一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置和处理方法

1.一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，其特征在于，该装置至少包括红外传感器（1）、光电开关传感器（2）、光栅盘（3）、传送机构（4）、多光源接触式图像传感器CIS（5）、FPGA控制电路（6）、光源控制电路（7）、传感器电路（8）、A/D转换电路（9）和直流电机（10）；
其中，红外传感器（1）固定于传送机构（4）的前端位置，用于检测传送结构（3）上是否有票据通过，如果检测到票据通过红外传感器（1）时，则通过传感器电路（7）将产生的信号通知FPGA控制电路（6）开始采集一幅图像；否则，继续检测；
光电开关传感器（2）固定于光栅盘（3）的一侧，与光栅盘（3）配合产生用于CIS图像采集的帧或行同步信号；
光栅盘（3）固定于直流电机（10）同轴位置，与光电开关传感器（2）配合，用于检测传送机构（4）的传动速度以及产生CIS图像采集的帧或行同步信号；
传送机构（4）由直流电机（9）按照固定的传送比传动，票据通过传送机构（4）的传送带传动作用，快速稳定的通过红外传感器（1）和多光源接触式图像传感器CIS（5）；
多光源接触式图像传感器CIS（5）固定于传送机构（4）的中端位置，垂直于票据的运动方向，通过FPGA控制电路（6）控制，动态检测票据的图像信息；
FPGA控制电路（6）用于控制多光谱票据图像采集方案选择，通过光源控制电路（7）控制多光源接触式图像传感器CIS（5）完成多光谱图像采集任务；
光源控制电路（7）用于连接FPGA控制电路（6）和多光源接触式图像传感器CIS（5），完成CIS的光源开关操作；
传感器电路（8）用于红外传感器（1）和光电开关传感器（2）的滤波、放大以及电平转换，将传感器信号转换为数字信号，用于FPGA的判断一副图像采集的起始位置和一帧图像的启动位置；
A/D转换电路（9）用于将CIS输出的模拟信号转换为数字信号并传输到FPGA内部；
直流电机（10）用于传送机构（4）传动，传送机构（4）上的票据快速、稳定的通过多光源接触式图像传感器CIS（5）。
2.根据权利要求1所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，其特征在于，多光源接触式图像传感器CIS（5）内置可见光、紫外光、红外光光源，且每一路光源可单独控制开关。
3.根据权利要求1所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，其特征在于，红外传感器（1）安装于票据运动方向的前端位置，多光源接触式图像传感器CIS（5）安装于票据运动方向的中端位置，即票据在传送机构（4）上运动时，先通过红外传感器（1），后通过多光源接触式图像传感器CIS（5）。
4.根据权利要求1所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，其特征在于，FPGA控制电路（6）中FPGA负责完成多光源接触式图像传感器CIS（5）的驱动和光源控制、图像采集与存储。
5.根据权利要求1所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，其特征在于，红外传感器（1）在票据通过时产生的脉冲信号作为CIS一幅图像采集开始的场同步信号，光电开关传感器（2）配合光栅盘（3）产生的脉冲信号作为CIS一帧图像采集开始的行同步信号。
6.一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，其特征在于，该方法包括：
票据通过传送机构（4）传动，在未通过红外传感器（1）时，FPGA内部的采图机制处于初始等待状态，此时多光源接触式图像传感器CIS（5）未启动工作；
票据通过传送机构（4）并接触到红外传感器（1）时，FPGA内部的采图机制跳入延时等待状态，该延时等待状态以固定于光栅盘的一侧的光电开关传感器与光栅盘配合产生的用于CIS图像采集的帧或行同步信号触发多光源接触式图像传感器CIS（5）采图，但并不进行图像存储；
