CN101482685A - 保持相机采集的图像灰度稳定的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，包括单片机、隔离变压器、零相位检测器、设定单元及信号驱动器，在单片机的控制下，零相位检测器采集电压相位信号，信号驱动器根据零相位检测器输出的电压相位比较信号和设定单元设定的相机触发延时时间来驱动相机工作。该装置能保证相机每次采集时电源的电压相位保持一致，这样每次采集时HID灯的光照强度也一致，于是就保持了每次采集的图像的灰度一致。和现有技术比较，本装置以较低的成本便取得了很好的技术效果，并且更加节能和环保。

Description

保持相机采集的图像灰度稳定的装置

技术领域

本发明涉及自动化仪表中的图像检测系统技术领域，更具体地说，涉及一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置。

背景技术

在工业现场图像检测系统中，光照环境的不变动是保证图像采集系统稳定的先决条件，如光照强度发生波动，则采集的图像的灰度也要伴随着光的变化发生改变，这样会造成被检测对象特征发生明显变化，使得图像检测系统的计算的结果不稳定，最终造成检测系统误判而产生严重的后果。

在较大的工业现场环境，如连铸厂房内，通常采用高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯为环境照明光源(亦称HID光源)，这些高强度气体放电灯具有发光效率高、显色性好、寿命长、成本低的特点，人眼观察时还感觉不到光照随交流工频的剧烈变化，但图像采集系统，因被测对象一般以一定的速度在行进中，为达到图像采集没有拖影，摄像机的暴光时间很短，采集的频率远远高于交流电的频率，这时图像采集设备就会明显感觉到光照的输出光强度与交流电压波形关系密切，从实际效果来看，光强的时间曲线几乎为正弦，光照度高底点反差达5倍以上。而由于常规的工业相机的图像采集启动时刻Tnor相对于高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯的灯光电压Ui的相位是不确定的，如图1所示，所以采集图像时的照明亮度差距很大，最终得到的图像的灰度变化非常大，采集到的照片忽明忽暗，很不稳定，暗场环境照片全黑几乎无法正常使用。

工业现场为了保持图像灰度的稳定，一般采用了稳定光源的方法，即采用大功率白炽灯、卤素灯，或者频闪灯，使灯光始终保持稳定输出。但是大功率白炽灯、卤素灯效率低，发热量大，寿命短，频闪灯的价格非常昂贵，频闪灯泡不仅价格贵，而且是易耗件，另外在现场周围的杂散照明灯光也会对图像采集产生影响。

鉴于以上的情况，迫切需要找到一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，其能触发相机采集，并使相机采集的时刻与灯的工作电压的相位保持一致，也就是与照明亮度保持一致，最终使采集的图像灰度保持稳定。

专利申请号为CN200410043753.7公开了名称为机器视觉测量系统中的自适应调整光强的照明光源装置，该装置由图像卡、计算机、PWM控制电路、LED光源和光源主电路组成，是一种利用计算机对图像的灰度等参数进行计算进而控制LED光源的装置。该装置缺点是构成复杂且成本高，只能用于非常稳定的LED光源，不能用于不稳定的HID光源，而且该装置利用图像质量为依据控制光源，并不对相机进行控制触发，此外，该专利申请的装置只能适合条件好的封闭环境，不能适合条件恶劣的工业环境。

专利申请号CN200410005870.4公开了一种名称为背光源亮度的控制方法和控制装置，该技术用于调节显示器图像输出时的显示亮度，从而达到省电效果，并不涉及保证采集图像灰度稳定，提升图像的内在质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，它利用相位同步的原理，使相机采集图像的时刻与灯光的工作电压的相位保持同步，使相机在相同光照强度的情况下采集图像，该装置克服了传统HID灯光照明下，相机采集图像不受控制，造成在光源亮度不同的时刻采集图像，最终导致图像灰度不稳定的弱点。

为实现上述目的，本发明提供一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，包括：

单片机，该单片机作为所述装置的控制单元接收信号并输出命令；

隔离变压器，所述隔离变压器输入端与电源连接，输出端输出变压后的电源；

零相位检测器，用于采集输入电压的相位信号，该零相位检测器输入端与所述隔离变压器输出端连接，输出端与所述单片机输入端连接；

设定单元，用于设定触发所述相机的延时时间，所述设定单元输出端与所述单片机连接；

信号驱动器，根据所述延时时间及零相位检测器输出的电压相位比较信号触发所述相机工作，所述信号驱动器输入端与所述单片机的输出端连接，输出端与所述相机的输入端连接。

所述设定单元包括控制按钮和通讯接口，所述控制按钮用于手工设定触发所述相机的延时时间，所述通讯接口用于自动设定触发所述相机的延时时间，所述控制按钮及通讯接口分别与所述单片机连接。

