（通信与信息系统专业论文）高速线扫描成像系统的设计.pdf

m 奢 啸 ； = _ * 二 高速线扫描成像系统的垃计 中文摘要 高速线扫描成像系统的设计 中文摘要 机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从采集到的物体的图像中提取信 息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。中国正成为“世界工厂”， 制造业普及，但机器视觉发展较发达国家晚，目前尚属概念导入期，其市场潜力不可 忽视。因此，有必要在机器视觉系统的设计应用方面做一些探索研究。 本论文的目的是构建一个通用的、适应性强的图像自动采集平台，以便更快速、 高效地开发针对不同工业应用环境的视觉检测系统。本文构建的高速线扫描成像系统 包括光源，镜头、图像采集卡和c c d 相机的选取配置以及信号测量处理电路的硬件设 计，还有系统的单片机、c p l d 和p c 上位机的软件设计。其中使用光电编码器的测速 模块，使用红外光幕的测高测长模块，使用步进电机的调焦模块，使用c p l d + 单片 机组成的双片控制模块的软硬件设计都具有一定的特点和新意。 高速线扫描成像系统能够采集到高速运动物体清晰的、分辨率高的图像，还能实 现对多个物体信息的存储，并智能完成对这些物体的图像采集，可以应用在很多行业， 有广阔的应用前景。 关键词：机器视觉：c c d 相机；图像采集卡；红外光幕；c p l d 作者：付彬 指导教师：施国梁 哆 ，_ ”薯 萝 t h e d e s i g no fh i g h - s p e e dl i n e - s c a n n i n gi m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t m a c h i n ev i s i o nm o s t l yu s e sc o m p u t e rt os i m u l a t eh u m a n sv i s i o nf u n c t i o nt oa c q u i r e i n f o r m a t i o nf r o mo b j e c t si m a g ef o rp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g ，w h i c ha p p l i e st h er e s u l tt o p r a c t i c a ld e t e c u o n ，m e a s u r ea n dc o n t r 0 1 c h i n ai sb e c o m i n g “w o r l df a c t o r y ，s o i t s m a n u f a c t u n n gi sw i d e s p r e a d ，b u td e v e l o p m e n to fm a c h i n ev i s i o ni sl a t e rt h a nd e v e l o p e d c o u n t r i e s n o wc h i n ai si nt e r mo fc o n c e p ti m p o r ta n di t sm a r k e tp o t e n t i a lc a nn o tb e i g n o r e d s oi ti sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o ni na s p e c to fd e s i g na n d a p p l i c a t i o no fm a c h i n ev i s i o ns y s t e m t h ea i mo ft h ep a p e ri st oc o n s t r u c tag e n e r a la n da p p l i c a b l ei m a g ea u t o - c a p t u n a g p l a t f o r m , i no r d e r t 0d e v e l o pt h ev i s u a ld e t e c t i n gs y s t e ms a t i s f y i n gt h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n r e q m r e m e n t sv a r i o u si n d u s t r i a le n v i r o n m e n t se f f i c i e n t l ya n dr a p i d l y t h ew h o l es t r u c t u r e o fh i g h - s p e e dh n e - s c a n n l n gi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e da sf o l l o w s ：o n et a s ki s t os e l e c ta n dc o n f i g u r ef l l u m i n a t l n gr e s o u r