CN105763856A - 高速图像采集处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速图像采集处理方法及系统。所述方法包括：利用最优化模型确定所述高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块；所述任务分配控制器依次控制所述N个信号采集模块采集图像信息；从图像处理器队列中取出一个图像处理模块，并将所述信号采集模块所采集的图像信息分配给所述图像处理模块；所述图像处理器队列包括至多M个图像处理模块，并按照先进先出的原则获取图像信息。本发明还公开了一种基于上述高速图像采集处理方法实现的高速图像采集处理系统。本方法具有硬件成本低、易于实现、系统利用率高、逻辑结构简单稳定等优点。

Description

高速图像采集处理方法及系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种高速图像采集处理方法及系统。
背景技术
在实时信号处理的工程应用中，一个高速图像采集处理系统的基本工作流程为内部或外部触发、信号采集传感器采集当前信号数据、信号数据传输至信号处理器、信号处理器对数据进行计算分析处理、有的系统信号处理器将处理结果发送至运行控制器进行其它操作。在这个过程中，每一步均需要消耗时间，而时间的总和决定了系统的运行额定速度。
随着国内工业设备和系统的不断升级，其运行速度迅速上升，对于处于其中的信号处理系统的运行额定速度提出了越来越高的要求。而受限于成本、技术瓶颈等原因，容易发生信号处理系统的实际速度无法达到系统的额定速度要求的情况。对于这种情况，一般有两种方法进行处理：一是更换为更高速的传感器和处理器，但在提高速度的同时将会显著增加成本，使性价比迅速下降；二是安装多台设备并行运行，也增加了硬件成本，相比前一种方法会稍微降低成本。但是对于这种方法由于物理上的多工位串接和逻辑上的并行功能，容易占用较大的实际空间，且在逻辑控制上非常困难。由于外界干扰和内部控制的复杂性，很容易造成混乱和错误，稳定性不佳。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高速图像采集处理方法及系统，以解决现有技术中更换高速度硬件引起的性价比下降以及多台设备并行运行时导致占用较大空间以及逻辑控制困难的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种高速图像采集处理方法，该高速图像采集处理系统包括信号采集模块、图像处理模块和任务分配控制器，其中所述信号采集模块的信号输出端与所述图像处理模块的信号输入端相连接，所述任务分配控制器的信号输出端分别与所述图像采集模块的输入端和图像处理模块的控制信号输入端相连接，所述方法包括：
利用最优化模型确定所述高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块；N和M为正整数；
所述任务分配控制器依次控制所述N个信号采集模块采集图像信息；
从图像处理器队列中取出一个图像处理模块，并将所述信号采集模块所采集的图像信息分配给所述图像处理模块；所述图像处理器队列包括至多M个图像处理模块，并按照先进先出的原则获取图像信息。
可选地，所述最优化模型采用以下公式表示：
式中，N个图像采集模块的总成本为VN(N)；选择M个图像处理模块的总成本为VM(M)；每个图像采集模块采集与传输图像信息的时间为TN；每个图像处理模块处理每帧图像信息所用时间上限为TM；高速图像采集处理系统处理每帧图像信息的预设耗时TL；表示N、M为正整数。
可选地，所述任务分配控制器采用令牌环方式控制所述N个信号采集模块依次工作。
可选地，所述任务分配控制器采用令牌环方式控制所述N个信号采集模块依次工作的步骤中包括：
采用时间比较或者辅助信号幅值方式过滤误触发信号。
可选地，任务分配控制器采用队列反馈方式将所述N个信号采集模块所采集的图像信息分配给所述M个图像处理模块。
