一种基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统，包括以下步骤：采用FPGA+CMOS的设计方法进行图像的采集；采用FPGA+DSP的设计方法进行图像的处理；使用外扩双口RAM在FPGA和DSP之间进行图像数据高速缓存；最终将得到的三维点信息通过串行接口传送给上位机。与已有技术相比，本发明专利技术采用FPGA和DSP组合来进行图像采集和处理，替换了PC的工作，其中FPGA不仅是采集部分的逻辑控制中心，而且能完成部分简单的图像预处理，其中FPGA和DSP之间图像数据传输是通过使用外扩双口RAM做数据高速缓存，既能满足系统实时图像处理的需要，又能够使系统有较小的体积、较低的功耗和较高的性能。

A laser bar scanner image acquisition system for articulated arm laser scanning head based on FPGA

The invention provides a joint arm laser scanning FPGA probe laser stripe image acquisition system based on, which comprises the following steps: FPGA+CMOS design method is used for image acquisition processing; FPGA+DSP design method is used for image; using extended dual port RAM image data cache between FPGA and DSP; d the information will eventually get transmitted to the host computer through the serial interface. Compared with the prior art, the invention adopts FPGA and DSP combination of image acquisition and processing, replacing the PC work, which is not only a part of the FPGA acquisition logic control center, and can perform simple image preprocessing, including image data transmission between FPGA and DSP is the data cache by using the extended dual port RAM, which can meet the needs of real-time image processing, performance and enables the system to have small volume, low power consumption and high.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统
本专利技术涉及精密仪器检测
，特别涉及关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统。
技术介绍
关节臂坐标测量机是由多个臂和关节组成，通过末端臂上安装的测头构成测量系统，由人控制实现对零部件表面信息的测量。在测量过程中，安装在关节上的角度编码器会实时记录关节臂转动过的角度，结合关节臂的长度，就可以计算出被测物上测量点的三维坐标信息。测头作为关节臂激光扫描测量机的一部分，主要分为接触式和光学非接触式两种。在诸多的光学非接触式视觉测量方法中，结构光三维视觉测量方法以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来在工业环境中得到了广泛的应用，它主要用于实现较软材料或一些特征表面进行非接触测量。结构光三维视觉测量是基于激光三角法测量原理，线激光器将线激光投射到被测物表面，在被测物表面形成由被测物表面形状所调制的光条，然后通过摄像机拍摄得到光条的二维畸变图像。当线激光器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像坐标即可重现被测物的三维轮廓。根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式又可以分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式、多线结构光模式及网格结构光模式等。在诸多的结构光模式中，由线结构光方法开发的视觉传感器配以一定的机械结构，能够比较容易地获得被测物体的三维信息，且精度适中，结构相对简单，故在工业领域得到了广泛应用。而且线结构光和单目相机的组合，还克服了双目视觉测量方法中的立体匹配问题，在商品的加工制造、逆向工程、物体识别、文物保护和修复等方面有着广阔的应用前景。因此，需要一种能够进一步缩小关节臂激光扫描测头的体积并使关节臂激光扫描测头的运算速度更快的高质量的激光光条图像的采集、存储和处理的基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统，包括以下步骤：步骤一：采用FPGA+CMOS的设计方法进行图像的采集；步骤二：采用FPGA+DSP的设计方法进行图像的处理；步骤三：使用外扩双口RAM在FPGA和DSP之间进行图像数据高速缓存；步骤四：最终将得到的三维点信息通过串行接口传送给上位机。所述步骤一采用FPGA+CMOS的设计方法，包括CMOS图像传感器和图像采集控制部分，其中，所述CMOS图像传感器进行图像采集，图像采集控制部分采用了FPGA，即现场可编程门阵列，选用FPGA作为主控单元，使用Verilog语言对其进行逻辑化设计，所述FPGA不仅是采集部分的逻辑控制中心，而且具有完成部分简单的图像预处理功能，能有效的为图像处理器减轻负担，能大大减少电路板尺寸，增强了系统可靠性和灵活性。具体步骤是：光入射到CMOS图像传感器的感光区域，光强信息被转换为电荷量，通过驱动信号的控制，模拟信号被A/D采样后转换成数字信号，CMOS图像传感器将接收到的光信号转换为电信号，并进行模数转换，将数字信号传送给FPGA，(FPGA为图像传感器提供驱动信号，驱动图像传感器，获取图像数据并存储到存储器)FPGA接收到这些信号后转存入储存模块，得到一帧已传完的信号后，FPGA向图像处理器DSP传送采集完毕信号。其中，CMOS图像传感器的时序和图像成像原理如下:在FPGA内部，产生OV5640CMOS图像传感器所需要的上电时序，CMOS图像传感器驱动模块通过模拟I2C总线时序，对OV5640CMOS图像传感器寄存器值进行初始化配置，CMOS图像传感器初始化完成后，利用光电效应将接收到的光信号转化为电信号，经过A/D转换后，以数字信号形式将图像信号传送给FPGA。所述步骤二采用FPGA+DSP的设计方法，包括DSP图像处理器，其中DSP图像处理器接收到图像采集部分的传送采集完毕信号后，从储存模块读取图像信息，对图像进行处理，最终将处理结果上传给上位机。其中，在DSP中，对采集到的图像进行处理包括以下步骤：摄像机的标定，光条中心的提取和解算。其中摄像机的标定使用的方法是张正友的方法，使用的光条中心提取算法是Steger算法，解算是由摄像机模型和光平面模型联立方程组可以得到系统的解算模型。所述步骤三，FPGA和DSP之间图像数据传输是通过使用外扩双口RAM做数据高速缓存，其中双口RAM即共享式多端口存储器，即在一个SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问。具体流程是：图像采集模块控制CMOS，以25帧/s的速率向FPGA输送图像数据，通过FPGA的控制将图像数据缓存在片外的SDRAM(帧存模块)中，FPGA存储完一帧图像后，FPGA通过逻辑控制打开数据高速缓冲通道，使图像数据从帧存模块移至高速缓冲模块中，DSP再读取双口RAM中的图像数据，进行图像处理。这种缓存方式既能满足系统实时图像处理的需要，又能够使系统有较小的体积、较低的功耗和较高的性能。本专利技术的基本原理是：在激光三角法的基础上，采用线结构光和单目相机组合，再加上一定的机械结构和处理电路，最终得到被测物的三维点坐标。具体实现功能如下：线激光器将激光打到靶标平面，经靶标平面的反射进入到摄像机中形成二维图像，通过对二维图像进行光条中心提取进而确定光平面方程，由相机内参数和光平面方程，可以计算得出图像上的点的二维坐标和相机坐标系下的三维点的坐标的转换关系。与已有技术相比，本专利技术采用FPGA和DSP组合来进行图像采集和处理，替换了PC的工作，其中FPGA不仅是采集部分的逻辑控制中心，而且具有完成部分简单的图像预处理功能，其中FPGA和DSP之间图像数据传输是通过使用外扩双口RAM做数据高速缓存，既能满足系统实时图像处理的需要，又能够使系统有较小的体积、较低的功耗和较高的性能，从而实现进一步缩小关节臂激光扫描测头的体积并使关节臂激光扫描测头的运算速度更快的技术效果。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出激光三角法的工作结构原理图。图2示意性示出本专利技术的工作系统整体结构图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。本专利技术在激光三角法的基础上，采用线结构光和单目相机组合，再加上一定的机械结构和处理电路，最终得到被测物的三维点坐标。线结构光视觉测量方法利用的是激光三角法，激光三角法的工作结构原理是：在进行测量时，相机和激光器的相对位置是固定不变的，一旦两者的相对位置发生变化，就要重新进行相机标定，相机标定是为了得到相机的内外参数。如图1所示为本专利技术中激光三角法工作结构图，线激光器将激光打到靶标平面，经靶标平面的反射进入到摄像机中形成二维图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统，包括以下步骤：步骤一：采用FPGA+CMOS的设计方法进行图像的采集；步骤二：采用FPGA+DSP的设计方法进行图像的处理；步骤三：使用外扩双口RAM在FPGA和DSP之间进行图像数据高速缓存；步骤四：将得到的三维点信息通过串行接口传送给上位机。

