專利名稱：一種工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高速高精度的工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)，屬于 非接觸式精密測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著機器視覺技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，激光三角測量等非接觸式光電方 法已成為物體三維形貌測量的趨勢，用該方法測量時測頭不接觸被測物表面，所以不會劃 傷被測物的表面，且測量速度快、精度高，在機器視覺、自動加工、工業(yè)在線檢測、產(chǎn)品質(zhì)量 控制、實物仿形(逆向工程)和生物醫(yī)學等領(lǐng)域有著廣泛需求。國內(nèi)現(xiàn)有激光三角測量設(shè) 備存在不足之處，或者根本不具備實時存儲二維OD)圖像數(shù)據(jù)的能力，僅能輸出3D數(shù)據(jù)， 而且精度較低；或者雖然能進行存儲2D圖像數(shù)據(jù)，但是存儲速度較慢，一般用戶很難接受。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型克服了以上缺點，在一臺工控機上完美地實現(xiàn)了高速高精度激光三角 測量以及高分辨率、超大數(shù)據(jù)量圖像的實時高速存儲。一種工業(yè)激光三角測量與高速圖像 存儲系統(tǒng)，其特征在于包括由一臺激光器，一臺高速相機和一套配有圖像采集卡的工控機 構(gòu)成的激光三角測量系統(tǒng)和由一塊讀寫控制卡、一套內(nèi)置的Flash存儲器陣列和一塊圖像 采集卡構(gòu)成的圖像高速存儲系統(tǒng)。工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)包括一臺內(nèi)置高 速Flash陣列存儲器的工控機，一臺CamLink高速相機，一臺激光器，一塊用戶可FPGA編程 的高速CamLink采集卡以及激光三角測量軟件和實時存儲控制軟件。該系統(tǒng)是一套完整的 高速激光三角測量和圖像實時存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了最快輸出每秒160，000條輪廓線數(shù) 據(jù)、高達每秒650兆字節(jié)的高速圖像數(shù)據(jù)采集、長時間的持續(xù)、實時存儲，高速、高分辨率相 機捕獲的數(shù)字圖像不壓縮、無損的直接保存到內(nèi)置高速Flash陣列存儲器上，保證用戶可 以得到高品質(zhì)的無失真圖像。非常適用于科學研究，過程控制，運動分析等場合的需要，獨 有的內(nèi)置高速Flash陣列存儲器以及獨到的高速寫入算法保證海量圖像數(shù)據(jù)在保存過程 中絕無丟失。并且工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)在設(shè)計時就考慮到了讓用戶使用 軟件時盡可能的簡便，存儲軟件的人機界面中的菜單非常方便用戶掌握和使用，同時，軟件 集成了相機配置、控制，計算機系統(tǒng)設(shè)置、配置，存儲圖像的回放，暫停，快進，快退以及AVI 文件生成輸出等功能。盡管工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)是為高速圖像采集設(shè)計 的復雜完善的應用軟件，但它的人機界面中所包括類似錄像機操作鍵的控制按鈕，中文化 的菜單和對話框等都非常方便用戶掌握和使用。本實用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的特點為1.測量速度快2.測量精度高1/64亞像素的高精度能滿足絕大多數(shù)科研項目的精度要求3.提供多種測量方式，可靈活選擇[0009](1) 3D模式。僅輸出被測工件的輪廓線數(shù)據(jù)(3D數(shù)據(jù))，不保存2D圖像數(shù)據(jù)。