可选地，所述触发信号来自所述高速图像采集处理系统的内部时钟或者外部辅助信号。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高速图像采集处理系统，用于实现上文所述的高速图像采集处理方法，所述系统包括：N个图像采集模块、M个图像处理模块和任务分配控制器；所述N个图像采集模块的信号输出端与所述M个图像处理模块的信号输入端相连接，所述任务分配控制器的信号输出端分别与所述图像采集模块的输入端和图像处理模块的控制信号输入端相连接，N、M为正整数。
可选地，所述系统还包括最优化模型模块，用于确定所述高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块。
可选地，所述最优化模型采用以下公式获取N、M值：
由上述技术方案可知，本发明通过最优化模型确定高速图像采集处理系统所需要的N个信号采集模块和M个图像处理模块。其中，该N个信号采集模块采集图像信息的功能相同。M个图像处理模块采用图像处理器队列方式分别获取需要处理的图像信息，当图像处理模块处理完每帧图像信息后向任务分配控制器反馈信号，由后者将该图像处理模块重新加入到图像处理器队列的队尾，以此类推处理N个信号采集模块所采集的图像信息。这样可以均衡每个图像处理模块的负荷，使其可靠工作，同时也将现有技术中的串行数据处理变为并行数据处理，提高了数据处理速度。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种高速图像采集处理方法框图；
图2是本发明实施例提供的一种高速图像采集处理系统逻辑架构图；
图3是本发明实施例提供的一种采用工业相机实现的高速图像采集处理系统结构图；
图4是本发明实施例中信号采集模块信号输入输出示意图；
图5为本发明实施例提供的令牌环控制方式信号输出示意图；
图6是现有技术中信号采集处理周期误触发信号示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种高速图像采集处理方法，图2示出的高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块、M个图像处理模块和任务分配控制器，其中信号采集模块的信号输出端与图像处理模块的信号输入端相连接，任务分配控制器的信号输出端与图像采集模块的输入端和图像处理模块的控制信号输入端相连接，该方法包括：
S1、利用最优化模型确定高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块；N和M为正整数；
S2、任务分配控制器依次控制N个信号采集模块采集图像信息；
S3、从图像处理器队列中取出一个图像处理模块，并将所述信号采集模块所采集的图像信息分配给所述图像处理模块；所述图像处理器队列包括至多M个图像处理模块，并按照先进先出的原则获取图像信息。
由上述技术方案可知，本发明通过最优化模型确定高速图像采集处理系统所需要的N个信号采集模块和M个图像处理模块。其中，该N个信号采集模块采集图像信息的功能相同。M个图像处理模块采用图像处理器队列方式分别获取需要处理的图像信息，当图像处理模块处理完每帧图像信息后向任务分配控制器反馈信号，由后者将图像处理模块重新加入到图像处理器队列的队尾，以此类推处理N个信号采集模块所采集的图像信息。这样可以均衡每个图像处理模块的负荷，使其可靠长寿命工作，同时也将现有技术中的串行数据处理变为并行数据处理，提高了数据处理速度。
为验证本发明实施例提供的一种高速图像采集处理方法的优越性，本发明实施例采用工业相机采集系统进行验证。
如图2所示，本发明实施例提供的高速图像采集处理系统，包括：图像采集模块、图像处理模块和任务分配控制器。其中，所述图像采集模块包括N个工业相机和一些光学组件，这N个工业相机交替工作，由任务分配控制器负责协调控制。图像处理模块包含M个图像处理器，亦由任务分配控制器负责协调控制。
首先，介绍S1、利用最优化模型确定高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块的步骤。
