CN105716693A - 一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统及方法，包括图像采集装置，用于实时采集水表齿轮的光学影像并将光学影像信息传输至图像处理装置；图像处理装置将这些光学影像转换为电荷影像，接着转换成图像信号，图像信号又通过A/D转换器转换成数字图像信号，数字图像信号进一步传输至控制电路；控制电路通过相应的接口与处理器电路相连，所述处理器电路对收到的数字信号进行初步处理并保存至内存中，处理器电路根据内存中的图像数据进行识别和处理，识别和计算得出的结果，将结果输出。本发明产品可识别齿轮转动一个齿位的变化，精度更高。

Description

一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统及方法

技术领域

本发明涉及水表领域，具体涉及一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统及方法。

背景技术

目前国内的水表示值误差实验的监测装置普遍采用的是激光传感器技术或图像式水表误差监测系统，上述两种方式缺点如下：其方法本身精度偏低，有一定的测量误差，并且在水表表盘进水、有灰尘等情况下精度也会受到影响从而导致误差较大；另一方面，这两种方法的识别能力是齿轮转动一圈的位置变化，测量精度偏低。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了水表齿轮识别系统及方法，本发明可识别齿轮转动一个齿位的变化，精度更高。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，包括图像采集装置，用于实时采集水表齿轮的光学影像并将光学影像信息传输至图像处理装置；

所述图像处理装置将光学影像转换为电荷影像，接着转换成图像信号，图像信号又通过A/D转换器转换成数字图像信号，数字图像信号进一步传输至控制电路；

所述控制电路通过相应的接口与处理器电路相连，所述处理器电路对收到的数字信号进行初步处理并保存至内存中，处理器电路根据内存中的图像数据进行傅里叶变换处理，在处理器电路中，将采样点为横轴，像素值为纵轴，则最初静止状态的齿轮会有一个波形为第一波形，在转动过程中拍摄速度快于每个齿位转动的速度，在齿轮转动中能拍摄到每个采样点像素值的变化，当波形由第一波形变为第二波形再变为第一波形重合时，则认定为一个齿位的变化。

进一步的，在图像采集装置中，实时采集水表齿轮的光学影像并将光学影像信息传输至图像处理装置。

进一步的，图像处理装置中，将光学影像转换为电荷影像，接着转换成图像信号，图像信号又通过A/D转换器转换成数字图像信号，数字图像信号进一步传输至控制电路。

进一步的，所述控制电路通过相应的接口与处理器电路相连，所述处理器电路对收到的数字信号进行初步处理并保存至内存中，处理器电路根据内存中的图像数据进行识别和处理，识别和计算得出的结果，将结果输出。

进一步的，所述图像采集装置包括相机镜头及闪光灯，所述相机镜头摄取的光学影像。

进一步的，所述图像处理装置包括高速图像传感器，相机镜头摄取的光学影像成像在高速图像传感器的表面上。

进一步的，所述控制电路包括高速图像传感器控制电路，高速图像传感器控制电路通过LVDS接口将图像信息传输给处理器电路。

进一步的，所述处理器电路包括FPGA及ARM处理器，FPGA通过SPI接口对高速图像传感器进行配置，控制高速图像传感器图像的输出分辨率和拍摄速度。

进一步的，FPGA通过LVDS接口，接收高速图像传感器输出的图像，并保存到内存中，处理器FPGA根据内存中的图像数据进行识别和处理，识别和计算得出的结果，将结果输出。

进一步的，处理器FPGA根据SPI接口中的CS_N片选信号控制一个图像传感器的工作与否，其中CS_N片选信号为高电平时图像传感器工作，反之不工作。

进一步的，所述处理器电路的输出还分别与LCD显示电路、脉冲输出电路、RS485输出电路及识别启停控制电路相连；

所述LCD显示电路，用于实时显示测试状态以及用户交互；

所述脉冲输出电路，用于有源24V脉冲输出，用于连接上位机实时输出识别的结果；

所述RS485输出电路，用于配置识别的参数以及获取计算结果；

所述识别启停控制电路，通过光耦隔离，外部电路可以接无源开关信号或有源24V电路，用于控制识别工作的开始和结束。

所述ARM检测引脚电平的变化，检测电平由高变低则开始检测工作，配置图像传感器，ARM控制FPGA开始进行图像分析。

进一步的，所述处理器电路与上位机通信，处理器电路还与按键模块相连，所述的按键模块包括两个修改识别对象参数按键、一个控制闪关灯开关键和一个调整识别半径按键，四个按键用于与LCD显示屏配合设置识别和查询参数。