所述通讯接口包括驱动芯片U6及保护电阻F2和F3，驱动芯片U6输出端与所述单片机连接。保护电阻F2和F3的一端分别与驱动芯片U6输入端连接，保护电阻F2和F3的另一端分别与自动设定所述延时时间的控制主机连接。

所述控制按钮包括两个与所述单片机连接的开关，一个开关用于设定增加所述延时时间，另一个开关用于设定减少所述延时时间。

所述零相位检测器包括比较器U2A、分压电路及信号采集电路，所述信号采集电路输入端与所述隔离变压器的输出端连接，所述信号采集电路及分压电路输出端与所述比较器U2A输入端连接。

所述信号驱动器包括非门U5及电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，所述非门U5输入端与所述单片机输出端连接，输出端分别与所述电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6的输入端连接，所述电阻的输出端与所述相机连接。

所述装置还包括稳压器，该稳压器连接在所述隔离变压器的输出端，包括二极管D1和D2、发光二极管LED1、电阻R9、自复位保险丝F1、滤波电容C1和C2、三端稳压器U1。

所述装置还包括存储器，用于存储设定的相关参数，该存储器与所述单片机连接。

采用本发明所述的一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，该装置包括单片机、零相位检测器及信号驱动器。在单片机的控制下，零相位检测器及时检测采集HID灯的工作电压相位，并将电压信号输出给所述单片机，单片机再根据用户的设定的触发所述相机的延时时间，及时触发相机进行图像采集并使之工作的时刻与HID灯的工作电压相位保持一致，如此一来，由于所述相机采集图像的时刻均与所述HID灯的工作电压相位保持一致，那么每次采集时HID灯的光照强度必然相同，这样就克服了在传统HID灯光照明下，相机采集图像无法控制，造成在光源亮度不同的时刻采集图像，最终导致采集的图像灰度不稳定的弱点。而现有技术中没有对相机的采集时刻进行触发控制使之与HID灯电压相位一致，另外现有技术中还需要采购容易损坏且价格非常昂贵的频闪灯，这样比较下来，本发明所述的装置不仅可以优化图像的灰度，使优质、成熟、低成本的HID光源可以用于工业监视图像领域，而且该装置优化设定，使同样的光源得到最亮的图像输出，从而达到节能环保、降低成本的目的。

附图说明

图1是相机采集信号时刻与HID灯电压相位示意图；

图2是本发明所述的装置的应用示意图；

图3是本发明所述装置的原理框图；

图4是本发明所述装置的隔离变压器及稳压器示意图；

图5是本发明所述装置的零相位检测器示意图；

图6是本发明所述装置的单片机示意图；

图7是本发明所述装置的控制按钮示意图；

图8是本发明所述装置的信号驱动器示意图；

图9是本发明所述装置的存储器示意图；

图10是本发明所述装置的通讯接口示意图；

图11是本发明所述装置的单片机控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参考图3，本发明所述一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，包括：

单片机11，参考图6，该单片机11作为本发明所述装置的控制单元接收信号并输出命令，使该装置能进行工作，单片机11包括单片机芯片U4、电阻R10、电容C5、C3、C4以及晶体X1组成，电容C5和电阻R10构成了复位电路，电容C3、C4和晶体X1构成了系统的时钟，芯片U4作为单片机的核心处理器。

隔离变压器14，参考图4，所述隔离变压器14输入端与电源15连接，输出端输出变压后的电源，隔离变压器14是一个50Hz的工频变压器，它可以为本发明所述装置提供低压电源，驱动装置工作，也可以作为敏感元件，提供HID灯光电源的相位信息，为后面的控制提供基准；隔离变压器14的输出端与零相位检测器12的port1接口连接，参考图5，隔离变压器14的输出端还连接有一个稳压器16，该稳压器16包括二极管D1和D2、发光二极管LED1、电阻R9、自复位保险丝F1、滤波电容C1和C2、三端稳压器U1，二极管D1起整流作用，发光二极管LED1起电源就位指示，电阻R1起限流保护作用，自复位保险丝F1限制系统工作电流，二级管D2是TVS瞬变抑制二极管，其可以吸收外部的脉冲高电压，保护内部系统，电容C1和C2起滤波作用，三端稳压器U1可以提供一个稳定的电压。

零相位检测器12，用于采集输入电压的相位信号，参考图5，包括比较器U2A和电阻R7、R8、R11、R12、R13、R14和R15组，电阻R12、R15和R8构成分压网络，电阻R11、R14和R7构成信号采集网络，所述分压网络和信号采集网络对称，所以无须专门调整就可以准确低检测到输入电压的零点，电阻R13是上拉电阻，其提供高电平驱动。零相位检测器12的输出端与单片机11的第9引脚VoltState信号线连接，从而将输入电压的相位比较信号输入单片机11中。