设所选定的工业相机每帧图像采集传输时间为TN，所选定的图像处理器每帧图像最多计算处理时间为TM，且图像处理系统每帧图像总耗时不能超过TL。若TN+TM>TL，则需对该高速图像采集处理系统进行优化改进。利用工业相机和图像处理器的参数指标以及最优化模型确定该高速图像采集处理系统的硬件配置方案，即该高速图像采集处理系统包括N个工业相机和M个图像处理器。
本发明实施例中以硬件成本最小化为优化目标，最终选定的工业相机个数N和图像处理模块个数M通过以下最优化模型确立：
式中，N个图像采集模块的总成本为VN(N)；选择M个图像处理模块的总成本为VM(M)；每个图像采集模块采集与传输图像信息的时间为TN；每个图像处理模块处理每帧图像信息所用时间上限为TM；高速图像采集处理系统处理每帧图像信息的预设耗时TL；表示N、M为正整数。
需要说明的是，图像采集模块的总成本VN(N)与图像处理模块的总成本为VM(M)是两个不同的函数；argmin()用于求取括号中VN(N)与VM(M)之和最小时所对应的M、N的取值。
根据式(1)的复杂度可以选择解析方式求解，也可以选择穷举方式求解。因为在实际工业设计中N和M的可选范围是较为有限的，所以采用穷举法是可行的。
其次，介绍S2、任务分配控制器依次控制N个信号采集模块采集图像信息。
如图3所示，本发明实施例中，N个工业相机在同一个工位上并行连接，包括N个相机、(N-1)个45°放置的半透半反镜、1个45°放置的反射镜。在每次触发时N个工业相机有一个被选中进行触发拍摄。该N个工业相机距离待拍摄物体的光程一致，所以其所拍摄的图像基本相同。其中，基本相同是指，不同工业相机所拍摄的图像信息存在误差，但是误差在预设误差范围以内，不影响对图像信息的处理与分析。
需要说明的是，(N-1)个半透半反镜并不是一样的，如图3所示，受到视野的影响，工业相机1下的半透半反镜要求尺寸最大，后面的逐步缩小，工业相机N下面的反射镜可以最小。另外，工业相机1下的半透半反镜其反射率应设计为1/N，工业相机2的反射率为1/(N-1)，…，相机N-1的反射率为1/2。工业相机N下安装的是反射镜。
如图4所示，触发信号来源于外部传感器触发或内部时钟。工业相机控制信号(如图4中示出的控制信号1、控制信号2、……控制信号N)来源于任务分配控制器。实际上任务分配控制器对N个工业相机起到了触发信号的选择分配的作用。在同一时刻最多有1个工业相机处于被选中状态，即N个工业相机控制信号同一时刻有0个或1个输出为有效控制信号，其余全部输出为0。
为实现同一时刻最多有1个工业相机处于被选中状态，本发明实施例中，任务分配控制器采用令牌环方式控制所述N个信号采集模块，如图5所示，包括：
S21、令牌在N个工业相机控制信号间传递，即开始时令牌属于工业相机控制信号1，然后依次传递给工业相机控制信号2、工业相机控制信号3、…、工业相机控制信号N，再传回工业相机控制信号1，以此类推。
S22、某个工业相机控制信号在接收到令牌时信号输出由无效控制信号变为有效控制信号。
S23、某个工业相机控制信号状态为有效控制信号时若接收到触发上升沿，则按照第一预设时间保持当前状态。该第一预设时间可以进行设置，本发明不作限定。当然，也可以通过辅助信号保持该当前状态。
S24、某个工业相机控制信号在状态为有效控制信号时若接收到触发上升沿，则保留令牌第二预设时间，然后按照令牌交递顺序将令牌递交给下一个控制输出。该第二预设时间可以进行设置，本发明不作限定。当然，也可以通过辅助信号保持该当前状态。
上述过程需要保证步骤S23早于步骤S24完成。设步骤S23的第一预设时间为tms，步骤S24的规则是辅助信号为编码器信号的M个编码器信号获得。开始状态工业相机控制信号1输出状态为有效控制信号，手持令牌，其它工业相机控制信号均为无效控制信号。当接收到触发上升沿时开始计时和编码计算，当达到tms时工业相机控制信号1状态由有效控制信号变为无效控制信号，当获得达到M个编码器信号时将令牌递交给工业相机控制信号2。工业相机控制信号2收到令牌后立即将自身状态由无效控制信号变为有效控制信号，然后重复上述流程，以此类推。直至令牌在工业相机控制信号N手中完成步骤S24时，将令牌重新交还工业相机控制信号1手中。
