CN106412474B - 一种高速无损超高清工业视觉检测方法及系统 - Google Patents

一种高速无损超高清工业视觉检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高速无损超高清工业视觉检测方法及系统。本发明方法在离线组态阶段，由超高清图像传感器、ISP处理模块、视觉检测模块、硬件时钟同步模块等组成的智能相机单元通过光纤远程传输高分辨率RAW数据和RGB图像数据到计算机进行检测算法和控制逻辑生成；在高速在线运行阶段，由视觉检测模块进行检测运算，标记特征影像，然后通过光纤远程传输到高速录播单元进行记录，并在计算机上异步显示。本发明通过FPGA模块对原始RAW数据和RGB图像数据直接视觉检测处理，并通过多通道光纤远程同步记录，能够有效保障高速超高清视觉检测系统的实时性。

Description

一种高速无损超高清工业视觉检测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种高速无损超高清工业视觉检测方法及系统，属于工业摄像机及工业机器视觉计算机检测领域，尤其是高速超高清机器视觉检测领域。
背景技术
随着先进制造业的发展，高精密制造对计算机机器视觉检测技术的要求越来越高。因此大幅面视觉在线检测的速度能否够满足快速生产的需要，一方面要求工业相机有更的性能，另一方面要求计算速度和资源消耗的平衡维持在一定的水平。目前机器视觉检测系统主要有两种模式，一种是智能相机独立运行，主要用于简单工件定位或瑕疵检测，使用小幅面图像；另一种是工业相机通过网络将采集到的影像传输到计算机，由计算机进行视觉检测处理和控制输出，随着超高清影像在生产中的应用需求越来越多，同时对检测速度和同步性提出了一定的要求，因此这一方式所固有的超大图像数据并行处理、高带宽图像传输瓶颈、计算资源消耗巨大等问题难以解决。
目前已公开的资料都是针对单一局部技术，在现有技术规范框架内的改进。如发明CN201510278504.4公布了一种基于FPGA数据采集板PCI-E接口连接存储设备的广播级高速高清摄像机；发明CN201510236574.3公布了一种嵌入式FPGA和DSP双系统的高速双目视觉系统；发明CN200610016520.7公布了一种连接高速相机和图像存储系统通过光纤链路装置。本发明从嵌入式工业高速摄影设备架构和机器视觉检测系统两方面协同解决的角度提出了新的方法和系统设计，能够有效满足未来高速、超高清工业视觉检测的系统需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种高速超高清工业视觉检测方法及系统，能够提供具有高实时性的超清大幅面图像检测方案，为高精密制造的在线检测提供技术保障。
实现上述目的的技术方案：
一种高速无损超高清工业视觉检测系统，包括智能相机单元、超高速通信转换单元、计算机显示组态单元、高速录播单元。所述智能相机单元采集被检测对象的超高清图像数据，以高分辨路RAW数据和RGB图像数据两种方式进行视觉检测处理运算和逻辑控制运算，同时将处理后并进行标识标记的特征影像通过超高速通信转换单元传输到高速录播单元进行记录并缓存，计算机显示和组态单元通过标准通信接口从超高速通信转换单元进行异步读取并显示特征影像，实现对检测系统的监控。
上述智能相机单元由镜头、超高清图像传感器、ISP处理FPGA模块、视觉检测FPGA模块、硬件时钟同步模块、硬件触发模块、硬件输入输出模块、传输控制接口模块组成。所述ISP处理FPGA模块控制超高请图像传感器对被检测对象进行图像采样，其时钟和快门由硬件时钟同步模块和硬件触发模块进行控制和设定，以便与其他智能相机或远程系统进行同步；所述视觉检测FPGA模块接收ISP处理FPGA模块的输出RAW数据和RGB图像数据，并按照来自计算机显示和组态单元的预定义检测算法和逻辑控制算法进行运算，通过硬件输入输出模块与工业现场设备进行信号交互；视觉检测FPGA模块包含一个或多个FPGA处理器和存储器芯片；所述传输控制接口模块通过并行总线获得ISP处理FPGA模块输出的RAW数据和RGB图像数据，同时通过并行总线获得视觉检测FPGA模块输出的标识标记后的特征图像，然后通过多通道光纤接口传输到外部超高速通信转换单元。