设定单元20，包括控制按钮18和通讯接口10，所述控制按钮18用于手工设定触发所述相机19的延时时间，所述通讯接口10用于自动设定触发所述相机10的延时时间。参考图7，所述控制按钮18包括两个与所述单片机11连接的开关K1和K2，开关K1用于设定增加所述延时时间，开关K2用于设定减少所述延时时间，开关K1的输出端与单片机11的第19引脚SetUp信号线连接，开关K2的输出端与单片机11的第11引脚SetDown信号线连接。参考图10，所述通讯接口10包括驱动芯片U6及保护电阻F2和F3，驱动芯片U6输出端分别与所述单片机11的第2、第3、第15引脚连接，保护电阻F2和F3的一端分别与驱动芯片U6输入端连接，保护电阻F2和F3的另一端分别与自动设定所述延时时间的控制主机连接。

信号驱动器13，用于驱动所述相机19工作，参考图8，包括非门U5及电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，所述非门U5输入端与所述单片机的第14引脚连接，输出端分别与所述电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6的输入端连接，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6的输出端与所述相机19连接并向相机19发出触发信号。

作为一个实施例，本发明所述装置还包括存储器17，存储器17为Flash存储器，用于存储用户设定的相关参数，参考图9，存储器17包括存储芯片U3，存储芯片U3与所述单片机11的第6、第7引脚连接，它可以存储用户设定的各种参数，系统无论有意或者无意掉电时，关键数据虽然丢失，但重新上电复位时，系统会重新读取存储芯片U3存储的设定数据，可以防止混乱。

参考图2，图2是本发明所述装置的应用图，图中电源连接HID灯，HID灯发出入射光照在对象物体上，对象物体发出放射光，本发明所述装置与所述电源连接，实时检测并比较该电源的电压相位信号，并根据用户设定的延时时间触发相机对物体进行拍摄采集图像，保证相机每次采集时电源的电压相位保持一致(参考图1，图中Tsyn时刻图就是本发明所述装置触发相机进行采集的时刻图)，这样每次采集时HID灯的光照强度也一致，于是就保持了每次采集的图像的灰度一致，取得了很好的技术效果。

参考图11，结合该图介绍一下单片机11的控制流程，首先系统初始化时设定硬件、软件模块；然后读取Flash存储器17中存储的设定值，并设定到系统中；然后通过零相位检测器12循环检测交流电压是否为零相位，如果是零相位，就延时设定的时间，并触发相机采集图像；再检测是否有用户通过控制按钮18进行设定，如果有，就根据控制按钮18的设定增加或者减少设定延时数值并存储到Flash存储器17中；然后检测是否有通过通讯接口10进行远程通讯设定，如果有，就根据通讯命令的设定增加或者减少设定延时数值并存储到Flash存储器17中；最后转移到下一个工作循环。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种保持相机采集的图像灰度稳定的装置，其特征在于，包括：

单片机，该单片机作为所述装置的控制单元接收信号并输出命令；

隔离变压器，所述隔离变压器输入端与电源连接，输出端输出变压后的电源；

零相位检测器，用于采集输入电压的相位信号，该零相位检测器输入端与所述隔离变压器输出端连接，输出端与所述单片机输入端连接；

设定单元，用于设定触发所述相机的延时时间，所述设定单元输出端与所述单片机连接；

信号驱动器，根据所述延时时间及零相位检测器输出的电压相位比较信号触发所述相机工作，所述信号驱动器输入端与所述单片机的输出端连接，输出端与所述相机的输入端连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设定单元包括控制按钮和通讯接口，所述控制按钮用于手工设定触发所述相机的延时时间，所述通讯接口用于自动设定触发所述相机的延时时间，所述控制按钮及通讯接口分别与所述单片机连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述通讯接口包括驱动芯片U6及保护电阻F2和F3，驱动芯片U6输出端与所述单片机连接。保护电阻F2和F3的一端分别与驱动芯片U6输入端连接，保护电阻F2和F3的另一端分别与自动设定所述延时时间的控制主机连接。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制按钮包括两个与所述单片机连接的开关，一个开关用于设定增加所述延时时间，另一个开关用于设定减少所述延时时间。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述零相位检测器包括比较器U2A、分压电路及信号采集电路，所述信号采集电路输入端与所述隔离变压器的输出端连接，所述信号采集电路及分压电路输出端与所述比较器U2A输入端连接。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号驱动器包括非门U5及电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，所述非门U5输入端与所述单片机输出端连接，输出端分别与所述电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6的输入端连接，所述电阻的输出端与所述相机连接。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括稳压器，该稳压器连接在所述隔离变压器的输出端，包括二极管D1和D2、发光二极管LED1、电阻R9、自复位保险丝F1、滤波电容C1和C2、三端稳压器U1。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括存储器，用于存储设定的相关参数，该存储器与所述单片机连接。

Images