专利名称：一种工业激光三角测量与高速图像存储系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高速高精度的工业激光三角测量与高速图像存储系统，属于 非接触式精密测量领域。
背景技术：
近年来，随着机器视觉技术和光电技术的发展，激光三角测量等非接触式光电方 法已成为物体三维形貌测量的趋势，用该方法测量时测头不接触被测物表面，所以不会划 伤被测物的表面，且测量速度快、精度高，在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量 控制、实物仿形(逆向工程)和生物医学等领域有着广泛需求。国内现有激光三角测量设 备存在不足之处，或者根本不具备实时存储二维OD)图像数据的能力，仅能输出3D数据， 而且精度较低；或者虽然能进行存储2D图像数据，但是存储速度较慢，一般用户很难接受。
发明内容本实用新型克服了以上缺点，在一台工控机上完美地实现了高速高精度激光三角 测量以及高分辨率、超大数据量图像的实时高速存储。一种工业激光三角测量与高速图像 存储系统，其特征在于包括由一台激光器，一台高速相机和一套配有图像采集卡的工控机 构成的激光三角测量系统和由一块读写控制卡、一套内置的Flash存储器阵列和一块图像 采集卡构成的图像高速存储系统。工业激光三角测量与高速图像存储系统包括一台内置高 速Flash阵列存储器的工控机，一台CamLink高速相机，一台激光器，一块用户可FPGA编程 的高速CamLink采集卡以及激光三角测量软件和实时存储控制软件。该系统是一套完整的 高速激光三角测量和图像实时存储系统，该系统实现了最快输出每秒160，000条轮廓线数 据、高达每秒650兆字节的高速图像数据采集、长时间的持续、实时存储，高速、高分辨率相 机捕获的数字图像不压缩、无损的直接保存到内置高速Flash阵列存储器上，保证用户可 以得到高品质的无失真图像。非常适用于科学研究，过程控制，运动分析等场合的需要，独 有的内置高速Flash阵列存储器以及独到的高速写入算法保证海量图像数据在保存过程 中绝无丢失。并且工业激光三角测量与高速图像存储系统在设计时就考虑到了让用户使用 软件时尽可能的简便，存储软件的人机界面中的菜单非常方便用户掌握和使用，同时，软件 集成了相机配置、控制，计算机系统设置、配置，存储图像的回放，暂停，快进，快退以及AVI 文件生成输出等功能。尽管工业激光三角测量与高速图像存储系统是为高速图像采集设计 的复杂完善的应用软件，但它的人机界面中所包括类似录像机操作键的控制按钮，中文化 的菜单和对话框等都非常方便用户掌握和使用。本实用新型和现有技术相比，具有的特点为1.测量速度快2.测量精度高1/64亚像素的高精度能满足绝大多数科研项目的精度要求3.提供多种测量方式，可灵活选择[0009](1) 3D模式。仅输出被测工件的轮廓线数据(3D数据)，不保存2D图像数据。Q)2D+3D模式不仅输出被测工件的轮廓线数据，同时保存2D图像数据。4.海量长时间存储图像数据高速Flash阵列存储器容量高达960GB，超长存储时间。(1)3D 模式230 小时(8*160k = 1280k = 1. 2M*3600 = 4320M = 4. lG/h)(2) 2D+3D 模式25 分钟5.数据实时存储速度高650MB/S，几乎到达现有PC机总线数据传输速度的上限。6.数据存储可靠长时无损记录图像数据，不丢帧。除上述性能指标外，系统还具有以下特点.ffindows2000/XP下实时记录高速数字图像序列到工控机的专用高速Flash阵列 存储器中。·支持从CamLink Base, Medium或Full的黑白或彩色的各种高分辨率、高速数字 相机获取图像，相机的选择取决于用户具体的应用要求。·采集不压缩的无损图像直接保存到高速Flash阵列存储器中，可根据存储的实 际要求配置不同容量的存储器来实现每秒650兆字节高速图像数据的持续无损记录，可 实现从几分钟到数小时的海量数据高速存储。·可导出生产通用的BMP图像格式文件，以及AVI (有损或无损)视频文件。·采用类似录像机的录像，回放，暂停，快进，快退等控制按钮轻松完成对已经记录 下的图像序列的检索和浏览定位。·可精确保存每帧图像所对应的记录时间。 可以实现多个相机的同步、同时采集记录。·可以实现网络控制和外触发图像采集，多相机同步采集。·支持长延时的图像采集录制， 存储的图像序列文件的大小没有限制。(比如，其他系统可能单个文件不能大于 2GB)。·软件可方便的升级，它的人机界面采用中文菜单和对话框等都非常方便用户掌 握和使用。
