CN102192729B - 成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种成像系统，用于高速彩色检测，包括一光源装置、一相机装置、一数据采集及处理装置、一同步装置，该光源装置包括若干个不同光色的发光二极管，该相机装置与数据采集及处理装置信号连接，该同步装置用于向光源装置及相机装置同步发送高频控制信号，用于控制该光源装置的不同光色的发光二极管依次循环闪烁，并与相机装置的拍摄动作保持一致，该相机装置将拍摄后的图像发送给数据采集及处理装置进行合成处理得到彩色图像。本发明还揭示了一种成像方法。采用上述成像系统及方法进行彩色成像，成本低、成像效果好，并适用于高速拍摄及检测。

Description

成像系统及成像方法
【技术领域】
本发明有关一种成像系统，特别涉及一种适用于机器视觉领域用于高速摄像的成像系统及成像方法。
【背景技术】
在高速机器视觉领域，随着彩色印刷技术的普及和发展，人们对色彩检测的要求也越来越高，这就导致工业3CCD彩色相机的消耗量在近几年大幅攀升。但是，3CCD彩色相机不菲的价格也让众多企业忘而却步，如何能以较低的成本得到较高质量的彩色图像，成为一个棘手的问题。
【发明内容】
因此，有必要提供一种成本低且成像质量高的彩色成像系统及彩色成像方法。
一种成像系统，用于高速彩色检测，包括一光源装置、一相机装置、一数据采集及处理装置、一同步装置，该光源装置包括若干个不同光色的发光二极管，该相机装置与数据采集及处理装置信号连接，该同步装置用于向光源装置及相机装置同步发送高频控制信号，用于控制该光源装置的不同光色的发光二极管依次循环闪烁，并与相机装置的拍摄动作保持一致，该相机装置将拍摄后的图像发送给数据采集及处理装置进行合成处理得到彩色图像。
一种成像方法，用于对高速运动的物体进行彩色检测，包括：测量转速：测量物体的运动速度并转换成高频信号；发送同步信号：将高频信号同步发送给一LED光源装置及一相机装置；光源闪烁：该LED光源装置在高频信号的控制下，根据信号频率向物体高速依次闪烁出不同颜色的光线；拍照：该相机装置在高频信号的控制下，与LED光源装置同频率朝物体高速拍摄；数据处理：对在不同光色下拍摄的图像进行融合得到彩色图像。
采用上述成像系统及方法进行彩色成像，成本低、成像效果好，并适用于高速拍摄及检测。
【附图说明】
图1是本发明一实施例的成像系统的组成图及工作示意图。
图2是图1中LED光源的LED排列示意图。
图3是图1中部分元件的工作流程示意图。
图4为图1中的成像系统采用均匀时长曝光方式进行彩色图像融合的示意图。
图5为图1中的成像系统采用非均匀时长曝光方式进行彩色图像融合的示意图。
图6是本发明一实施例的成像方法的工作步骤图。
【具体实施方式】
图1所示为本发明一实施例的成像系统100，该成像系统100包括一同步装置10、一光源装置20、一相机装置30、一数据采集及处理装置50及一工控机70。
请同时参阅图3，该同步装置10包括一编码器11及一触发器13，该编码器11用于测量待测物体运动速度，并将速度信息转换成脉冲信号；该触发器13可接收编码器11的脉冲信号并根据应用需要进行处理，比如对脉冲信号的频率进行成倍地放大或缩小；该触发器13与光源装置20及相机装置30进行通信连接。
该光源装置20包括一光源控制器22及一LED光源25(LED即为发光二极管)，该光源控制器22可接收脉冲信号，并可根据信号频率产生相应的控制信号控制LED光源25的闪烁频率。
请参阅图2，该LED光源25为一RGB线性光源，即该LED光源25包括若干个大功率红色LED251、绿色LED252、蓝色LED253，这些LED251、252、253按照红/绿/蓝三色的次序依次成线性排列，因此该光源装置10适合与工业线阵相机配合工作。该LED光源25在光源控制器22高频信号的控制下可在极短的时间内依次发出红、绿、蓝三种光线，该LED光源25的闪烁速度需要与相机装置30的拍摄速度相适应，一般情况下为6～8万次/秒，甚至更高。该LED光源25采用的LED不局限于红、绿、蓝三色，在其他实施例中，也可采用其他不同光色的LED来进行组合。
该相机装置30采用工业黑白线阵相机，对该相机装置30的要求是分辨率高、抗干扰性强，另外拍摄速度和数据传输速度也有较高要求，一般情况下，该相机装置的拍摄速度要求能够达到6～8万线/秒，并能以如此高速度持续拍摄较长时间。该相机装置30的拍摄速度越快，越能适应高速场合的应用。
该数据采集及处理装置50采用硬件方式的采集卡，由于采用了硬件方式，该数据采集及处理装置50可高速处理大量数据，比如160M/s(9.6G/min)的数据量，并能在无需外部CPU资源的情况下，快速地完成数据采集、平场校正、白平衡、线性插值、数据融合等功能。