本发明实施例中，在任务分配控制器采用令牌环方式控制所述N个信号采集模块以实现同一时刻只有一个信息采集模块处于选中状态的步骤中还包括：采用时间比较或者辅助信号幅值方式过滤误触发信号。
也就是说，本发明实施例中步骤S23和步骤S24的间隙，在所有工业相机控制信号均为无效控制信号的阶段为滤波段，即在该滤波段内所有触发(如图5所示)，被认为无效。由于通过合理的参数配置可以预估触发可能到来的大致时刻(即两个触发信号之间的时间是可以预测的，如果两个触发信号之间的时间过短，则认为第二个触发信号为误触发信号)或编码器信号段(编码器信号值基本上是定值，当偏离过大或者过小时，则认为误触发)等，所以在正常状态下不可能产生触发的阶段设置为滤波段即可有效地实现误触发等外部干扰的影响。
如图5所示，各工业相机控制信号与触发“与”操作输出给每个工业相机。“与”操作后的输出在图5中表示出来。可以发现，所得到的输出已经对每个子流程完成任务的分配，每个子流程以N个触发为周期被触发，同时已经过滤掉误触发。
最后，介绍S3、从图像处理器队列中取出一个图像处理模块，并将所述信号采集模块所采集的图像信息分配给所述图像处理模块；所述图像处理器队列包括至多M个图像处理模块，并按照先进先出的原则获取图像信息的步骤。
本发明实施例中，任务分配控制器采用图像处理器队列即队列反馈方式控制M个图像处理器。当M个图像处理模块同处于一个处理器时，该部分的任务分配控制器可以直接在图像处理模块内部完成。任务分配控制器在该部分的工作流程包括：
S31、将M个图像处理模块逐一加入到图像处理器队列中，所有图像处理模块的控制信号均为无效控制信号；
S32、从图像处理器队列取出一个备选图像处理模块M1，设置图像处理模块M1的控制信号为有效控制信号；
S32、收到触发信号后，图像处理模块M1开始处理图像信息；并在预设时间后触发信号变为无效控制信号；
S33、当图像处理模块M1处理完图像信息后向任务分配控制器发送反馈控制信号；
S34、任务分配控制器将图像处理模块M1加入到图像处理器队列的队尾。
按照内部时钟或外部辅助信号输入，经过一段时间的滤波后，从队列中取出下一个图像处理器，并将该图像处理器的控制信号变为有效控制信号。任务分配控制器收到触发信号后，按照内部时钟或外部辅助信号输入，等待一段时间后将该图像处理器控制信号由有效控制信号变为无效控制信号。若该图像处理器完成一帧图像信息处理处于空闲状态时，向任务分配控制器发送反馈控制信号，后者将该图像处理器加入到图像处理器队列的队尾。以此类推，重复上述步骤S32～S34。
需要说明的是，上述图像处理器队列中图像处理器的个数除第一次时为M个图像处理器，之后的其他时刻该图像处理器队列中图像处理器的个数是不确定的，这是因为有取出的图像处理器正在处理图像信息，处理完成时间是不确定的。只有该图像处理器完成图像信息处理工作后处于空闲时才向任务分配控制器发送反馈控制信号，后者将该图像处理器加入到图像处理器队列的队尾。
需要说明的是，本发明实施例中，某个图像处理器的图像处理模块控制信号由有效控制信号变为无效控制信号一定要早于从队列中取出下一个图像处理器，否则将会造成同时有两个图像处理器被选中的状态；从队列中取出图像处理器的顺序不一定始终按照M1、M2、M3、…的顺序，因为图像处理模块反馈的时间不确定，所以除了前M次队列取出按照上述顺序外，后面的顺序完全按照运行过程中加入队列的顺序进行，这与每次的运行时间相关。
本发明实施例中采用反馈方式和图像处理器队列的选择方式可以保证高速图像处理系统中每个图像处理器的负荷比较均衡，防止串行工作中部分图像处理器负荷过大，影响图像信息处理速度、图像处理器运行稳定性和寿命等的问题。同时，本发明实施例采用带滤波的令牌环方式控制信号采集模块，可以很大程度上规避误触发带来的影响。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高速图像采集处理系统，用于实现上文所述的高速图像采集处理方法，如图2所示，所述系统包括：N个图像采集模块、M个图像处理模块和任务分配控制器；所述N个图像采集模块的信号输出端与所述M个图像处理模块的信号输入端相连接，所述任务分配控制器的信号输出端分别与所述图像采集模块的输入端和图像处理模块的控制信号输入端相连接，N、M为正整数。