表1为不同分辨率下系统测量速度表表2为采集状态栏图1为3D激光三角测量子系统示意图图2为在传送带上用线激光扫描法进行工件三维形貌测量示意图图3为用线激光扫描法测量工件轮廓尺寸的过程中传感器某时刻图像图4为拍摄到的激光线图像及局部放大图图5为图像某一行激光线附近区域灰度值的高斯分布图图6为依据激光线附近区域像素点的灰度值进行高斯拟合与插值[0039]图7为弱干扰条件下拍摄图像中某行像素的亮度分布图图8为强干扰条件下拍摄图像中某行像素的亮度分布图图9为系统硬件连接结构图图10为相机和镜头连接图图11为相机和采集卡连接图图12为激光3D测量系统安装图图13为运行工业激光三角测量与高速图像存储系统后出现的相机选择界面图14为高速采集和存储界面图15为相机参数设置界面图16为窗口选择界面图17为缓存设置界面
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明本实用新型工业激光三角测量与高速图像存储系统主要组成部分如下1.高速相机，可选择现有德国、美国、瑞士等国的多款高速相机型号。2.用户可FPGA编程的高速图像采集卡。3. CameraLink电缆。用于连接相机与采集卡。4.内置高速Flash阵列存储器的工控机。5.图像实时采集、激光三角测量软件和高速存储控制软件。按照功能划分，工业激光三角测量与高速图像存储系统可分为激光三角测量子系 统和高速存储子系统两部分。以图1为例来说明激光三角测量子系统的工作原理一个激光三角测量子系统包括一台激光器，一台高速相机和一套配有图像采集卡 的工控机。当激光光源为线状(线激光)时，可以测量传送带上工件的外形轮廓尺寸，如图2 所示。不难想象，工件的高度信息可以通过传感器图像中X方向激光斑的偏移量得到， 这个值的大小与物体的高度成正比。在图3中偏移量ΔΧ值对应着物体相应的表面位置点距离参考面的高度，于是传 送带上物体当前截面的轮廓数据可以通过测量ΔΧ1、ΔΧ2、……等线段长度的方法得到。图3中的表示物体当前截面轮廓线的红色实线其实是有一定宽度的，若要精确得 到图3中偏移量ΔΧ的数值，必须先找出该红色粗实曲线的骨架(即对粗实曲线进行细化， 确定粗实线的中心曲线的精确位置)。为此，我们提出一种高精度抗干扰峰值检测算法，采 用自纠错机制和高精度的插值模型，可以有效地剔除图像中其它干扰亮斑。该算法植入图 像采集卡的FPGA中，可以快速准确地解算出真正的截面轮廓数据。图4到图8阐释了该峰值检测算法原理图4左侧部分为相机拍摄的整幅二维图像，右侧部分为某段激光线所在区域的局 部放大图，图5所示为该局部放大图中某行像素点光强(灰度)的高斯分布图。图6示意了该波峰的几个主要参数(峰值坐标、峰值品质和波峰宽度)，解算过程有三步首先用插 值方式得出该波峰中极大值所在的坐标值；之后求出该极值与阈值的差值(即峰值品质)； 最后计算该波峰的宽度。图7表示了弱干扰情况下整幅二维图像某行的像素点光强高斯分 布图，可以看出干扰的强度很�。蛔阋杂跋煺方峁�。图8表示了强干扰情况下整幅二维 图像某行的像素点光强高斯分布图，干扰的强度已经明显超过了激光线所在位置的光强， 如果不进行反干扰处理，会产生错误结果。反干扰算法的思路如下在图像每行像素的亮度分布图中找出超出阈值的若干个 波峰，分别计算出每个波峰的面积(积分)并排序，取前五名作为候选激光线位置波峰。针 对这五个波峰，按照图6的方法找出每个波峰的最高点(即该行的亮度的几个极值点)，我 们研究出一种聚类分析算子技术图像每行的若干极值点之间的关联性，根据事先确定的关 联性准则确定图像每行的钢轨截面轮廓点，将这些点连接起来就是钢轨截面轮廓线。该算 法可以有效地排除多个干扰点，极大地提高了系统的抗干扰性能，保证了解算的准确性。工业激光三角测量与高速图像存储系统子系统可以高速实时存储海量的2D图像 数据，方便在完成3D测量后随时校验。系统包括如下部件1、用户可FPGA编程的高速图像采集卡2、CamLink电缆。