该成像系统100布置在一传送带80附近，用于对该传送带80上高速运动的物体进行彩色拍摄并进行监测。
该同步装置10的编码器11安装在传送带80的滚轴上，用于将传送带80的速度信息转换成脉冲信号，输入到触发器13中；该触发器13分别与光源装置20的光源控制器22及相机装置30通信连接。由于该光源装置20的闪烁速度及相机装置30的拍摄速度是由触发器13发出的脉冲信号频率所决定的，因此触发器13根据光源装置20的及相机装置30的应用需要对脉冲信号的频率进行处理。例如，根据传送带80的转速、图像分辨率要求，对光源装置20的闪烁速度及相机装置30的拍摄速度则有相应的特殊要求，这时根据需要达到的闪烁速度及拍摄速度，由触发器13对脉冲信号的频率进行处理，使得对光源装置20及相机装置30实现同步控制的信号频率能够满足要求。
该光源装置20的LED光源25及相机装置30安装于传送带80的上方。该LED光源25置于传送带80的左右两侧并与传送带80相对，该相机装置30置于传送带80的正上方，该相机装置30的镜头与传送带80的顶面相对。该LED光源25与相机装置30位于同一平面，该平面与传送带80的延伸方向垂直。
该相机装置30与数据采集及处理装置50通信连接。
该数据采集及处理装置50与工控机70通信连接。
请参见图6，该成像系统100用于工业检测的工作流程如下：
S1：测量转速：该同步装置10测量传送带80的转速并转换成高频信号，比如80KHz；
根据拍摄速度的需要，该高频信号的频率范围一般为几万至数十万赫兹；
S2：发送同步信号：该同步装置10将高频信号发送给光源控制器22及相机装置30；
S3a：光源闪烁：光源控制器22接收到同步装置10的高频信号后，根据信号频率控制LED光源25在极短的时间内朝传送带80方向依次循环照射出红光、绿光和蓝光；
S3b：拍照：相机装置30接收到同步装置10的高频信号后，根据信号频率在极短的时间内朝传送带80方向拍照，其拍摄的频率与LED光源25的闪烁频率一致，即该相机装置30在LED光源25依次发出红、绿、蓝三色光线时会分别对不同光色下的传送带80上的物体进行拍摄；
S4：数据处理：相机装置30将拍摄的照片传送给数据采集及处理装置50，该数据采集及处理装置50在高速情形下对相邻时间内的三张红、绿、蓝色光线下的图像进行合成处理，通过平场校正、白平衡、线性插值、数据融合等图像处理方法进行处理，将这三张图像融合为一张彩色图像；
在进行彩色图像融合时，可采用以下两种方法：
一种是均匀时长曝光的方式：即红、绿、蓝三种光源的曝光间隔相同，这种方式一般都需要“线性插值”，即相机装置30每采一线都只是单色图像，比如红色或绿色或蓝色光线下的图像，若要得到彩色图像，必须添加其他光色下的图像，这时可用“插值”的方法得到剩下的两种颜色。请参见图4，图4中左边是“插值”前的情况，右边是“插值”后的图像，插值后就变成彩色图像了。
另外一种是非均匀时长曝光的方式，这种方式较简单，即每一组内部红、绿、蓝三种光源的曝光间隔很短，同时采集三种光线下的图像，直接把三根线叠加到一起，变成红加绿加蓝的图像，这样可以弥补“空间位差”，使得拍摄出来的图像更能反映实际，参见图5。但这种方式也有缺点，即得到的图像分辨率没有第一种方式高。
S5：显示和存储：数据采集及处理装置50将合成的彩色图像输出到工控机70上。
由于采用了同步装置10，可保证光源装置20及相机装置30在高速下协同工作，即在相机装置30每次拍照的瞬间，LED光源25中的红色光、绿色光或者蓝色光可同步地闪烁一次，在极短的时间内实现不同光色的转换，从而使得相机装置30在极短的时间内(例如10us)可以曝光。
假设：
(1)对图像的分辨率要求为0.15mm
(2)传送带80的转速为180m/min(3m/s)
(3)该相机装置30的曝光时间为10us，其拍摄速度约为6万～8万线/秒，该光源装置20的闪烁速度与相机拍摄速度一致，为6万～8万次/秒
则采用成像系统100产生的空间位差如下：
0.01ms*3m/s＝0.03mm
该空间位差只为图像分辨率0.15mm的20％，如果再采用线性插值等方法进行弥补，其影响基本可以忽略不计。
由于采用了大功率LED，LED光源25发出的光线能够满足超高亮度的需求。通过进一步增加LED光源25的光强和均匀度，可避免因传送带80上的物体高速运动引起的波动而造成光线照射不均匀的问题。
本发明的成像系统100的数据采集及处理装置50采用采集卡等硬件的方式来实现，有以下几方面的优势：
1.友好性：掩盖了底层处理等细节，从用户角度看跟普通工业彩色相机没有任何区别，使用极其方便；
2.高速性：用硬件单独实现可以大大提升处理速度，满足高速的需求。