Q)2D+3D模式不僅輸出被測工件的輪廓線數(shù)據(jù)，同時保存2D圖像數(shù)據(jù)。4.海量長時間存儲圖像數(shù)據(jù)高速Flash陣列存儲器容量高達960GB，超長存儲時間。(1)3D 模式230 小時(8*160k = 1280k = 1. 2M*3600 = 4320M = 4. lG/h)(2) 2D+3D 模式25 分鐘5.數(shù)據(jù)實時存儲速度高650MB/S，幾乎到達現(xiàn)有PC機總線數(shù)據(jù)傳輸速度的上限。6.數(shù)據(jù)存儲可靠長時無損記錄圖像數(shù)據(jù)，不丟幀。除上述性能指標外，系統(tǒng)還具有以下特點.ffindows2000/XP下實時記錄高速數(shù)字圖像序列到工控機的專用高速Flash陣列 存儲器中?！ぶС謴腃amLink Base, Medium或Full的黑白或彩色的各種高分辨率、高速數(shù)字 相機獲取圖像，相機的選擇取決于用戶具體的應用要求?！げ杉粔嚎s的無損圖像直接保存到高速Flash陣列存儲器中，可根據(jù)存儲的實 際要求配置不同容量的存儲器來實現(xiàn)每秒650兆字節(jié)高速圖像數(shù)據(jù)的持續(xù)無損記錄，可 實現(xiàn)從幾分鐘到數(shù)小時的海量數(shù)據(jù)高速存儲?！た蓪С錾a(chǎn)通用的BMP圖像格式文件，以及AVI (有損或無損)視頻文件?！げ捎妙愃其浵駲C的錄像，回放，暫停，快進，快退等控制按鈕輕松完成對已經(jīng)記錄 下的圖像序列的檢索和瀏覽定位?！た删_保存每幀圖像所對應的記錄時間。 可以實現(xiàn)多個相機的同步、同時采集記錄。·可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和外觸發(fā)圖像采集，多相機同步采集?！ぶС珠L延時的圖像采集錄制， 存儲的圖像序列文件的大小沒有限制。(比如，其他系統(tǒng)可能單個文件不能大于 2GB)?！ぼ浖煞奖愕纳?，它的人機界面采用中文菜單和對話框等都非常方便用戶掌 握和使用。

表1為不同分辨率下系統(tǒng)測量速度表表2為采集狀態(tài)欄圖1為3D激光三角測量子系統(tǒng)示意圖圖2為在傳送帶上用線激光掃描法進行工件三維形貌測量示意圖圖3為用線激光掃描法測量工件輪廓尺寸的過程中傳感器某時刻圖像圖4為拍攝到的激光線圖像及局部放大圖圖5為圖像某一行激光線附近區(qū)域灰度值的高斯分布圖圖6為依據(jù)激光線附近區(qū)域像素點的灰度值進行高斯擬合與插值[0039]圖7為弱干擾條件下拍攝圖像中某行像素的亮度分布圖圖8為強干擾條件下拍攝圖像中某行像素的亮度分布圖圖9為系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)圖圖10為相機和鏡頭連接圖圖11為相機和采集卡連接圖圖12為激光3D測量系統(tǒng)安裝圖圖13為運行工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)后出現(xiàn)的相機選擇界面圖14為高速采集和存儲界面圖15為相機參數(shù)設(shè)置界面圖16為窗口選擇界面圖17為緩存設(shè)置界面
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明本實用新型工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)主要組成部分如下1.高速相機，可選擇現(xiàn)有德國、美國、瑞士等國的多款高速相機型號。2.用戶可FPGA編程的高速圖像采集卡。3. CameraLink電纜。用于連接相機與采集卡。4.內(nèi)置高速Flash陣列存儲器的工控機。5.圖像實時采集、激光三角測量軟件和高速存儲控制軟件。按照功能劃分，工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)可分為激光三角測量子系 統(tǒng)和高速存儲子系統(tǒng)兩部分。以圖1為例來說明激光三角測量子系統(tǒng)的工作原理一個激光三角測量子系統(tǒng)包括一臺激光器，一臺高速相機和一套配有圖像采集卡 的工控機。