上述超高速通信转换单元具有多个光纤输入输出通道和多个标准图像视频接口，实现将来自智能相机的非标准影像数据转换为标准格式的影像数据，与计算机显示组态单元通过标准图像视频接口进行连接，与高速录播单元通过光纤通道进行连接。
上述计算机显示组态单元通过超高速通信转换单元与智能相机进行远程连接，实现计算机检测算法和控制逻辑的生成和传输，以及从超高速通信转换单元进行异步读取并显示特征影像，实现对检测系统的监控，并可从高速录播单元调取特征影像。
利用上述的高速无损超高清工业视觉检测系统的检测方法的具体操作步骤如下：
（1） 在离线组态阶段，智能相机单元通过超高清图像传感器采集被检测对象的图像，生成高分辨率RAW数据，由ISP处理FPGA模块进行预处理，并生成高分辨率的高分辨率RGB图像数据；
（2） RAW数据和RGB图像数据同时通过传输控制接口模块，经超高速通信转换单元，传输到计算机显示组态单元；
（3） 计算机显示组态单元根据检测要求，对RAW数据和RGB数据进行处理，生成相应的计算机检测算法和控制逻辑，重复对被检测对象进行图像采样，直到检测效果满足生产要求，然后下载算法和控制程序到智能相机中，由视觉检测FPGA模块运行，从而进入在线高速运行状态中；
（4） 在线高速运行阶段，智能相机由硬件或软件触发对被检测对象的图像采样，由ISP处理FPGA模块生产高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据，通过内部并行总线发送到视觉检测FPGA模块和传输控制接口模块；视觉检测FPGA模块按照下载的计算机检测算法和控制逻辑，对高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据进行处理，生成被检测对象的特征影像，并进行标识标记，控制逻辑的处理结果由硬件输入输出模块与生产设备进行信息交互，从而完成一次视觉检测；当下一次硬件或软件触发智能相机时，开始下一次视觉检测；
（5） 同时，视觉检测FPGA模块将标识过的特征影像通过内部并行总线传输到传输控制接口模块；
（6） 传输控制接口模块通过光纤通信将高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据，以及标识标记过的特征影像发送到超高速通信转换单元，一方面继续转发到高速录播单元进行记录存储，另一方面转发到计算机显示组态单元，对检测过程进行监控。
采用上述技术方案，本专利有益的技术效果在于：
（1）视觉检测采用高分辨率RAW数据和高分辨率RGB数据进行处理，避免了影像格式标准化处理造成的信息丢失；
（2）采用检测算法离线组态、嵌入式多FPGA高速在线运行的方式，能够在有效处理大幅面超高清影像时，避开通信传输通道带宽限制，保障在线检测的实时性；
（3）由多通道光纤连接智能相机、通信转换单元和高速录播单元，形成实时同步数据保存系统，而计算机可以只对特征影像进行异步监控，避免了计算机系统中标准化接口和通道的带宽和容量限制；
（4）通过多通道光纤传输，能够进行影像数据远距离传输，更加适合恶劣的工业现场环境，保障传输可靠性。
附图说明
图1为一种高速无损超高清工业视觉检测系统的总体结构图。
图2为高速无损超高清工业视觉检测方法离线组态阶段的流程图。
图3为高速无损超高清工业视觉检测方法在线运行阶段的流程图。
具体实施方式
一种高速无损超高清工业视觉检测系统，如图1所示，包括智能相机单元1.1、超高速通信转换单元1.3、计算机显示组态单元1.2、高速录播单元1.4。所述智能相机单元1.1采集被检测对象的超高清图像数据，以高分辨率RAW数据和RGB图像数据两种方式进行视觉检测处理运算和逻辑控制运算，同时将处理后并进行标识标记的特征影像通过超高速通信转换单元1.3传输到高速录播单元1.4进行记录并缓存，计算机显示和组态单元1.2通过标准通信接口从超高速通信转换单元1.3进行异步读取并显示特征影像，实现对检测系统的监控。