进一步的，所述两个修改识别对象参数按键为一个“齿轮+”按钮用于调大齿轮轮齿数；一个“齿轮-”按钮用于调小齿轮轮齿数；一个调整识别半径按键为一个“识别半径”按钮为反转开关，默认为大识别半径；一个控制闪关灯开关键为一个“补光灯”按钮为反转开关，默认为补光灯开。

进一步的，所述处理器电路与所述上位机之间通过串口或网口使用RPC的方式进行参数配置、数据传输的数据交互。

一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别方法，包括以下步骤：

步骤一：利用图像采集装置对采样点进行采样；

步骤二：对采样点的图像进行处理后将像素值传输至FPGA；

步骤三：在FPGA中进行傅里叶变换后传输至ARM处理器；

步骤四：在ARM处理器中进一步计算并判断相位是否变化，如果无变化，则表示齿轮静止，如果相位变化由小变大又变小，则脉冲输出、LCD显示，同时，累积次数，在累积次数后进一步计算瞬时转速。

工作原理：摄像镜头摄取的光学影像成像在高速图像传感器的表面上，图像传感器会将这些光学影像转换为电荷影像，接着转换成图像信号，图像信号又通过A/D转换器转换成数字图像信号，这些数字信号(即电信号)通过C1的LVDS接口传输给FPGA。特别地，本发明设计高速图像传感器的SPI接口中的CS_N片选信号控制一个图像传感器的工作与否，其中CS_N片选信号为高电平时图像传感器工作，反之不工作。

FPGA对收到的数字信号进行初步处理，并将其按照一定的逻辑存储到内存颗粒DDR3中并提供给ARM处理器每个数据的地址，ARM处理器会根据这些地址提取内存中的数据对其进行处理，本发明采用傅里叶变换算法对内存中的图像数据进行识别和处理，识别和计算得出的结果，将通过C3、C4、C5输出。

C3为LCD显示电路，本发明设计一个IP核作为LCD控制器，通过RGB888接口可将计算结果实时显示在LCD液晶屏上。

C4为脉冲输出电路，可连接能识别脉冲信号的设备；C5为RS485输出电路，可连接支持RS495通讯协议的设备。

C6为识别启停电路，其作用相当于一个控制开关，可通过电平高/低来控制识别装置的开/关。

本发明的有益效果：

本发明产品可识别齿轮转动一个齿位的变化，处理器电路中，傅里叶变换后的图像数据相位的变化过程判断齿位的变化。精度更高。本发明的识别频率可到1000帧/秒，精度极高；能识别齿轮转动一个齿位的变化，不易受到环境变化的影响，能保证运行10000次不丢1帧或至多丢失1帧的要求。本发明还配备全中文显示的LCD液晶屏，能实时显示监测数据，并配备4个按键、4个LED指示灯，可操作性更强。

附图说明

图1为LCD显示屏外围电路图；

图2为RS485输出电路图；

图3为电源外围电路图一；

图4为电源外围电路图二；

图5脉冲输出电路；

图6识别启停控制电路；

图7图像传感器外围电路一；

图8图像传感器外围电路二；

图9图像传感器外围电路三；

图10电源管理电路一；

图11电源管理电路二；

图12本发明的识别算法流程图；

图13本发明的识别波形图；

图14本发明的屏显示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别装置，包括壳体、主板、上位机软件、按键模块、显示模块，主板包括处理器、内存、存储器和相应的外围电路，主板连接上位机、按键模块、显示模块。

主板包括：集成FPGA+ARM处理器的系统级处理器芯片、DDR3内存颗粒、由NANDFLASH芯片和可选的可扩展存储器TF卡组成的存储器、高速图像传感器和主板上相应的外围电路。

主板上相应的外围电路，包括高速图像传感器控制及相应的外围电路C1、处理器芯片(FPGA+ARM处理器)外围电路C2、LCD显示电路C3、脉冲输出电路C4、RS485输出电路C5、识别启停控制电路C6。其中C3用于实时显示测试状态以及用户交互；C4为有源24V脉冲输出，用于连接上位机实时输出识别的结果；C5用于配置识别的参数以及获取计算结果；C6通过光耦隔离，外部电路可以接无源开关信号或有源24V电路，用于控制识别工作的开始和结束。