FPGA利用多光源接触式图像传感器CIS采集到的一帧图像进行判断，当满足状态跳转要求时，即此时FPGA判断票据已经在多光源接触式图像传感器CIS（5）的正下方，FPGA内部的采图机制跳入有效采图状态，此有效采图状态同时开启多光源接触式图像传感器CIS（5）采图和图像储存；
FPGA在图像存储的同时，对采集到的一帧图像进行判断，当判断结果满足状态跳转要求时，FPGA内部的采图机制跳转入初始等待状态，等待下一幅图像的采集。
7.根据权利要求6所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，其特征在于，FPGA采图机制判断是否进入采图有效状态的依据是多光源接触式图像传感器CIS（5）采集传送机构背景的图像信息和票据的图像信息的差异性，FPGA只完成票据在多光源接触式图像传感器CIS（5）正下方时图像的采集和存储。
8.根据权利要求6所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，其特征在于，FPGA内部的采图机制的延时等待状态，目的在于过滤掉红外传感器（1）与多光源接触式图像传感器CIS（5）安装之间存在的一定距离而产生的伪图像数据。
9.根据权利要求6所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，其特征在于，FPGA内部的采图机制的有效采图状态，此有效采图状态完成多光谱票据图像采集任务，当FPGA判断出票据已经通过多光源接触式图像传感器CIS（5）并跳入初始等待状态时，完成一幅图像的采集任务。
10.根据权利要求6所述的一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，多光谱图像选择可通过PC机通知FPGA选择不同采图方案，通过光源控制电路（7）完成对不同帧或行图像的采集。

一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置和处理方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及具有防伪特征票据的图像采集技术，为票据特征识别、机器视觉等领域提供了一种新的图像获取设备和方法。\n背景技术\n[0002] 伴随着相关技术的发展，假票据制作水平越来越高，以假乱真的现象也变得越来越猖獗，影响人们日常生活和社会的稳定，因此提高现有鉴别设备的识别能力势在必行。\n[0003] 重要票据基本上都具有防伪特征，且其中大多数防伪特征可以在多光谱图像中有所体现。真假票据在多光谱图像中表现出不同的特征，便于设备进行区分和识别。因此，多光谱图像分析鉴别技术成为提升设备能力的重要环节。\n[0004] 为了提高现有设备的鉴别能力，需要在设备中引入了图像环节。现有的固态图像传感器可分为电荷耦合元件CCD与金属氧化物半导体元件CMOS两种。接触式图像传感器CIS 是以CMOS技术为主的一种新型光电耦合器件，与CCD相比，具有积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、便于安装等优点，适用于传统鉴别设备的改进。\n[0005] CIS是一种自带光源的线性传感器，扫描一次仅能得到一帧或行图像信息，因此，图像采集时必须配合横向（垂直于CIS方向）的运动，才能得到一幅完整的二维图像。由此可以看出，CIS图像的起始采集位置和停止采图位置对采集到的一幅图像数据产生影响。如果当票据还未到或已经通过CIS正下方时，设备仍旧在采集图像，这种情况下即增加了设备图像采集的时间，采集到的图像又会出现冗余，影响图像采集的稳定性和实时性。\n[0006] 传统的方法是通过设备前端加入红外传感器作为判断CIS采图起始位置的依据，为了防止票据在高速运动过程中倾斜等情况的影响，红外传感器需要安装于CIS前端位置并保证一定的距离要求（若安装于同一条线上，在票据倾斜情况下，红外传感器触发采图时票据已通过CIS，导致有效图像数据丢失），此时有下面两种处理情况。\n[0007] 第一种情况，将红外传感器的边沿信号直接作为图像的场同步触发信号，由于红外传感器和CIS的距离要求，采集到的图像会出现冗余。