2.5

[51]

7

G06F 3/00

H04N 5/30

[43]公开日2005年10月19日

[22]申请日2005.03.16

[21]申请号2.5

[71]申请人清华大学

地址100084北京市100084－82信箱

[72]发明人徐磊 陈强 孙振国

[11]公开号CN 1684024A

[74]专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公

司

代理人李光松

权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页

[54]发明名称

高速视频采集系统

[57]摘要

本发明公开了属于图像传感及记录技术领域的

一种高速视频采集系统。在由高速摄像机、计算机

和软件组成的所述高速视频采集系统中，采用USB2.

0作为数字视频的传输协议，其高速摄像机将光信

号转换成数字视频，通过USB2.0数据接口送入计算

机，计算机通过软件设置高速摄像机内部工作参数、

采集高速摄像机的数字图像进行存储和运算。采用

USB2.0作为数字视频的传输协议，在系统中省去PC

I视频采集卡，从而优化了系统结构、提高了系统

可靠性、降低了成本。同时控制数据和图像数据都

可以通过USB2.0传输。因此计算机与高速摄像机之

间的数据连线也从原来的几十根减少到一根USB电

缆，从而提高了系统使用的灵活性；平台兼容性好。

2.5

权 利 要 求 书

第1/1页

1.一种高速视频采集系统，所述高速视频采集系统主要由高速摄像机、

计算机和软件的模式构成；其特征在于：在由高速摄像机、计算机和软件组

成的高速视频采集系统中，采用USB 2.0作为数字视频的传输协议，其高速

摄像机由光学镜头、驱动电路、视频信号预处理电路、AD转换电路、USB2.0

数据接口、电源组成，将光信号转换成数字视频，通过USB2.0数据接口送入

计算机：在计算机主板上集成有USB2.0接口。

2.根据权利要求1所述高速视频采集系统，其特征在于：所述软件包括

Windows驱动程序、二次开发接口和应用程序，主要是设置高速摄像机内部

工作参数、采集高速摄像机的数字图像进行存储和运算。

2

2.5

说 明 书

高速视频采集系统

第1/5页

技术领域

本发明属于图像传感及记录技术领域，特别涉及一种高速视频采集系统。

背景技术

目前世界大多数视频采集系统所支持的视频制式是PAL和NTSC等类似的标

准制式，其中PAL制式的帧率为25fps，NTSC制式的帧率为30fps。这两种制式

和人类眼睛的观察能力相当，适合人类的观看。但是当事件发生的速度超出人眼

的观察能力时，要记录并研究这样的事件就不能借助人眼或者标准视频制式的视

频采集系统，而需要借助高速视频采集系统。高速视频系统的帧率可以达到几百

fps甚至几千fps，能够记录高速事件发生过程的影像，是研究高速事件的利器。

高速视频系统在军事、航天、材料、制造、生物等领域中有着非常重要的应用。

高速视频采集系统在许多领域都有着不可替代的作用。最早的高速视频采集

系统应该是高速电影胶片拍摄机。高速电影胶片设备笨重，胶片不能重复使用，

拍摄费用很高，胶片需要冲洗才能显影，拍摄和显示需要间隔一定的时间，而且

胶片拍摄只是对影像的记录，不能直接将影像数据送入计算机进行运算处理。这

些因素大大的限制了高速胶片的使用，尤其是以高速CCD为基础的高速视频采集

系统出现后，高速胶片基本上不再使用。高速CCD视频采集系统具有速度高、灵

敏度高、可以将数据直接送入计算机处理等诸多优点。

在高速视频采集系统的研制领域，目前世界上大多数高速视频采集系统都采

取高速摄像机+专用PCI视频采集卡+计算机+专用软件的框架。加拿大DALSA

公司是著名的CCD芯片及CCD摄像机设计生产厂商，DALSA公司的CA-D1高速摄

像机与其他组件构成的高速视频采集系统结构图。系统由高速摄像机和计算机及