如图1所示的智能相机单元1.1由镜头1.5、超高清图像传感器1.6、ISP处理FPGA模块1.7、视觉检测FPGA模块1.8、硬件时钟同步模块1.9、硬件触发模块1.10、硬件输入输出模块1.11、传输控制接口模块1.12组成。所述ISP处理FPGA模块1.7控制超高请图像传感器1.6对被检测对象进行图像采样，其时钟和快门由硬件时钟同步模块1.9和硬件触发模块1.10进行控制和设定，以便与其他智能相机或远程系统进行同步；所述视觉检测FPGA模块1.8接收ISP处理FPGA模块1.7输出的高分辨率RAW数据和RGB图像数据，并按照来自计算机显示组态单元1.2的检测算法和逻辑控制算法进行运算，通过硬件输入输出模块1.11与工业现场设备进行信号交互；视觉检测FPGA模块1.8包含一个或多个FPGA处理器和存储器芯片；所述传输控制接口模块1.5通过并行总线获得ISP处理FPGA模块1.7输出的RAW数据和RGB图像数据，同时通过并行总线获得视觉检测FPGA模块1.8输出的标识标记后的特征影像，然后通过传输控制接口1.5的多通道光纤通信传输到外部的超高速通信转换单元1.3。
如图1所示的超高速通信转换单元1.3具有多个光纤输入输出通道和多个标准图像视频接口，实现将来自智能相机的非标准影像数据转换为标准格式的影像数据，与计算机显示组态单元1.2通过标准图像视频接口进行连接，与高速录播单元1.4通过光纤通道进行连接。
如图1所示的计算机显示组态单元1.2通过超高速通信转换单元1.3与智能相机单元1.1进行远程连接，实现离线算法组态和在线运行监控功能，并可从高速录播单元1.4调取特征影像。
如图2离线组态阶段和图3所示，本发明一种高速无损超高清工业视觉检测方法的具体操作步骤如下：
（1）在离线组态阶段，首先进行被检测对象到位2.1操作，然后由硬件或软件触发相机2.2，智能相机单元1.1通过超高清图像传感器1.6采集被检测对象的图像，由ISP处理FPGA模块1.7进行ISP图像处理2.3，并生成高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据；
（2）高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据传输2.4同时通过传输控制接口模块1.5，经超高速通信转换单元1.3，传输到计算机显示组态单元1.2；
（3）计算机显示组态单元1.2根据检测要求，对RAW数据和RGB数据进行处理，完成计算机检测算法和控制逻辑生成2.5；重复对被检测对象进行图像采样，直到判断检测效果满足2.6符合生产检测要求，然后下载算法和控制程序2.8到智能相机单元1.1中，由视觉检测FPGA模块1.8运行，从而进入在线高速运行阶段；
（4）在线高速运行阶段，智能相机单元1.1由硬件或软件触发相机3.2对被检测对象的图像采样，由ISP处理FPGA模块1.7产生高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据，通过内部并行总线进行高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据传输3.4，发送到视觉检测FPGA模块1.8和传输控制接口模块1.5；视觉检测FPGA模块1.8执行视觉检测和逻辑控制算法运行3.5，对高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据进行处理，生成被检测对象的特征影像，并进行特征影像标识标记3.6，控制逻辑的处理结果由硬件输入输出模块1.11与生产设备进行信息交互，从而完成一次视觉检测；当下一次硬件或软件触发智能相机3.2时，开始下一次视觉检测；
（5）同时，视觉检测FPGA模块1.8将标识过的特征影像通过内部并行总线进行特征影像传输3.7，送到传输控制接口模块1.5；
（6）传输控制接口模块1.5通过光纤通信1.12将高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据，以及标识标记过的特征影像发送到超高速通信转换单元1.3，一方面继续转发到高速录播单元1.4进行记录存储，另一方面转发到计算机显示组态单元1.2，对检测过程进行监控。