\n[0008] 第二种情况，若延时一定距离或时间后再触发一幅图像的采集，此时，采集图像受到机械性能的影响，不稳定。\n[0009] 根据上述情况，本专利提出了一种基于CIS的多光谱票据图像采集处理方法，该方法利用FPGA并行高速处理的特点，在图像采集的前端即对图像进行判断，以采集端的图像信息作为整幅图像的启停的控制的直接判断依据，不完全依赖系统的机械性能。\n发明内容\n[0010] 针对上述技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，从满足装置稳定性、实时性的角度确保获得稳定、高质量的图像。\n[0011] 本发明的另一个目的在于提出了一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，该方法利用FPGA并行处理的优势，解决了线性图像传感器采集图像冗余的问题，提高了图像数据的有效性和稳定性。\n[0012] 一种基于CIS的多光谱票据图像采集装置，该装置至少包括红外传感器、光电开关传感器、光栅盘、传送机构、多光源接触式图像传感器CIS、FPGA控制电路、光源控制电路、传感器电路、A/D转换电路和直流电机；\n[0013] 其中，红外传感器固定于传送机构的前端位置，用于检测传送结构上是否有票据通过，如果检测到票据通过红外传感器时，则通过传感器电路将产生的信号通知FPGA控制电路开始采集一幅图像；否则，继续检测；\n[0014] 光电开关传感器固定于光栅盘的一侧，与光栅盘配合产生用于CIS图像采集的帧或行同步信号；\n[0015] 光栅盘固定于直流电机同轴位置，与光电开关传感器配合，用于检测传送机构的传动速度以及产生CIS图像采集的帧或行同步信号；\n[0016] 传送机构由直流电机按照固定的传送比传动，票据通过传送机构的传送带传动作用，快速稳定的通过红外传感器和多光源接触式图像传感器CIS；\n[0017] 多光源接触式图像传感器CIS固定于传送机构的中端位置，垂直于票据的运动方向，通过FPGA控制电路控制，动态检测票据的图像信息；\n[0018] FPGA控制电路用于控制多光谱票据图像采集方案选择，通过光源控制电路控制多光源接触式图像传感器CIS完成多光谱图像采集任务；\n[0019] 光源控制电路用于连接FPGA控制电路和多光源接触式图像传感器CIS，完成CIS的光源开关操作；\n[0020] 传感器电路用于红外传感器和光电开关传感器的滤波、放大以及电平转换，将传感器信号转换为数字信号，用于FPGA的判断一副图像采集的起始位置和一帧图像的启动位置；\n[0021] A/D转换电路用于将CIS输出的模拟信号转换为数字信号并传输到FPGA内部；\n[0022] 直流电机用于传送机构传动，传送机构上的票据快速、稳定的通过多光源接触式图像传感器CIS。\n[0023] 进一步地，多光源接触式图像传感器CIS内置可见光、紫外光、红外光光源，且每一路光源可单独控制开关。\n[0024] 进一步地，红外传感器安装于票据运动方向的前端位置，多光源接触式图像传感器CIS安装于票据运动方向的中端位置，即票据在传送机构上运动时，先通过红外传感器，后通过多光源接触式图像传感器CIS。\n[0025] 进一步地，FPGA控制电路中FPGA负责完成多光源接触式图像传感器CIS的驱动和光源控制、图像采集与存储。\n[0026] 进一步地，红外传感器在票据通过时产生的脉冲信号作为CIS一幅图像采集开始的场同步信号，光电开关传感器配合光栅盘产生的脉冲信号作为CIS一帧或行图像采集开始的行同步信号，采集的图像的纵向分辨率严格一致。\n[0027] 一种基于CIS的多光谱票据图像采集方法，该方法包括：\n[0028] 票据通过传送机构传动，在未通过红外传感器时，FPGA内部的采图机制处于初始等待状态，此时多光源接触式图像传感器CIS未启动工作；\n[0029] 票据通过传送机构并接触到红外传感器时，FPGA内部的采图机制跳入延时等待状态，该延时等待状态以固定于光栅盘的一侧的光电开关传感器与光栅盘配合产生的用于CIS图像采集的帧或行同步信号触发多光源接触式图像传感器CIS（5）采图，但并不进行图像存储；\n[0030] FPGA利用CIS采集到的一帧图像进行判断，当满足状态跳转要求时，即此时FPGA判断票据已经在多光源接触式图像传感器CIS的正下方，FPGA内部的采图机制跳入有效采图状态，此有效采图状态同时开启多光源接触式图像传感器CIS采图和图像储存；\n[0031] FPGA在图像存储的同时，对采集到的一帧图像进行判断，当判断结果满足状态跳转要求时，FPGA内部的采图机制跳转入初始等待状态，等待下一幅图像的采集。