软件组成，系统帧率可以达到843.95 CA-D1系统采用多路并行的RS-422协议传

输数字视频信号，RS-422采用差分模式，每路RS-422信号需要一对双绞线。CA-D1

的CCD芯片的像素输出率为15M pixel/s，8位A/D变换后，需要接口的数据传

输速率为120Mbits/s。单路RS-422的数据传输速率为10Mbits/s，因此CA-D1

3

2.5说 明 书 第2/5页

采用了多路RS-422并行传输的模式。这就大大增加了CA-D1外部连接线的数量，

再加上控制线、电源等，CA-D1的实际外接线共有65根。RS-422是一种早期的

接口电器标准，电压比较高，速度比较低。近年出现了一些新的接口电器标准如：

LVDS、CAMERA LINK等，这些协议和RS-422从本质上类似，都是差分信号，但是

电压更低，速度更高。采用这几种接口标准，系统的构架和CA-D1没有太大区别，

都要在系统中引入专用采集卡，从而造成系统成本增加、可靠性降低。同时由于

这样的系统采用多路数据并行传输，因此不可避免的在系统中引入大量的连接

线。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速视频采集系统，所述高速视频采集系统主要由

高速摄像机、计算机和软件的模式构成；其特征在于：在由高速摄像机、计算机

和软件组成的所述高速视频采集系统中，采用USB2.0作为数字视频的传输协议，

其高速摄像机由光学镜头、驱动电路、视频信号预处理电路、AD转换电路、USB2.0

数据接口、电源组成，将光信号转换成数字视频，通过USB2.0数据接口送入计

算机；在计算机主板上集成有USB2.0接口；所述软件包括Windows驱动程序、

二次开发接口和应用程序，主要是设置高速摄像机内部工作参数、采集高速摄像

机的数字图像进行存储和运算。

本发明的有益效果是采用USB2.0作为数字视频的传输协议，可以从根本上

优化系统的构架。在系统中省去视频采集卡，从而优化了系统结构、提高了系统

可靠性、降低了成本。同时由于USB2.0协议采用的是高速串行传输方式，控制

数据和图像数据都可以通过USB2.0传输。因此计算机与高速摄像机之间的数据

连线也从原来的几十根减少到一根USB电缆，从而提高了系统使用的灵活性

附图说明

图1为高速视频采集系统的结构示意图。

图2为高速摄像机采用的空间立体结构示意图。

图3为高速摄像机结构框架图。

具体实施方式

4

2.5说 明 书 第3/5页

本发明提供一种高速视频采集系统，所述高速视频采集系统都采取高速摄像

机、计算机和软件的模式构成。图1所示为采用USB2.0协议的高速视频采集系

统的结构示意图。由高速摄像机1、计算机2和软件3三部分组成，所述高速视

频采集系统中，出于对性能、成本、接口复杂度、体积、外部连接线数量等因素

的综合考虑，本文采用了目前在高速视频采集领域很少采用的USB2.0协议。

USB(Universal Serial Bus)是目前非常流行的接口协议。USB的早期版本USB1.1，

数据传输速率非常低，支持两种传输速度，分别为12Mbps和1.5Mbps。只是应用

于对速度要求不是很高的串行传输领域。但是USB2.0推出后，其数据传输速率

高达到480Mbps，使得USB应用于高速数据传输成为可能。USB2.0已经成为几乎

所有PC厂商支持的外设接口标准。

如图1、图2所示，高速视频采集系统中的高速摄像机由光学镜头4、

驱动电路5、视频信号预处理电路6、AD转换电路7、USB2.0数据接口8、

电源9组成，将光信号转换成数字视频，通过USB2.0数据接口8送入计算

机2；高速摄像机1是高速视频采集系统中的最重要的组成部分，按照模块

化的设计的要求，将高速摄像机划分成以下几个功能独立的子模块分别进行

设计：CCD感光芯片模块10；CCD驱动模块5：CCD信号预处理模块6：USB2.0