c e , o p t i c a ll e n s ，i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d , t h ec c d c a m e r a a n o t h e rt a s ki st od e s i g nt h ec i r c u i t st om e a s u r e , p r o c e s sa n dc o n t r o ls i g n a l s i t a l s on c c d st od e s i g nt h es o f t w a r eo fs i n g l ec h i pp r o c e s s o r , c p l da n dp c t h en e wa n d c h a r a c t e r i s t i cp o i n t si nt h i sp a p e ra r et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n si nt h em o d u l e u s i n gp h o t o e l e c t r i ce n c o d e rt om e a s u r et h ev d o c i t yo ft r a n s p o r tb e l t , t h em o d u l eu s i n g i n f r a r e dc u r t a i nt om e a s u r et h el e n g t ha n dh e i g h to fo b j e c t , t h em o d u l eu s i n gs t e p p i n g m o t o rt oa d j u s tt h ef o c u so fo p t i c a ll e n sa n dt h em o d u l eu s i n gad o u b l e c h i p so f8 9 c 5 1 s i n g l e c h i pp r o c e s s o ra n di s p m a c h 4 2 5 6 vt oc o n t r o ls i g n a l s t h es y s t e mc a nc a p t u r et h ec l e a ra n dh i g h r e s o l u u o ni m a g eo fh i g h - s p e e do b j e c t i t a l s oc a ns t o r et h ei n f o r m a t i o no fs e v e r a lo b j e c t sa n di n t e l l i g e n t l yc a p t u r et h e i ri m a g e s t h e s y s t e mc a nb ea p p h e di nm a n yf i e l d sa n dh a v eag o o df u t u r e k e yw o r d sm a c h i n ev i s i o n ；c c dc a m e r a ；i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d ； i n f r a r e dc u r t a m c p l d w r i t t e nb y ：f u b i n s u p e r v i s e db y ：s h ig n o l i a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 卅i 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：i 立型日期_ 堑丛生2 星 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏卅i 大学学位办办理。 ；麓蓬 导烦签名乒名垒丝雌 日期：丝垒塑 日期：扩靠缸甜 高速线扫描成像系统的设计第一章引言 第一章引言 1 1 引言 在人类生活、生产当中，尤其是在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的基 于人类视觉的检查、测量、识别和控制需求，例如汽车零配件尺寸检查和自动装配的 完整性检查，电子装配线的元件自动定位，饮料瓶盖的印刷质量检查，产品包装上的 条码和字符识别等。这些应用中的一部分以往依靠大量工人来完成，这不仅增加了人 工成本和管理成本，同时由于人眼容易疲劳且具有不稳定性，无法保证百分之百的检 测合格率。另外，还有相当一部分应用，由于人眼的精度、速度上的限制，根本无法 由人工来完成，所以实际应用迫切需要一种代替人类视觉的机器出现。与此同时，计 算机技术、机电工程应用技术与数字图像处理技术不断完善和发展，人们开始将计算 机的高速度、高精度、高可靠性、结果的可重复性与人类视觉的智能化抽象能力相结 合，逐渐形成- - i q 新的学科一机器视觉n 儿2 】【3 】【4 】。 机器视觉的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，改 善了人类生活现状，有着极为广阔的应用前景。