高速图像传感器控制及相应的外围电路C1，高速图像传感器电路可以使传感器长时间稳定工作，提高产品的稳定性。用于控制高速图像传感器及数据输入、处理数据的处理器芯片(FPGA+ARM处理器)及其外围电路C2，合理选择图像传感器接入芯片和自主设计相应电路，本发明中DDR3为32位位宽工作频率533MHZ(1066M)理论带宽4Gbyte/s实际带宽2.8GByte/s，使图像的接入和图像的处理有足够的处理带宽，并在芯片及产热较高的电路周围固定有散热片，有良好的散热性。

按键模块包括两个修改识别对象参数按键、一个控制闪关灯开关键和一个调整识别半径按键，四个按键用于与LCD显示屏配合设置识别和查询参数。

显示模块包括一个LCD显示屏和四个LED指示灯。其中LCD显示屏实时显示识别的对象图像及其所有的参数；四个LED状态指示灯包括一个电源指示灯、一个测试方法指示灯、一个测试状态指示灯、一个脉冲输出指示灯。其中LCD显示屏实时显示识别的齿轮图像及其所有的测试参数，测试参数包括预置测试时间、累计测试时间、预置检定体积、累计齿数、瞬时转速；四个LED状态指示灯包括一个电源指示灯，接通电源状态指示灯为常亮，反之不亮；一个测试方法指示灯，目前有三种测试方法分别为常亮、闪烁、不亮，可根据具体产品功能进行定制修改；一个测试状态指示灯，在工作状态下该指示灯常亮，反之不亮；一个脉冲输出指示灯，正常工作状态下脉冲输出指示灯会不停闪烁。

按键模块包括一个“齿轮+”按钮用于调大齿轮轮齿数；一个“齿轮-”按钮用于调小齿轮轮齿数；一个“识别半径(大/小)”为反转开关，默认为大识别半径；一个“补光灯(开/关)”为反转开关，默认为补光灯开。

壳体前面板安装有一个相机镜头、两个闪光灯、一个USB连接线，其中所述USB连接线用来连接主板与上位机；后面板安装LCD显示屏和按键、LED指示灯。

主板与所述上位机软件之间通过串口或网口使用RPC的方式进行参数配置、数据传输等数据交互。

下面结合电路图对本发明的实施进行详细的说明：

如图1所示，LCD显示屏外围显示电路包括LCD显示屏，LCD显示屏与四个LED指示灯相连，测试方法指示灯及脉冲输出指示灯分别通过电阻及三极管与LCD显示屏相连。

如图2所示，为RS485输出电路，用于与主板中处理电路通信，RS485输出电路连接支持RS485通讯协议的设备，RS485输出电路包括芯片SP3485EEN，芯片SP3485EEN的两个输出端分别分两路，一路通过电阻接地，两个输出端共同连接至电阻R51，电阻R51还分别连接至电阻R50及电阻R54，电阻R50及电阻R54共同连接至二极管后作为输出端与其他设备相连。

如图3-4所示，为电源外围电路，包括电源芯片，电源芯片的输出分六组，每一组均通过滤波电容滤波后输出相应的电压。

如图5所示，脉冲输出电路包括光耦U5，U5的输入端分别接脉冲信号及通过电阻与电源相连，输出端分两路，一路与地相连，另一路输出为数字量输出，该输出端还分别与上拉电阻及二极管相连。

如图6所示，为识别启停控制电路，包括U9，U9的输入端分别与电路及二极管D3、D4相连，U9的输出端分别连接至电容，其中一个输出端通过上拉电阻与电源相连。

如图7-9所示，为图像传感器外围电路，包括图像传感器U16，高速图像传感器控制电路通过LVDS接口将图像信息传输给处理器电路。

如图9所示，图像传感器外围电路还包括多个电容，分成三组，每组包括多个相并联的电容。

如图10-11所示，为电源管理电路。

本发明的一种高速实时识别算法，并利用FPGA实现该算法的实时处理，达到每秒1000帧图像/秒的实时图像处理速度；该算法可以实现对齿轮，水表梅花指针等形状对称运动物体的转速的实时识别。

识别算法如图12所示，采样点采样，将像素值传输至FPGA，FPGA进行傅里叶变换后传输至ARM处理器，在ARM处理器中进一步计算并判断相位是否变化，如果无变化，则表示齿轮静止，如果相位变化有小变大又变小，则脉冲输出、LCD显示，同时，累积次数，在累积次数后进一步计算瞬时转速。