可选地，所述系统还包括最优化模型模块，用于确定所述高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块。
可选地，所述最优化模型采用以下公式获取N个信号采集模块和M个图像处理模块：
需要说明的是，由于本发明实施例提供的高速图像采集处理系统基于上文所述的高速图像采集处理方法实现，因而可以与方法一样，解决相同的技术问题、达到相同的技术效果，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的高速图像采集处理方法及系统，将一个时序上串行的任务分解为多个并行执行的任务，通过任务分配控制器的合理调度，各模块均可达到改造前的原系统的最高使用率，且不会造成硬件上的浪费。从而将系统额定速度显著提升。虽然需要增加一部分硬件，但是成本增加的倍数不大于额定速度增加的倍数，比起更换更高速硬件的方法成本往往低很多；
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种高速图像采集处理方法，其特征在于，该高速图像采集处理系统包括信号采集模块、图像处理模块和任务分配控制器，其中所述信号采集模块的信号输出端与所述图像处理模块的信号输入端相连接，所述任务分配控制器的信号输出端分别与所述图像采集模块的输入端和图像处理模块的控制信号输入端相连接，所述方法包括：
利用最优化模型确定所述高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块；N和M为正整数；
所述任务分配控制器依次控制所述N个信号采集模块采集图像信息；
从图像处理器队列中取出一个图像处理模块，并将所述信号采集模块所采集的图像信息分配给所述图像处理模块；所述图像处理器队列包括至多M个图像处理模块，并按照先进先出的原则获取图像信息。
2.根据权利要求1所述的高速图像采集处理方法，其特征在于，所述最优化模型采用以下公式表示：
式中，N个图像采集模块的总成本为VN(N)；选择M个图像处理模块的总成本为VM(M)；每个图像采集模块采集与传输图像信息的时间为TN；每个图像处理模块处理每帧图像信息所用时间上限为TM；高速图像采集处理系统处理每帧图像信息的预设耗时TL；其中，表示N、M为正整数。
3.根据权利要求1所述的高速图像采集处理方法，其特征在于，所述任务分配控制器采用令牌环方式控制所述N个信号采集模块依次工作。
4.根据权利要求3所述的高速图像采集处理方法，其特征在于，所述任务分配控制器采用令牌环方式控制所述N个信号采集模块依次工作的步骤中包括：
采用时间比较或者辅助信号幅值方式过滤误触发信号。
5.根据权利要求1所述的高速图像采集处理方法，其特征在于，
任务分配控制器采用队列反馈方式将所述N个信号采集模块所采集的图像信息分配给所述M个图像处理模块。
6.根据权利要求5所述的高速图像采集处理方法，其特征在于，所述触发信号来自所述高速图像采集处理系统的内部时钟或者外部辅助信号。
7.一种高速图像采集处理系统，用于实现权利要求1～6任意一项所述的高速图像采集处理方法，其特征在于，所述系统包括：N个图像采集模块、M个图像处理模块和任务分配控制器；所述N个图像采集模块的信号输出端与所述M个图像处理模块的信号输入端相连接，所述任务分配控制器的信号输出端分别与所述图像采集模块的输入端和图像处理模块的控制信号输入端相连接，N、M为正整数。
8.根据权利要求7所述的高速图像采集处理系统，其特征在于，所述系统还包括最优化模型模块，用于确定所述高速图像采集处理系统包括N个信号采集模块和M个图像处理模块。
9.根据权利要求7所述的高速图像采集处理系统，其特征在于，所述最优化模型采用以下公式获取N、M值：
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