本文研究的高速线扫描成像系统就是 机器视觉在工业检测中的一个典型应用。 1 2 机器视觉概念 机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进 行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。一个典型的机器视觉应用系统 包括光源、光学系统、图像捕捉系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判 断决策模块和机械执行模块，如图1 所示5 1 。首先采用c c d 相机获得破侧目标的图像 信号，然后通过a d 转换变成数字信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、 亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，然后再根据预设的判别准则输 出判断结果，去控制驱动执行机构进行相应的处理。 高速线扣描成像系统的设计第一章引言 图1 i 典型工业机器视觉系统结构 值得一提的是，广义的机器视觉的概念与计算机视觉没有多大的区别，泛指使用 计算机和数字图像处理技术达到对客观事物图像的识别、理解和控制。而工业应用中 的机器视觉概念与普通计算机视觉、模式识别、数字图像处理有着明显的区别，有以 下特点嘲【7 】。 1 相对来说，机器视觉更是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术，机械 工程技术、控制技术、电光源照明技术，光学成像技术，传感器技术、模拟数字视频 技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等，这些技术在机器视觉中是并列关系。这 些技术相互协调应用才能构成一个成功的工业机器视觉系统。 2 机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要有合理的 性能价格比，要有通用的工业接口，能够由普通工人来操作，有较高的容错能力，有 较高的安全性，不会破坏工业产品，还必须有较强的通用性和可移植性。 3 对机器视觉工程师来说，不光要具有研究数学理论和编制计算机软件的能力， 更需要的是光、机、电一体化的综合能力。 4 机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数字图像 处理理论中的许多技术目前还难以应用于机器视觉，它们的发展速度远远超过其在工 业生产中的实际应用速度。 机器视觉是- - i 3 相当新、发展十分迅速的研究领域。人们从2 0 世纪5 0 年代开 始研究二维图像的统计模式识别，6 0 年代r o b e r t 开始进行三维机器视觉的研究，7 0 年代h i t 人工智能实验室正式开设“机器视觉”课程，8 0 年代掀起了全球性的研究 机器视觉的热潮，机器视觉获得了蓬勃发展，新概念新理论不断地涌现。目前，在国 外发达国家中，机器视觉技术已广泛地应用于生产、生活当中，而我国正处于起步阶 段。 高速线扫描成像系统的设计 第一章引言 1 3 机器视觉系统应用和展望 1 3 1 在工业检测中的应用 目前，机器视觉已成功地应用于工业检测领域，大幅度地提高了产品的质量和可 靠性，保证了生产的速度。例如产品包装、印刷质量的检测，饮料行业的容器质量检 测，饮料填充检测，饮料瓶封口检测，木材厂木料检测，半导体集成块封装质量检测， 卷钢质量检测，关键机械零件的工业c t 等嘲。在海关，应用x 射线和机器视觉技术 的不开箱货物通关检验，大大提高了通关速度，节约了大量的人力和物力。在制药生 产线上，机器视觉技术可以对药品包装进行检测，以确定是否装入正确数量的药粒。 1 3 2 在农产品分选中的应用 我国是一个农业大国，农产品十分丰富，对农产品进行自动分级，实行优质优价， 以产生更好的经济效益，其意义十分重大如水果，根据颜色、形状、大小等特征参 数嗍删 1 q ；禽蛋，根据色泽、重量、形状、大小等外部特征1 2 】；烟叶，根据其颜色、 形状、纹理、面积等进行综合分级1 3 】【1 4 1 。此外，为了提高加工后农产品的品质，对 水果的坏损部分、粮食中混杂的杂质、烟叶h 习茶叶中存在的异物等都可以应用机器视 觉系统进行检测并准确去除。随着工厂化农业的快速发展，利用机器视觉技术对作物 生长状况进行监测，实现科学浇灌和施肥，也是一种重要应用。 1 3 3 在机器人导航和视觉伺服系统中的应用 赋予机器人视觉是机器人研究的重要课题之一，其目的是要通过图像定位、图像 理解，向机器人运动控制系统反馈目标或自身的状态与位置信息，使其具有在复杂、 变化的环境中自适应的能力。例如机械手在一定范围内抓取和移动工件，相机利用动 态图像识别与跟踪算法，跟踪破移动工件，始终保持其处于视野的正中位置。 1 3 4 在医学中的应用 在医学领域，机器视觉用于辅助医生进行医学影像的分析，主要利用数字图像处 理技术、信息融合技术对x 射线透视图、核磁共振图像、c t 图像进行适当叠加，然 后进行综合分析；还有对其它医学影像数据进行统计和分析，如利用数字图像的边缘 提取与图像分割技术，自动完成细胞个数的计数或统计，这样不仅节省了人力，而且 大大提高准确率和效率。 