當激光光源為線狀(線激光)時，可以測量傳送帶上工件的外形輪廓尺寸，如圖2 所示。不難想象，工件的高度信息可以通過傳感器圖像中X方向激光斑的偏移量得到， 這個值的大小與物體的高度成正比。在圖3中偏移量ΔΧ值對應著物體相應的表面位置點距離參考面的高度，于是傳 送帶上物體當前截面的輪廓數(shù)據(jù)可以通過測量ΔΧ1、ΔΧ2、……等線段長度的方法得到。圖3中的表示物體當前截面輪廓線的紅色實線其實是有一定寬度的，若要精確得 到圖3中偏移量ΔΧ的數(shù)值，必須先找出該紅色粗實曲線的骨架(即對粗實曲線進行細化， 確定粗實線的中心曲線的精確位置)。為此，我們提出一種高精度抗干擾峰值檢測算法，采 用自糾錯機制和高精度的插值模型，可以有效地剔除圖像中其它干擾亮斑。該算法植入圖 像采集卡的FPGA中，可以快速準確地解算出真正的截面輪廓數(shù)據(jù)。圖4到圖8闡釋了該峰值檢測算法原理圖4左側(cè)部分為相機拍攝的整幅二維圖像，右側(cè)部分為某段激光線所在區(qū)域的局 部放大圖，圖5所示為該局部放大圖中某行像素點光強(灰度)的高斯分布圖。圖6示意了該波峰的幾個主要參數(shù)(峰值坐標、峰值品質(zhì)和波峰寬度)，解算過程有三步首先用插 值方式得出該波峰中極大值所在的坐標值；之后求出該極值與閾值的差值(即峰值品質(zhì))； 最后計算該波峰的寬度。圖7表示了弱干擾情況下整幅二維圖像某行的像素點光強高斯分 布圖，可以看出干擾的強度很小，不足以影響正確結(jié)果。圖8表示了強干擾情況下整幅二維 圖像某行的像素點光強高斯分布圖，干擾的強度已經(jīng)明顯超過了激光線所在位置的光強， 如果不進行反干擾處理，會產(chǎn)生錯誤結(jié)果。反干擾算法的思路如下在圖像每行像素的亮度分布圖中找出超出閾值的若干個 波峰，分別計算出每個波峰的面積(積分)并排序，取前五名作為候選激光線位置波峰。針 對這五個波峰，按照圖6的方法找出每個波峰的最高點(即該行的亮度的幾個極值點)，我 們研究出一種聚類分析算子技術(shù)圖像每行的若干極值點之間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)事先確定的關(guān) 聯(lián)性準則確定圖像每行的鋼軌截面輪廓點，將這些點連接起來就是鋼軌截面輪廓線。該算 法可以有效地排除多個干擾點，極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，保證了解算的準確性。工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)子系統(tǒng)可以高速實時存儲海量的2D圖像 數(shù)據(jù)，方便在完成3D測量后隨時校驗。系統(tǒng)包括如下部件1、用戶可FPGA編程的高速圖像采集卡2、CamLink電纜。用于連接相機與采集卡3、內(nèi)置高速Flash陣列存儲器的工控機4、圖像實時采集、高速存儲控制軟件系統(tǒng)的硬件連接如圖9所示主要包括三部分第一部分包括如圖10所示的連接相機和鏡頭；第二部分如圖11所示，使用CamLink電纜將相機連接到工控機的采集卡上，并連 接相機電源；第三部分如圖12所示，將相機和激光器固定在支架上，如下圖所示。圖中總共安 裝了兩套激光3D測量子系統(tǒng)，上面的一套子系統(tǒng)用于測量鋼軌上表面的輪廓線數(shù)據(jù)，下面 的一套子系統(tǒng)用于測量鋼軌側(cè)面的輪廓線數(shù)據(jù)。安裝時要求線激光器垂直于鋼軌表面、相 機與線激光器之間的角度為30 60度角。工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)的高速圖像存儲子系統(tǒng)中Flash存儲器 陣列中的各個存儲器用并聯(lián)方式連接到讀寫控制卡，保證海量圖像數(shù)據(jù)在保存過程中絕無 丟失。工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)的高速圖像存儲子系統(tǒng)采用隨機寫入算 法，可以將數(shù)據(jù)等概率地寫入Flash存儲器的各個存儲單元，保證每個存儲單元都能被等 概率地使用，從而延長存儲器使用壽命。