用于连接相机与采集卡3、内置高速Flash阵列存储器的工控机4、图像实时采集、高速存储控制软件系统的硬件连接如图9所示主要包括三部分第一部分包括如图10所示的连接相机和镜头；第二部分如图11所示，使用CamLink电缆将相机连接到工控机的采集卡上，并连 接相机电源；第三部分如图12所示，将相机和激光器固定在支架上，如下图所示。图中总共安 装了两套激光3D测量子系统，上面的一套子系统用于测量钢轨上表面的轮廓线数据，下面 的一套子系统用于测量钢轨侧面的轮廓线数据。安装时要求线激光器垂直于钢轨表面、相 机与线激光器之间的角度为30 60度角。工业激光三角测量与高速图像存储系统的高速图像存储子系统中Flash存储器 阵列中的各个存储器用并联方式连接到读写控制卡，保证海量图像数据在保存过程中绝无 丢失。工业激光三角测量与高速图像存储系统的高速图像存储子系统采用随机写入算 法，可以将数据等概率地写入Flash存储器的各个存储单元，保证每个存储单元都能被等 概率地使用，从而延长存储器使用寿命。系统软件安装过程为安装工业激光三角测量与高速图像存储系统后，运行该系统，首先出现一个如图 13所示的相机选择界面；选择相机端口及相机型号，点击确定进入如图15所示的相机配置界面。图像的高速采集与存储控制界面如图14所示图像采集选择图像采集模式，单帧采集，连续采集，采集N帧。高速存储设定需存储帧数，此时图像采集模式需选为连续采集。[0084]N帧回放回放采集到的图像，可逐帧查看。Dat文件播放保存图像对采集到的图像进行保存，保存为dat格式。加载图像查看已保存的图像。在图15所示的相机配置界面进行相机参数设置设置过程中高速采集与存储控 制区域必须不能是显示状态，否则不能设置。曝光时间设置相机曝光时间。窗口设置点击“最大窗口”可以使窗口设置位最大，即全分辨率。窗口选择可用鼠标自由拖 拉选择你想要的窗口，选择完毕后必须点击窗口右下角的对勾才能应用，如图16所示。可设置感兴趣窗口，其中X 窗口左上角的X坐标，从0开始。Y:窗口左上角的Y坐标，从0开始。宽窗口的宽度。高窗口的高度。运行模式三禾中运行模式，Free Run, Interface Trigger, I/0TriggeroLinLog ^cB :0ff, Low compression, Normal compression, Highcompression。数据输出根据相机型号选择选择数据输出位数。设置完毕后点击“应用”按钮才能开始对软件进行控制。在图17所示界面进行采集卡图像缓存设置高速存储时，采集卡缓存设置为高速 存储的帧数，设置完毕需点“应用”按钮。
权利要求1. 一种工业激光三角测量与高速图像存储系统，其特征在于包括由一台激光器，一 台高速相机和一套配有图像采集卡的工控机构成的激光三角测量系统和由一块读写控制 卡、一套内置的Flash存储器阵列和一块图像采集卡构成的图像高速存储系统，读写控制 卡和图像采集卡安装在工控机的两个插槽中，Camlink线一端连接高速相机，一端连接图像 采集卡，激光器和高速相机构成三角测量关系，激光器发射的激光线由高速相机探测到，高 速相机采集的数字图像信息通过Camlink线传输到图像采集卡，由图像采集卡进行传输和 分配，激光线的轮廓信息由内置于高速相机的激光三角测量模块进行峰值提�。崛〉姆� 值坐标通过内置于工控机中的一套图像高速存储系统进行实时存储。
专利摘要本实用新型针对机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形(逆向工程)和生物医学等领域的应用要求，研制了一套高速高精度的工业激光三角测量与高速图像存储系统。该系统包含一个新型的激光三角测量子系统和一个高速图像实时存储子系统，可高速、高精度地实时显示被测物体的3D轮廓线数据，并进行三维重构，实时显示被测物体的三维图像；同时高速图像实时存储子系统可实现海量数据高速、无损、不丢帧地实时存储。
文档编号G01B11/24GK201858967SQ20092015783
公开日2011年6月8日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者尹建军 申请人:北京汇力城技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