高速线扫描成像系统的设计 第一章引言 1 3 5 其它方面 在闭路电视监控系统中机器视觉技术被用于增强图像质量，捕捉突发事件，监控 复杂场景，鉴别身份，跟踪可疑目标等，它能大幅度地提高监控效率，减少危险事件 发生的概率。在交通管理系统中，机器视觉技术破用于车辆识别、调度，向交通管理 与指挥系统提供相关信息。在卫星遥感系统中，机器视觉技术被用于分析各种遥感图 像，进行环境监测、地理测量，根据地形、地貌的图像和图形特征，对地面目标进行 自动识别、理解和分类等。 1 4 课题研究的内容和目的 对于机器视觉的研究应用，日本、德国和美国等发达国家早在上世纪6 0 年代就开 始了。到上世纪9 0 年代，随着光电子技术和计算机技术的发展，机器视觉已取得了广 泛的应用，其市场潜力十分巨大。在1 9 8 4 年，西欧的工业视觉系统的销售总额达到5 8 9 万美元，到1 9 8 9 达到近4 3 2 0 万美元。而在美国，1 9 8 4 年的视觉系统销售总额达到6 0 0 0 万美元，至i j l 9 9 4 年近1 2 亿美元。在日本，2 0 0 0 年机器视觉市场为3 0 0 - 4 0 0 亿日元。另 据“视觉系统国际公司”的一份市场调研报告显示：1 9 9 9 - - 2 0 0 4 年北美的机器视觉 市场规模从1 6 8 亿美元增长到1 9 亿美元( 年增长率为1 2 4 ) 。从上述数据可以看出机 器视觉技术发展之快、市场之大。国内的机器视觉发展较发达国家晚，目前尚属概念 导入期，但其市场潜力不可忽视。由于中国正成为“世界工厂”，与制造活动密切相 关的机器视觉技术正逐步被商家认可和接受，而且在中国，机器视觉行业还是刚刚起 步，相对其它行业来说竞争还不是很激烈。所以，谁占了市场先机谁就赢得了主动权。 相信再过几年，中国将会成为全球继北美、欧洲与日本后的第4 大机器视觉市场。因 此，我们有必要在机器视觉系统的设计应用方面做一些研究，来构建一个通用的、适 应性强的图像自动采集平台，以便更快速、高效地开发针对不同工业应用环境的视觉 检测系统。 本文所开发的高速线扫描成像系统是基于高速邮政包裹条码识别分类系统的前 端，高速邮政包裹条码识别分类系统首先由筛选机把邮政包裹按顺序依次送到传送皮 带上，然后利用设计的各种控制装置来测量传送皮带上的邮政包裹的位置、速度和高 度等信息，用这些测量的数据控制线扫描相机对邮包的上表面进行图像采集，将采集 到的包含有包裹信息的图像上传计算机，用于后续处理软件对图像上包含的类似条码 高速线扫描成像系统的设计 第一章引言 等有用信息进行实时识别，然后根据识别信息控制分类装置对包裹的去处进行自动分 类。当然，设计的这个图像自动采集系统是一个通用的、适应性强的试验平台，不仅 仅用于邮政包裹的分类方面，还可以根据具体的应用情况，做适当的改进，来应用于 各种应用场合。为了构建这个系统，需要从以下几个方面入手： ( 1 ) 根据系统所要完成功能的具体要求选取系统所需的硬件设备，例如，传送皮带， 线扫描相机，图像采集卡，镜头，光源。这些硬件设备的合适与否直接关系着系统的 功能实现和整体性能指标。 ( 2 ) 设计系统的自动化控制装置和电路，例如，红外光幕检测电路，调焦电路( 通过对 步进电机的驱动控制完成对不同高度采集物体的聚焦，以便采集清晰的、分辨率高的 图像) ，测速电路( 操控角编码器测量传送皮带的运动速度) ，c p l d + 单片机的双片信号 采集、处理、控制电路。利用这些控制装置和电路完成系统智能化、自动化的工作。 ( 3 ) 编写单片机、c p l d 和p c 机上的w i n d o w s 环境下基于v c 的图像采集显示保存程序， 这些程序是设计思想体现的地方，是整个系统运行的大脑和核心。 ( 4 ) 运行调试整个系统，对采集的图像进行分析识别，发现系统存在的问题，分析问 题并提出解决改进的方案，力求使整个系统达到完美，具有真正商用的价值。 5 高速线扫描成像系统的设计 第二章高速线扫描成像系统的框架设计 第二章高速线扫描成像系统的框架设计 2 1 系统总体框架 高速线扫描成像系统的框架主要由照明设备、线扫描相机，插了图像采集卡的计 算机，控制系统工作的几块信号采集处理电路组成。系统结构如图2 1 所示。 图2 1 系统硬件原理图 2 2 图像获取硬件子系统 图像的获取，是任何机器视觉的基础，实际上是将被测物体的可视化图像和内在 特征转换成能破计算机处理的一系列数据，场景中设置的相机提供了一维的或二维的 图像信息或数据，调制后提供给图像采集装置，在计算机中形成数字图像信息或数据。 图像获取装置主要是由相机、图像传输变换系统和图像计算机采集装置等构成。 本系统的图像获取子系统由照明装置、镜头，线扫描相机和图像采集卡构成。采 6 高速线亍 描成像系统的设计第二章高速线扫描成像系统的框架设计 集过程可简单描述为在光源提供照明的条件下，携带镜头的线扫描相机对通过其正下 方的目标物体进行线扫描，并将采集到的图像转化为数字图像信号，最后通过图像采 集卡传输给计算机的图像处理部分。这几个部件的正确选用是后续处理的必要条件， 成像的质量直接影响到视觉软件处理和分析部分，最终影响机器视觉系统工作的准确 性。业内有句名言“g a r b a g ei n ，g a r b a g eo u t ”，即如果输入的图像是一幅不理想 的图，则输出的分析结果也不会很好，因为软件的处理并不能将一幅低质量的图像变 得更好，所以，成像的质量是视觉系统的首要前提。