接口模块8；电源模块9。CCD主芯片模块的功能是直接支持CCD的工作，

如：驱动信号电平转换、CCD信号放大、CCD电源滤波等；CCD驱动模块的

主要功能是产生CCD逻辑驱动信号及预处理电路的驱动逻辑信号；CCD信号

预处理模块功能是对CCD信号进行钳位、相关双采样、可编程增益、AD转

换等操作；USB2.0接口模块的功能是提供与计算机的USB2.0高速数据接

口，根据计算机的指示对高速摄像机进行配置；电源模块的功能是为整个高

速摄像机提供电源及与外界的接插口。由于CCD驱动模块和CCD信号预处理

模块的关系十分紧密，所以将这两个模块做在同一个电路板上，其他几个模

块分别各做一块电路板，四块电路板通过接插件连接在一起，构成一部完整

的高速摄像机。为了减小高速摄像机的体积，本文采用了一种特殊的电路空

间几何结构。将四块电路板在空间连接成一个长方体，形成一个“电路体”，

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2.5说 明 书 第4/5页

元器件表贴在长方体的内外表面。该结构克服了电路板所有元器件在一个平

面上占用过大面积的弱点，保证了高速摄像机空间的高效利用，使得相机的

体积更加小巧(如图2所示)。这种设计便于系统调试和升级。四块电路板

可以按照功能分别调试，而且未来可以对其中某个模块进行升级或更换，而

不会影响到其他模块。例如：需要的时候可以对USB2.0的模块进行重新设

计，改变高速摄像机的接口形式，而不需要更换其他模块。

在图3中，USB板主要由MCU、CPLD#2、FIFO和USB2.0接口芯片组成，

MCU负责初始化USB2.0接口芯片，并控制帧率调节、启动等重要信号。CPLD#2

负责接收来自AD转换器的数字图像数据，并将数据高速写入USB2.0接口芯

片。FIFO起到CPLD和USB2.0接口芯片之间的数据缓冲作用，以防止数据

丢失。

电源板不仅为高速摄像机提供电源，而且安装了高速摄像机对外的接插

座，分别为USB插座和12V电源插座。在电源板上有一组线性稳压电源，该

组线性稳压电源将外部输入的12V电源稳压成为12V、5V、3.3V，分别给CCD

板、CCD驱动及预处理板供电。电源板通过USB接口给USB板提供5V电源。

在计算机2主板上集成有USB2.0接口8；所述软件3包括Windows驱动程序、

二次开发接口和应用程序，主要是设置高速摄像机内部工作参数、采集高速摄像

机的数字图像进行存储和运算。

加拿大DALSA公司是著名的CCD芯片及CCD摄像机设计生产厂商。本文采用

的CCD传感器就是该公司的CCD芯片产品(型号：IA-D1)。DALSA除了提供CCD

芯片外，其本身还生产CCD相机。

本文发明的高速视频采集系统与CA-D1采用的光电传感器是同一型号

IA-D1，本文系统和CA-D1相比具有如下特点：

6

2.5说 明 书 第5/5页

本文THSVCS-1

最高帧率

计算机接口

可扩展性

成本与价格

摄像机重量

尺寸

外接电缆总数

软件运行平台

843.95fps

集成的USB2.0接口

自主开发

小于2万元人民币(成本)

小于0.5Kg

56.0mm×52.0mm×89.0mm

1根USB电缆+2根电源线

Windows98/2000/XP/2003

加拿大DALSA公司的CA-D1

736fps

专用RS422 PCI图像采集卡

技术保密，不可修改

15万元人民币(价格)

0.7Kg

88.9mm×88.9mm×82.6mm

65根

Windows98/NT4.0/2000/

与加拿大DALSA公司的CA-D1相比，THSVCS-1明显具有：帧率高、体积小、

重量轻、接口通用、外部连线少、总体成本低、平台兼容性好等特点。

7

2.5

说 明 书 附 图

第1/2页

图1

图2

8

2.5说 明 书 附 图 第2/2页

图3

9