Claims (2)

1.一种高速无损超高清工业视觉检测系统，包括智能相机单元、超高速通信转换单元、计算机显示组态单元、高速录播单元，其特征在于：
（1）所述的智能相机单元由镜头、超高清图像传感器、ISP处理FPGA模块、视觉检测FPGA模块、硬件时钟同步模块、硬件触发模块、硬件输入输出模块、传输控制接口模块组成；
（2）所述ISP处理FPGA模块控制超高清图像传感器对被检测对象进行图像采样，其时钟和快门由硬件时钟同步模块和硬件触发模块进行控制和设定，以便与其他智能相机或远程系统进行同步；
（3）所述视觉检测FPGA模块接收ISP处理FPGA模块输出的高分辨率RAW数据和RGB图像数据，并按照来自计算机显示组态单元的检测算法和逻辑控制算法进行运算，通过硬件输入输出模块与工业现场设备进行信号交互；视觉检测FPGA模块包含一个或多个FPGA处理器和存储器芯片；
（4）所述传输控制接口模块通过并行总线获得ISP处理FPGA模块输出的RAW数据和RGB图像数据，同时通过并行总线获得视觉检测FPGA模块输出的标识标记后的特征影像，然后通过传输控制接口的多通道光纤通信传输到外部的超高速通信转换单元；
（5）所述的超高速通信转换单元具有多个光纤输入输出通道和多个标准图像视频接口，实现将来自智能相机单元的非标准影像数据转换为标准格式的影像数据，与计算机显示组态单元通过标准图像视频接口进行连接，与高速录播单元通过光纤通道进行连接；
（6）所述的计算机显示组态单元通过超高速通信转换单元与智能相机单元进行远程连接，实现计算机检测算法和控制逻辑的生成和传输，以及从超高速通信转换单元进行异步读取并显示特征影像，实现对检测系统的监控，并可从高速录播单元调取特征影像。
2.一种利用权利要求1所述的高速无损超高清工业视觉检测系统的检测方法，其特征在于，其具体操作步骤如下：
（1）在离线组态阶段，首先进行被检测对象到位操作，然后由硬件或软件触发相机，智能相机单元通过超高清图像传感器采集被检测对象的图像，由ISP处理FPGA模块进行ISP图像处理，并生成高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据；
（2）高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据传输同时通过传输控制接口模块，经超高速通信转换单元，传输到计算机显示组态单元；
（3）计算机显示组态单元根据检测要求，对RAW数据和RGB数据进行处理，完成计算机检测算法和控制逻辑生成；重复对被检测对象进行图像采样，直到判断检测效果满足符合生产检测要求，然后下载算法和控制程序到智能相机单元中，由视觉检测FPGA模块运行，从而进入在线高速运行阶段；
（4）在线高速运行阶段，智能相机单元由硬件或软件触发相机对被检测对象的图像采样，由ISP处理FPGA模块产生高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据，通过内部并行总线进行高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据传输，发送到视觉检测FPGA模块和传输控制接口模块；视觉检测FPGA模块执行视觉检测和逻辑控制算法运行，对高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据进行处理，生成被检测对象的特征影像，并进行特征影像标识标记，控制逻辑的处理结果由硬件输入输出模块与生产设备进行信息交互，从而完成一次视觉检测；当下一次硬件或软件触发智能相机时，开始下一次视觉检测；
（5）同时，视觉检测FPGA模块将标识过的特征影像通过内部并行总线进行特征影像传输，送到传输控制接口模块；
（6）传输控制接口模块通过光纤通信将高分辨率RAW数据和高分辨率RGB图像数据，以及标识标记过的特征影像发送到超高速通信转换单元，一方面继续转发到高速录播单元进行记录存储，另一方面转发到计算机显示组态单元，对检测过程进行监控。
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