为了获取理想的图像，必须有效 地选取成像系统部件，如光源、镜头、相机以及图像采集卡。根据笔者的大量实践， 成像的好坏往往决定了一套视觉应用系统的成败。有时候就是因为选用了价格过于低 廉的产品，忽视了一些关键技术指标，使得系统集成走了太多的弯路。视觉系统是一 个复杂而又敏感的系统，应用机器视觉技术解决实际问题时，应尽量使系统的输入部 分受外界的影响以及硬件调节的限制减至最小，这就得选择专业适用的成像设备，以 获得质量较佳的图像。下面就重点介绍这几个部件的选取原则和性能特性。 2 2 1 光源 在机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键，起着 非常重要的作用，它并不是简单地照亮物体而已。光源与照明方案的配合应尽可能地 突出物体特征量。在物体需要检测的部分与那些不重要部份之间应尽可能地产生明显 的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成 像的质量。按其照射方法可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。背 向照明是被测物放在光源和相机之间，其优点是能获得高对比度的图像；前向照明是 光源和相机位于被测物的同侧，这种方式便于安装；结构光照明是将光栅或线光源等 投射到破测物上，根据它们所产生的畸变，解调出被测物的三维信息；频闪光照明是 将高频的光脉冲照射到物体上，相机拍摄要求与光源同步，这样能有效地拍摄高速运 动物体的图像。在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应 充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体的几何形状、背景等要 素。光源的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性等， 同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。表2 1 列出了几种主要光源的相关特性 1 1 6 】。 7 高速线扫描成像系统的设计第二章高速线扫描成像系统的框架设计 光源颜色寿命h响应速度特点 发热大，几乎没有光亮度和 卤素灯白色，偏黄5 0 0 0 - 7 0 0 0 慢 色、温的变化，比较便宜 发热少，扩散性好、适合大 荧光灯白色，偏绿 5 0 0 0 7 0 0 0 慢 面积均匀照射，较便宜 红，黄，绿， 发热少，固体，可以做成很 l e d 灯6 0 0 0 1 0 0 0 0 快多的形状，波长可根据用途 白，蓝 选择，运行成本低，耗电小。 氙灯 白色，偏蓝 3 0 0 0 - 7 0 0 0 慢发热多，持续光 表2 1 各种光源对比 高速线扫描成像系统所获取的图像要经过后续的识别处理，如果图像模糊，边缘 不清楚的话，肯定会影响处理的精度，甚至造成有些图像不能处理或得不到正确的结 果，这显然是不允许的。为了获得高质量的图像，除了正确选择相机和照明光源以及 调整镜头参数如焦距、光圈等外，最重要的就是控制好曝光时问。曝光时间一般受到 下式约束： t 受，_ ( 2 1 ) r h x v 其中t 为曝光时问，单位为秒：w 为水平方向的视场宽度，单位为毫米；风为 相机水平方向的分辨力；v 为物体运动的速度，单位为毫米秒；n 为一系数，代表物 体上同一点在曝光时间内允许移动的距离的像素当量个数，一般不能超过1 ，大于1 则会出现模糊边界。 由上式就可以看出，在物体运动速度较高时，曝光时间实际上是很短的，例如系 统中皮带运动速度为2 0 0 m m s ，视场的宽度为2 0 0 m m ，相机水平分辨力为2 0 4 8 ，n 取 1 时，曝光时间要小于0 4 9 m s ，这么短的时间用一般的机械快门根本无法实现，现在 一般的c c d 相机都带有电子快门，有的可以使曝光时间控制在几个到几十个u s 以内， 这时候就必须使用高频强光源，才能保证所采集的图像不会出现亮暗间隔的情况。 因此，在光源方面值得注意的是l e d 光源，因其显色性好，光谱范围宽，能覆盖 可见光的整个范围，且发光强度高，稳定时间长，随着其制造工艺和技术的成熟，价 8 高速线扫描成像系统的设计 第二章高速线扫描成像系统的框架设计 格的降低，它必将得到越来越广泛的应用，成为图像领域新的亮点。本系统的照明采 用光强稳定的长条状高频l e d 光源，因其发光强度高、性价比好，采用前向照明方式， 另外在外加一个遮蔽罩，以充分利用光源的上半部分能量，减少光强变化所造成的影 响。 2 2 ，2 光学镜头 光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要。一个镜头的成像质 量优劣，即其对像差校正的优良与否，可通过像差大小来衡量，常见的像差有球差、 彗差、像散、场曲，畸变、色差等6 种。对定焦镜头和变焦镜头1 1 7 1 来讲，同一档次的 定焦镜头的像差肯定比变焦镜头的小，因为变焦镜头必须折衷考虑，使各种不同焦距 下的成像质量都相对较好，不允许出现某个焦距( 在变焦范围内) 下很差的情况。所 以在机器视觉应用系统中，根据被测目标的状态应优先选用定焦镜头，此外再综合考 虑图像的放大倍率、视场大小、光圈大小、焦距、视角大小等因素进行具体选择懈。 ( 1 ) 成像面大小：成像面是入射光通过镜头后所成像的平面，这个面是一个圆形。由 于使用的是c 0 1 ) 相机，其芯片大小有1 3 ，1 2 ，2 3 及1 英寸4 种大小，在选用镜头 时要考虑的就是该镜头的成像面与所用的c c d 相机是否匹配。 ( 2 ) 焦距、视角、工作距离、视野：焦距是镜头到成像面的距离；视角是视线的角度， 也就是镜头能看多宽；工作距离是镜头的最下端到景物之间的距离；视野是 镜头所能覆盖的有效工作区域。以上四个概念相互之间是关联的，其关系是：焦距越 小，视角越大，最小工作距离越短，视野越大。选择镜头的计算公式如下【1 9 1 m l ：旦：旦 ( 2 2 ) h o d o f = d o x m i ( 2 3 ) i + m 1 l e = d i f = m 1 x f ( 2 - 4 ) 其中，m i 是放大倍数，f 是焦距，l e 是镜头范围，h i 是像高，h o 是物高，d l 是像距，d o 是物距。根据实际情况，考虑上述因素，可以基本确定所需镜头。 本系统选用尼康5 0 m mf 1 4 da fn i k k o r 定焦镜头。镜头类型：定焦镜头，镜 头结构：六组七片，最大光圈：f 1 4 ，最小光圈：f 1 6 ，最近对焦距离：0 4 5 m ，焦 距范围：5 0 m m ，卡口类型：a f 卡口。 ， 9 高速线扫描成像系统的设计 第二章高速线扫描成像系统的框架设计 图2 2 尼康定焦镜头 2 2 3s p - 1 4 线阵数字相机 在工业视觉系统中，分辨率是一项重要指标。不同的工业应用环境、被测物体的 大小和精度差别对工业视觉系统的采样分辨率都有不同的要求，因此所选择的数字相 机必须保证获取图像的分辨率足以表征被测物的最小缺陷尺寸。工业视觉系统大多采 用线阵系统，线阵c c d 在连续扫描在线测量中的应用非常有优势。线扫描相机又可分 为隔行扫描和逐行扫描。当目标物体处于高速运动状态时，为避免图像边缘模糊的现 象，应采用逐行扫描相机。这里我们采用d a l s a 公司的s p 一1 4 线阵相机1 2 0 。 线阵相机是通过被摄物体的移动，利用单行像素的图像传感器( 一维) 来建立二 维图像。相对于面阵图像的获取，线阵图像在获取高分辨率的图像时成本低、动态范 围大、光敏感度高，而且允许被扫描物体有较高的移动速度。s p 一1 4 支持5 1 2 、1 0 2 4 、 2 0 4 8 和4 0 9 6 像素分辨率，单位像素大小为1 4 u m 1 4 u m ，c c d 传感器由栅控光电二 极管成单列排列，栅极控制曝光时间。光电二极管的原理如下：当入射半导体表面的 光子能量h g 大于半导体禁带宽度e g 、波长九s 粤：娑( u m ) 时，原子外层价电子吸 d se g 收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为自由电子，在价带中留下自由空穴， 于是产生了电子空穴对。n 型半导体杂质原子( 施主原子) 吸收能量h 。大于等于施主 l o 高速线扫描成像系统的设计 第二章高速线扫描成像系统的框架设计 电离能e 。，波长九s 警：娑( u m ) 的光子后，杂质原子外层电子杂质能级跃入导带 b gb g 成为自由电子；同样p 型半导体，价带上的电子吸收能量大于等于施主电离能( 受主 电离能) ，波长九粤：娑( u m ) 的光子后，价电子跃入主能级，价带上留下空穴。 b gb g 传感器功能模块如图2 3 。 p h o t 士+ 士 c b 搞曩蠢k 育拙马皇：l h 嚆_ 幽h l g g l 一 ： 巴1 u j q 日t r 叫口口t w 冒，l d i 甲拍口l 。iili+ 丫tvt 丫丫 太嚣 - 一读出移位积存器 l l p r t c k 图2 3s p 1 4 线阵列c c d 传感器的解模块 高能量光子注入到图像二极管，产生自由电荷；在曝光信号( p r ) 和其它时序 信号的控制下图像光电二极管的电荷存储到电荷耦合存储器内；在双向时钟( c r l ， c r 2 ) 驱动下读出移位寄存器，读取电荷耦合存储器内的电荷信号，采用逐位移出的 方式将电荷信号送到放大器，增益控制信号( g a i n ) 控制放大器增益。 s p 1 4 线阵c c d 的最大传输频率3 0m h z ，允许最大线扫描频率5 0 k h z ，快门可 达2 0 u s 。s p 1 4 需要在整个视场范围内都有很均匀合理的照明条件，而且由于线扫 描图像获取的曝光时间一般都比较短，因此光照强度要高，入射光的波长和灵敏度的 关系见图，从图中可以看出波长在6 3 0 n m 一8 3 0 n m 的入射光光电转换效率最为理想。 另外，相机对红外( i r ) 光非常的敏感，为了防止红外光的干扰，通常会使用“热镜” 或红外滤波器，禁止波长超过7 5 0 n m 的光通过。 苎堕竺塑塑堕堡墅塑堡生 笙三兰塞垄垡塑垫堕堡墨堑塑堡塑望生 1 4 0 1 2 0 1 0 0 敏感度 8 0 6 0 4 0 2 0 0 i , - - ， 、 一 ) | 。 ， f 4 u u 5 0 06 0 07 0 08 0 0 9 0 01 0 0 0 波长( 衄) 图2 4 入射光的波长和相机灵敏度的关系 2 2 4p c - d i g 图像采集卡 在机器视觉系统中，图像采集卡是控制相机拍照、完成图像采集与数字化、协调 整个系统的重要设备。