\n[0032] 进一步地，FPGA采图机制判断是否进入采图有效状态的依据是多光源接触式图像传感器CIS采集传送机构背景的图像信息和票据的图像信息的差异性，FPGA只完成票据在多光源接触式图像传感器CIS正下方时图像的采集和存储。\n[0033] 进一步地，FPGA内部的采图机制的延时等待状态，目的在于过滤掉红外传感器与多光源接触式图像传感器CIS安装之间存在的一定距离而产生的伪图像数据。\n[0034] 进一步地，FPGA内部的采图机制的有效采图状态，此状态完成多光谱票据图像采集任务，当FPGA判断出票据已经通过多光源接触式图像传感器CIS并跳入初始等待状态时，完成一幅图像的采集任务。\n[0035] 进一步地，多光谱图像选择可通过PC机通知FPGA选择不同采图方案，通过光源控制电路完成对不同帧或行图像的采集。\n[0036] 利用本发明，可以快速获得高质量、多光谱情况下的票据图像数据，可用于票据真伪的分析，从而解决票据真伪的高速、高精度识别，提高票据识别系统的准确性、稳定性和实时性。\n附图说明\n[0037] 图1为基于CIS的票据图像采集装置结构示意图。\n[0038] 图2为基于SOPC技术的图像采集模块图。\n[0039] 图3为基于CIS的票据图像采集装置的工作流程图。\n[0040] 图4为用于描述整个图像采集过程的FPGA内部状态转移图。\n具体实施方式\n[0041] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。\n[0042] 实施例：\n[0043] 本发明选用自带多光源的三通道多光源接触式图像传感器CIS5，自带光源包括可见光、紫外光和红外光，且每一路光源可单独控制开关，便于不同光谱的组合。选择三通道多光源接触式图像传感器CIS5的目的在于降低缩短多光源接触式图像传感器CIS5每帧或行图像采集的时间，提高设备的实时性。\n[0044] 图1为装置的结构示意图，该装置至少包括红外传感器1、光电开关传感器2、光栅盘3）、传送机构4、多光源接触式图像传感器CIS5、FPGA控制电路6、光源控制电路7、传感器电路8、A/D转换电路9和直流电机10。\n[0045] 红外传感器1和光电开关传感器2通过传感器电路8的滤波、放大和电平转换将信号传输到FPGA内部，作为多光源接触式图像传感器CIS5图像采集的场同步信号。光电开关传感器2和安装于直流电机10的光栅盘3配合产生多光源接触式图像传感器CIS5图像采集的帧或行同步信号。场同步信号和帧或行同步信号通过传感器电路接入FPGA内部作为整幅图像采集的依据。\n[0046] 图2为基于SOPC技术的图像采集模块图，该模块描述了FPGA控制模块的实现方案。芯片可选用xilinx公司的spartan系列的FPGA，具有很高的性价比。Xilinx公司提供了大量免费IP核，可大大缩短用户开发周期。PC机通过串口向FPGA内部嵌入的软核Microblaze发送指令，FPGA通过命令解析控制光源控制电路按照不同方案打开或关闭光源。本实例以两种光谱图像采集为例，介绍多光谱票据图像采集处理方法。\n[0047] PC机与FPGA通信的约束命令以8位命令为例：\n[0048] 第7位和第6位保留；第5位表示该命令配置不同行的光色，’1’表示奇数行，’0’表示偶数行；第4位到第0位分别表示红光、绿光、蓝光、红外光和紫外光，’1’表示打开光源，’0’表示关闭光源。如下表1所示，若上位机向FPGA发送‘00011100’B命令时，表示奇数行打光光色为白光（r、g、b组合光），若上位机向FPGA发送‘‘00100010’B命令时，表示偶数行打光光色为红外光。\n[0049] 当完成一整幅图像采集时，FPGA仅需对奇偶行抽样就可以获取白光图像和红外图像。若PC机不向FPGA发送命令，FPGA将按照默认光色参数进行图像采集。