采用本发明的成像系统100在成像效果方面跟3CCD彩色相机相差无几，但成本却可以大大下降。下表列出这两种相机的指标对比。
相机类型 成像效果 成本
3CCD彩色相机 好 高
成像系统100 好 低
综上所述，采用本发明的成像系统100进行色彩检测具有以下优势：
1.成本低，价格远低于同类型的3CCD彩色相机。
2.成像效果好，无需滤光片，图像颜色逼真、饱和度大，成像质量远高于同价位的BayerFilterPattern彩色相机。
3.可适用于高速拍摄及检测。
本发明的成像系统100采用线阵相机及线性光源，相对于传统的面阵相机及环形光源具有以下优势：
传统的面阵相机的曝光时间一般为500us；假设传送带80的速度为3m/s(180m/min)，色彩检测图像分辨率要求为0.15mm，根据以上假设可以计算采用面阵相机及环形光源拍摄得到的两张图像的空间位差约为：
0.5ms*3m/s＝1.5mm
该空间位差远远大于要求的分辨率0.15mm，故图像无法进行合成，不能满足检测要求。
虽然本专利参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本技术领域的普通技术人员应当认识到，上述较佳实施方式仅用来说明本专利，并非用来限定本专利的保护范围，任何在本专利的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本专利的权利保护范围之内。

Claims (15)

1.一种成像系统，用于高速彩色检测，包括一光源装置、一相机装置及一数据采集及处理装置，该光源装置包括若干个不同光色的发光二极管，该相机装置与数据采集及处理装置信号连接，其特征在于：还包括一同步装置，该同步装置用于向光源装置及相机装置同步发送高频控制信号，用于控制该光源装置的不同光色的发光二极管依次循环闪烁，并与相机装置的拍摄动作保持一致，该相机装置将拍摄后的图像发送给数据采集及处理装置进行合成处理得到彩色图像。
2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于：该光源装置的发光二极管分别为红、绿、蓝三色，这些发光二极管按照红/绿/蓝三色的次序依次成线性排列。
3.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于：该相机装置为工业黑白线阵相机。
4.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于：该数据采集及处理装置采用硬件方式的采集卡。
5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于：该同步装置包括一编码器及一触发器，该编码器用于测量待测物体的运动速度，并将速度信息转换成脉冲信号；该触发器用于接收编码器的脉冲信号并进行处理，该触发器与分别与光源装置及相机装置进行通信连接。
6.如权利要求1至5任意一项所述的成像系统，其特征在于：还包括一工控机，该数据采集及处理装置与工控机通信连接。
7.如权利要求1至5任意一项所述的成像系统，其特征在于：所述高频控制信号的频率由应用场合及相机装置的拍摄速度所决定。
8.一种成像方法，用于对高速运动的物体进行彩色检测，包括：
测量转速：测量物体的运动速度并转换成高频信号；
发送同步信号：将高频信号同步发送给一LED光源装置及一相机装置；
光源闪烁：该LED光源装置在高频信号的控制下，根据信号频率向物体高速依次闪烁出不同颜色的光线；
拍照：该相机装置在高频信号的控制下，与LED光源装置同频率朝物体高速拍摄；
数据处理：对在不同光色下拍摄的图像进行融合得到彩色图像。
9.如权利要求8所述的成像方法，其特征在于：该数据处理过程是通过一硬件方式的采集卡来实现。
10.如权利要求8所述的成像方法，其特征在于：该数据处理方法包括平场校正、白平衡、线性插值、数据融合。
11.如权利要求10所述的成像方法，其特征在于：数据融合的方法为均匀时长曝光方法或非均匀时长曝光方法。
12.如权利要求8所述的成像方法，其特征在于：所述不同颜色的光线分别是由红色LED、绿色LED及蓝色LED发出的，这些LED按照红/绿/蓝三色的次序成线性排列。
13.如权利要求11所述的成像方法，其特征在于：所述相机装置为工业线阵相机。
14.如权利要求8所述的成像方法，其特征在于：在发送同步信号之前，根据应用场合及相机装置的拍摄速度及LED光源装置的闪烁速度的需要相应地对高频信号进行处理。
15.如权利要求8至12任意一项所述的成像方法，其特征在于：所述相机装置的拍摄速度达到6～8万线/秒，LED的闪烁速度达到6～8万次/秒。
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