它一般具有以下功能模块： ( 1 ) 图像信号的接收与a d 转换模块，负责图像信号的放大与数字化； ( 2 ) 相机控制输入输出接口，主要负责协调相机进行同步或实现异步重置拍照、定时 拍照等： ( 3 ) 总线接口，负责通过计算机内部总线高速输出数字数据，一般是p c i 接口，传输 速率可高达1 3 0 m b s ，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较少的c p u 时间； ( 4 ) 显示模块，负责高质量的图像实时显示： ( 5 ) 通讯接口，负责通讯： 在高速线扫描成像系统中选用了s p 一1 4 线阵数字相机，为了配套，因此图像采集 卡选用了c o r e c oi m a g e 的p c - - d i g 。 p c d i g “是c o r e c o 公司开发的基于f p g a 和p c i 总线的高速视频信号采集卡， 它支持各种标准和非标准的面阵及线阵数字相机。p c d i g 卡的使用非常灵活，其能 高速线扫描成像系统的设计 第二章高速线扫描成像系统的框絮设计 与2 头或4 头，2 4 位彩色相机或3 个8 位单色相机相接；在多相机或多头应用中， 还可以将多个pc d i g 板组合起来使用。通过可编程的控制信号，pc d i g 卡可以 实现相机的不同控制方式。p c - - d i g 可接受8 、l o 、1 2 、1 4 、1 6 和3 2 位的差分数据 信号，并支持r s 一4 2 2 和l v d s 两种接口方式。p c - - d i g 的结构如图2 5 所示。 = 苟 相机 数据 咽掣 l o o接口 甘 匝p 吲 招机 控捌 接口 接 头 井蓐同 立2 步与 p g ! d 黼m 口i i - - - 光计致 息墁 薯 控嗣 1 试六 图2 5p c - d i g 图像采集卡的结构 p c - - d i g 有4 个时钟输入信号：像素时钟p c l k ，线有效信号l e n 和帧有效信 号f e n ，以及多目标信号m u l t i 。p c l k 是数据和控制信号的触发时钟，与相机的 时钟输出信号相连。在p c l k 的有效边沿，相机数据被同步读入到f p g a 前端的同步 f i f o 中，然后以4 l6 7m h z 的频率读出。f i f o 是相机时钟与采集卡内部时钟的同 步器。 p c d i g 卡有3 个时钟输出信号：时钟信号c c l k ，外部同步信号e x s y n c 和可编 程曝光控制信号p r i 。c c l k 由时钟发生器产生，频率范围从3 2 0 k h z 到1 0 0 k l h z 。e x s y n c 控制相机的时钟和曝光，其周期从2 1 0 n s 到1 8 7 5 s ，脉冲宽度从1 4 0 n s 到5 7 2 u s 。 在与d a l s a 相机相配合应用时，e x s y n c 用作线读出周期信号，p r i 信号用于控制曝光 高速线扫描成像系统的设计第二章高速线扫描成像系统的框架设计 时间。p r i 周期起始于e x s y n c 向下计数开始，结束于l e n 开始。p r i 与e x s y n c 配合 可以在外部触发周期时变的情况下，保持曝光时间固定。 p c - - d i g 有2 组独立的外部触发信号t r i g g e r 0 和t r i g g e r l ，每组信号又各有3 种不同的输入模式：差分、t t l 和光耦合。外部触发信号可以直接触发图像的获取操 作，还可以启动e x s y n c 发生器去同步相机时钟和曝光。在线阵相机应用中，触发输 入可直接输入编码器信号或其它时钟信号。例如，同时使用两组外部触发，一个触发 器用于探测移动物体，而另一个则与编码器相连，从而将相机的扫描速率与物体的移 动相同步。p c d 1 6 还为上位机的图像获取控制提供了软件触发方式。 p c - - d i g 的窗口功能允许获取不同大小的图像。窗口的位置和大小由水平偏移 量h o f f 、垂直偏移量v o f f 、水平有效值h a c t 和垂直有效值h a c t 这4 个值确 定。p c - - d i g 允许的最大窗口为6 4 k x 6 4 k 。 图像数据在获取后将经过一对1 6 位的输入查找表l o t 。l o t 可对输入数据进行 点变换和简单的数学运算。l u t 支持8 位数据( 1 到4 头) 和1 0 1 2 1 4 1 6 位数据( 1 或2 头) 。通过l u t ，p c - - d i g 卡能实时的对数据进行重组，而无需上位机处理器的 干预。 此外，p c - - d i g 卡还为相机与上位机p c i 总线系统接口提供了4m ( 6 4 位 s g r a m ) 的图像存储空间，其线性的图像存储格式允许获取不同大小的图像。 p c - - d i g 能以主从两种模式直接访问上位机系统的p c i 总线。在主模式下，p c - - d i g 提供数据和地址，图像存储器为数据源；在从模式下，p c - - d i g 作为目标设备，其 寄存器和图像存储器可被上位机系统的其它主设备读写。