【技术特征摘要】
2016.11.02 CN 20161094500841.一种基于FPGA的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集系统，包括以下步骤：步骤一：采用FPGA+CMOS的设计方法进行图像的采集；步骤二：采用FPGA+DSP的设计方法进行图像的处理；步骤三：使用外扩双口RAM在FPGA和DSP之间进行图像数据高速缓存；步骤四：将得到的三维点信息通过串行接口传送给上位机。2.根据权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于，所述步骤一包括CMOS图像传感器和图像采集控制部分，其中，所述CMOS图像传感器进行图像采集，图像采集控制部分采用FPGA作为主控单元，所述FPGA使用Verilog语言对其进行逻辑化设计，具体步骤是：光入射到CMOS图像传感器的感光区域，CMOS图像传感器将接收到的光信号转换为电信号，并进行模数转换，将数字信号传送给FPGA，FPGA接收到这些信号后转存入储存模块，得到一帧已传完的信号后，FPGA向图像处理器DSP传送采集完毕信号。3.根据权利要求1或2所述的图像采集系统，其特征在于，所述CMOS图像传感器的时序和图像成像原理如下:在FPGA内部，产生OV5640CMOS图像传感器所需要的上电时序，CMOS图像传感器驱动模块通过模拟I2C总线时序，对OV5640CMOS图像传感器寄存器值进行初始化配置，CMOS图像传感器初始化完成后，利用光电效应将接收到的光信号转化为电信号，经过A/D转换后，以数字信号形式将图像信号传送给FPGA。4.根据权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于，所述步骤二包括DSP图像处理器，其中DSP图像处理器接收到图像采集部分的传送采集完毕信号后，从储存模块读取图像信息，对图像进行处理。5.根据权利要求1或4所述的图像采集系统，其特征在于，在DSP中，对采集到的图像进行处理的具体的步骤如下：①摄像机标定摄像机标定使用的是张正友的方法，这种方法是基于2D...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄小平，王华，董明利，李伟仙，祝连庆，刘超，潘志康，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11