\n[0050] 表1 具体光色命令实例\n[0051] \n光色选择 红光 绿光 蓝光 红外 紫外\n‘00011100’B 打开 打开 打开 关闭 关闭\n‘00100010’B 关闭 关闭 关闭 打开 关闭\n[0052] 装置的整个操作流程如图4所示。\n[0053] 步骤1，装置上电，FPGA完成初始化，等待PC设定多光谱参数。\n[0054] 步骤2，启动电机，未放入待检测票据，FPGA内部采图机制状态为采图等待状态Field_Idle，此时不启动多光源接触式图像传感器CIS5且不进行图像存储。\n[0055] 步骤3，当放入待检测票据且票据的前端挡到红外传感器时，FPGA内部采图机制状态立即跳转入采图延时状态Field_Delay，此时启动多光源接触式图像传感器CIS5但不进行图像存储。\n[0056] 步骤4，当FPGA根据CIS输出端图像判断票据已在多光源接触式图像传感器CIS5正下方时，FPGA内部采图机制状态立即跳转入采图延时状态Field_Valid，启动多光源接触式图像传感器CIS5且进行图像存储。\n[0057] 步骤5， FPGA内部采图机制状态处于Field_Valid，FPGA在进行图像存储的同时继续根据图像判断票据与多光源接触式图像传感器CIS5的相对位置。当FPGA判断票据已全部通过多光源接触式图像传感器CIS5正下方时，此时FPGA内部采图机制状态立即跳入Field_Idle，等待下一次图像触发。\n[0058] 为了便于描述FPGA内部整个图像采集过程，在具体实施中引入有限状态机（Finite State Machine）FSM的思想。多光源接触式图像传感器CIS5是一种自带光源的线性传感器，完成一幅完整的二维图像采集需要场同步和帧或行同步的配合。\n[0059] 作为整幅图像采集的有限状态机Field_State总共分为Field_Idle、Field_Delay、Field_Valid三种状态。\n[0060] Field_Idle：Field_State的初始等待状态。当电机未启动或电机启动未有被检测对象通过红外对管传感器时，Field_State处于Field_Idle；此时多光源接触式图像传感器CIS5未启动；当Frame_Trig=1，即被检测对象通过红外对管传感器时，此时Field_State将跳转入Field_Delay。\n[0061] Field_Delay：Field_State的延时等待状态。此时启动多光源接触式图像传感器CIS5驱动时序 ，并以外部码盘信号作为行同步信号触发采图，但不进行图像存储；当采样端采集到的一行图像信息满足图像触发的条件时，即Run_Flag=1，Field_State跳转入Field_Valid。\n[0062] Field_Valid：即Field_State有效采图状态，此状态同时开启多光源接触式图像传感器CIS5驱动和图像储存。当检测到的图像满足跳出条件时，即Stop_Flag=1时，跳转入Field_Idle，等待下一次红外对管传感器的触发信号。如图4主状态转移图所示。\n[0063] Line_State为另一有限状态机，用于多光源接触式图像传感器CIS5一帧图像的采集任务。Line_State总共分为Line_Idle、Line_Delay、Line_Valid三种状态。\n[0064] 当Line_State处于Line_Idle，CIS工作在空闲状态，没有启动采图信号。当光电编码器的下降沿信号到来时，即Line_Trig=1，Line_State跳转入Line_Delay。Line_Delay状态是固定时钟脉冲延时，目的是去掉多光源接触式图像传感器CIS5前端的无效像素点；\n当固定时钟脉冲计数器溢出后，状态跳转入有效行采图状态，即Line_Valid，完成三通道图像数据的采集；当一帧图像的有效像素点完成采集后，状态跳转入Line_Idle，等待下一次行同步信号的触发。如图4从状态转移图所示。\n[0065] 上述实施说明为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施说明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。