其中，傅里叶变换公式：

如图14所示，本发明可识别环(屏显示意图中标识的识别区域环)上每一个像素点的像素值，这些像素值会形成一个类似于正弦函数的波形，如图13所示。

横轴为采样点，纵轴为像素值(颜色越深值越小)，则最初静止状态的齿轮会有一个波形如A，在转动过程中因为本发明拍摄速度快于每个齿位转动的速度，因此在齿轮转动中能拍摄到每个采样点像素值的变化，当波形由A变为B再变为A重合时，则可认定为一个齿位的变化。

本发明提供一种基于高速摄像的实时识别装置，同时提供一种高速识别算法，该算法能配合FPGA实现高速实时的图像识别，识别频率达到1000帧图像/秒。本发明的产品一般用于识别高速转动的水表齿轮、梅花指针等中心对称物体的实时转速，可得到超高精度的测量结果供生产、检验参考，且操作简单。本发明的产品还能提供多种不同检定方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，包括图像采集装置，用于实时采集水表齿轮的光学影像并将光学影像信息传输至图像处理装置；

所述图像处理装置将光学影像转换为电荷影像，接着转换成图像信号，图像信号又通过A/D转换器转换成数字图像信号，数字图像信号进一步传输至控制电路；

所述控制电路通过相应的接口与处理器电路相连，所述处理器电路对收到的数字信号进行初步处理并保存至内存中，处理器电路根据内存中的图像数据进行傅里叶变换处理，在处理器电路中，将采样点为横轴，像素值为纵轴，则最初静止状态的齿轮会有一个波形为第一波形，在转动过程中拍摄速度快于每个齿位转动的速度，在齿轮转动中能拍摄到每个采样点像素值的变化，当波形由第一波形变为第二波形再变为第一波形重合时，则认定为一个齿位的变化。

2.如权利要求1所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，在图像采集装置中，实时采集水表齿轮的光学影像并将光学影像信息传输至图像处理装置。

3.如权利要求1所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，图像处理装置中，将光学影像转换为电荷影像，接着转换成图像信号，图像信号又通过A/D转换器转换成数字图像信号，数字图像信号进一步传输至控制电路。

4.如权利要求1所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，所述控制电路通过相应的接口与处理器电路相连，所述处理器电路对收到的数字信号进行初步处理并保存至内存中，处理器电路根据内存中的图像数据进行识别和处理，识别和计算得出的结果，将结果输出。

5.如权利要求2所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，所述图像采集装置包括相机镜头及闪光灯，所述相机镜头摄取的光学影像。

6.如权利要求3所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，所述图像处理装置包括高速图像传感器，相机镜头摄取的光学影像成像在高速图像传感器的表面上。

7.如权利要求1所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，所述控制电路包括高速图像传感器控制电路，高速图像传感器控制电路通过LVDS接口将图像信息传输给处理器电路。

8.如权利要求7所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，所述处理器电路包括FPGA及ARM处理器，FPGA通过SPI接口对高速图像传感器进行配置，控制高速图像传感器图像的输出分辨率和拍摄速度；

FPGA通过LVDS接口，接收高速图像传感器输出的图像，并保存到内存中，处理器电路根据内存中的图像数据进行识别和处理，识别和计算得出的结果，将结果输出；

FPGA根据SPI接口中的CS_N片选信号控制一个图像传感器的工作与否，其中CS_N片选信号为高电平时图像传感器工作，反之不工作。

9.如权利要求8所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统，其特征是，所述处理器电路的输出还分别与LCD显示电路、脉冲输出电路、RS485输出电路及识别启停控制电路相连；

所述LCD显示电路，用于实时显示测试状态以及用户交互；

所述脉冲输出电路，用于有源24V脉冲输出，用于连接上位机实时输出识别的结果；

所述RS485输出电路，用于配置识别的参数以及获取计算结果；

所述识别启停控制电路，通过光耦隔离，外部电路可以接无源开关信号或有源24V电路，用于控制识别工作的开始和结束。

10.基于权利要求1-9任一所述的一种基于高速摄像的水表齿轮实时识别系统的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：利用图像采集装置对采样点进行采样；

步骤二：对采样点的图像进行处理后将像素值传输至FPGA；

步骤三：在FPGA中进行傅里叶变换后传输至ARM处理器；

步骤四：在ARM处理器中进一步计算并判断相位是否变化，如果无变化，则表示齿轮静止，如果相位变化由小变大又变小，则脉冲输出、LCD显示，同时，累积次数，在累积次数后进一步计算瞬时转速。