系統(tǒng)軟件安裝過程為安裝工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)后，運行該系統(tǒng)，首先出現(xiàn)一個如圖 13所示的相機選擇界面；選擇相機端口及相機型號，點擊確定進入如圖15所示的相機配置界面。圖像的高速采集與存儲控制界面如圖14所示圖像采集選擇圖像采集模式，單幀采集，連續(xù)采集，采集N幀。高速存儲設(shè)定需存儲幀數(shù)，此時圖像采集模式需選為連續(xù)采集。[0084]N幀回放回放采集到的圖像，可逐幀查看。Dat文件播放保存圖像對采集到的圖像進行保存，保存為dat格式。加載圖像查看已保存的圖像。在圖15所示的相機配置界面進行相機參數(shù)設(shè)置設(shè)置過程中高速采集與存儲控 制區(qū)域必須不能是顯示狀態(tài)，否則不能設(shè)置。曝光時間設(shè)置相機曝光時間。窗口設(shè)置點擊“最大窗口”可以使窗口設(shè)置位最大，即全分辨率。窗口選擇可用鼠標自由拖 拉選擇你想要的窗口，選擇完畢后必須點擊窗口右下角的對勾才能應用，如圖16所示?？稍O(shè)置感興趣窗口，其中X 窗口左上角的X坐標，從0開始。Y:窗口左上角的Y坐標，從0開始。寬窗口的寬度。高窗口的高度。運行模式三禾中運行模式，F(xiàn)ree Run, Interface Trigger, I/0TriggeroLinLog ^cB :0ff, Low compression, Normal compression, Highcompression。數(shù)據(jù)輸出根據(jù)相機型號選擇選擇數(shù)據(jù)輸出位數(shù)。設(shè)置完畢后點擊“應用”按鈕才能開始對軟件進行控制。在圖17所示界面進行采集卡圖像緩存設(shè)置高速存儲時，采集卡緩存設(shè)置為高速 存儲的幀數(shù)，設(shè)置完畢需點“應用”按鈕。
權(quán)利要求1. 一種工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)，其特征在于包括由一臺激光器，一 臺高速相機和一套配有圖像采集卡的工控機構(gòu)成的激光三角測量系統(tǒng)和由一塊讀寫控制 卡、一套內(nèi)置的Flash存儲器陣列和一塊圖像采集卡構(gòu)成的圖像高速存儲系統(tǒng)，讀寫控制 卡和圖像采集卡安裝在工控機的兩個插槽中，Camlink線一端連接高速相機，一端連接圖像 采集卡，激光器和高速相機構(gòu)成三角測量關(guān)系，激光器發(fā)射的激光線由高速相機探測到，高 速相機采集的數(shù)字圖像信息通過Camlink線傳輸?shù)綀D像采集卡，由圖像采集卡進行傳輸和 分配，激光線的輪廓信息由內(nèi)置于高速相機的激光三角測量模塊進行峰值提取，提取的峰 值坐標通過內(nèi)置于工控機中的一套圖像高速存儲系統(tǒng)進行實時存儲。
專利摘要本實用新型針對機器視覺、自動加工、工業(yè)在線檢測、產(chǎn)品質(zhì)量控制、實物仿形(逆向工程)和生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應用要求，研制了一套高速高精度的工業(yè)激光三角測量與高速圖像存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個新型的激光三角測量子系統(tǒng)和一個高速圖像實時存儲子系統(tǒng)，可高速、高精度地實時顯示被測物體的3D輪廓線數(shù)據(jù)，并進行三維重構(gòu)，實時顯示被測物體的三維圖像；同時高速圖像實時存儲子系統(tǒng)可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高速、無損、不丟幀地實時存儲。
文檔編號G01B11/24GK201858967SQ20092015783
公開日2011年6月8日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者尹建軍 申請人:北京匯力城技術(shù)有限公司