通过使用高传输速率的p c i 总线，图像在获取后就能实时地送往上位机进行处理，还可以直接将数据送往p c i 总线上的存储器，例如系统存储器或v g a 存储器，传输速率可超过1 0 0m b s 。 2 2 5 相机与采集卡的配合 s p 1 4 相机通过一个m d r 3 6 f 接头接受来自采集卡的控制信号，所有的输入信 号的默认状态为逻辑高。当所有的控制信号都为默认状态时，相机工作在自由模式下。 s p 1 4 的所有信号均为e 1 a - - 6 4 4 ( l v d s ) 标准，需要使用双绞线，这里采用屏蔽 双绞线。 s p 一1 4 有6 个控制输入信号：m c l k 控制内部时钟，其频率等于像素频率；外 1 4 高速线扫描成像系统的设计第二章高速线扫描成像系统的框架设计 部同步信号e x s y n c 控制相机的线读出频率，它还与曝光控制信号p r i n 配合以实 现相机的曝光控制；p r i 是用户可选的输入信号，当p r i n 不使能且e x s y n c 为低时， 相机不曝光；b i n 控制面元的合并，它通过将相邻像素的电荷合并来增强相机的光敏 感度，但同时也降低了图像的分辨率；s p e e d 通过对m c l k 信号进行分频来控制数 据的传输速率；g a i n 信号控制相机的增益。s p 一1 4 还有2 个数据总线信号，i v a i 和s t r o b e 。l v a l 为高时表明线数据有效；s t r o b e 为采样时钟。 图2 6 线扫描相机与图像采集卡的连接图 相机在通电后将工作在默认的自由模式下，无曝光控制，直到接受到e x s y n c 边沿信号。在接受到e x s y n c 信号后，视e x s y n c 和p r i n 状态的不同，相机有边 沿与电平2 种工作模式。在边沿模式( p r 矾为高) 下，e x s y n c 下降沿触发线读出。 相机曝光时间为一个e x s y n c 周期。当e x s y n c 周期随曝光频率的增加而减少时， 曝光时间也相应减少，即图片会变得模糊。在电平模式( p n 为低) 下，e x s y n c 下降沿触发线读出。相机仅在e x s y n c 信号为高时曝光，曝光时间仅取决于 e m i d p n t 值。因此当外部触发频率变化时，曝光时间仍可以保持为固定值，即图像 质量不变。 为了适应被测对象速度时变的要求，采用s p 1 4 线阵相机的电平工作模式。通 过将d a l s a 公司的高性能线阵相机s p 一1 4 和c o r e c 0 公司的高速图像采集卡组合使 用，我们的试验平台完全可以模拟各种精度、速度和数据存储及处理格式的工业现场 应用。 2 2 6 工作流程 p c - - d i g 支持隔行扫描和非隔行扫描2 种相机数据格式以及普通与外部触发两种 图像获取模式。普通模式是基于相机的帧时序，外部触发模式则是基于外部触发信号 1 5 高速线扫描成像系统的设计 第= 章高速线扫描成像系统的框架设计 和相机时序。针对应用，文中只介绍系统中用到的基于线阵相机非隔行扫描的外部触 发图像获取模式。 外部触发是将图像的获取与外部事件( 物体的移动) 同步。在接受到外部触发信 号前，采集卡不进行任何获取操作。触发发生后，l e n 的有效边沿启动图像的获取， 每个外部触发脉冲触发1 次线扫描。v a c t 值定义获取i 帧图像所需的线数，每获取l 帧图像，帧计数器f c n t 自动加1 ，直到达到所需的帧数或停止触发。停止命令会在 当前行结束后停止图像的获取操作。 p c - - d i g 允许有闻断获取与连续获取2 种方式。在间断获取的情况下，p c - - d i g 允许1 次最多顺序的获取并存取8 帧图像，实际每次获取的图像由帧计数器f c n t 编 程确定。在连续获取的情况下，当帧计数器满时，帧计数器重置并且图像获取地址返 回到起始地址( 通常为0 ) ，图像的获取操作可以无限的执行下去，直到遇到停止获 取命令。利用p c i 总线主模式和连续多帧获取操作，图像的获取和传输可以同步进行。 发送请求信号，然后传输第l 帧图像：同时，获取第2 帧图像到存储器中第2 个位置。只要第1 帧图像的传输在第2 帧的获取前完成，就不会发生有效数据被覆盖 的情况。在第2 帧图像结束后，这个过程重复进行，第2 帧图像的传输请求发往总线 控制器，在传输完成后又转向第1 帧图像。这种设置被称为“乒乓缓冲”。 图像数据在重组后，以通常的栅格扫描格式送往上位机，图像的显示和处理则由 上位机完成。上位机实时读取来自图像处理系统的特征数据，并在此基础上完成：特 征数据分析、识别和判决，控制图像处理系统的工作流程，检测结果并实时报告等工 作。 ； 为了适应各种不同的应用情况，视觉检测试验平台选用的相机和采集卡均具有很 大的灵活性。相机的焦距可以在4 5m i l l 到o o 之间变化，相机的光圈也可进行较大范 围的调节，图像采集卡的参数设置也可以有很多不同的组合。该摄像平台的构建为应 用在具体工业环境中的专用视觉检测系统的设计提供了一个良好的基础。 2 3 测量控制硬件子系统 2 3 1 测速模块 为了自动对传送带上运动物体准确地扫描成像，必须确切知道物体的运动速度和 具体的位置，因此，必须有位置测量装置。在位置控制装置中，为了提高控制精度， 1 6 高速线扫描成