CN108076295B - 一种基于多维码的机器视觉通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效率的基于多维码的机器视觉通信系统，属于危险品生产线或仓储作业的通讯领域。包括发送端和接收端；且发送端和接收端均包括如下模块：LED多维码显示矩阵、LED多维码显示控制电路、物理层协议分析处理模块、多维码解码器、传感器曝光同步控制电路和全局曝光高速传感器；其中，发送端和接收端中相同名称的模块互为逆过程。本发明在一个信息块中能够传输多bit信息；增加图像刷新速度，解决图像刷新与视觉传感器曝光的同步问题。

Description

一种基于多维码的机器视觉通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于多维码的机器视觉通信系统，属于危险品生产线或仓储作业的通讯领域。
背景技术
目前，在工业自动化领域中无线通信技术应用广泛，相对于传统有线通信技术，该技术无需物理路线，有效去除铺设电缆的繁琐步骤，消除复杂工业环境对无线技术的影响。然而在危险品生产线或仓储作业过程中，许多无线通信技术受到了使用限制，WLAN通信存在窃听、篡改数据等风险；无线射频技术由于其辐射特性对危险品的性能产生影响，导出安全问题的发生。基于视觉的通信技术不受频谱管理限制，并且通信设备之间互不干扰，可解决危险品领域的无线通信问题。
当前使用二维码的视觉通信系统，有如下缺陷：
1.使用二维码作为图像表现形式：
缺点：二维码中每个黑白块，只能传输1bit信息，限制传输带宽。
2.二维码显示载体使用液晶显示器：
缺点1：二维码图像刷新速度低，限制传输带宽。
缺点2：二维码图像刷新与摄像机曝光时间没有同步，图像刷新速度至少低于摄像机曝光频率的1/2，进一步限制了传输带宽。
发明内容
本发明的目的是克服当前使用二维码的视觉通信系统存在限制传输带宽、图像刷新速度低为主的技术缺陷，提出了一种基于多维码的机器视觉通信系统；该系统解决了如下两个核心问题：1)在一个信息块中，实现多bit信息的传输；2)增加图像刷新速度，解决图像刷新与视觉传感器曝光的同步问题。
本发明所提的一种基于多维码的机器视觉通信系统，包括发送端和接收端；且发送端和接收端均包括如下模块：第一LED多维码显示矩阵、第一LED多维码显示控制电路、第一物理层协议分析处理模块、第一多维码解码器、第一传感器曝光同步控制电路、第一全局曝光高速传感器；第二全局曝光高速传感器、第二传感器曝光同步控制电路、第二多维码解码器、第二物理层协议分析处理模块、第二LED多维码显示控制电路以及第二LED多维码显示矩阵；
上述各个模块的连接关系如下：
第一LED多维码显示矩阵与第一ED多维码显示控制电路相连，第一LED多维码显示控制电路与第一物理层协议分析处理模块相连；第一物理层协议分析处理模块与第一多维码解码器相连，第一多维码解码器与第一传感器曝光同步控制电路相连，第一传感器曝光同步控制电路和第一全局曝光高速传感器相连；
第二全局曝光高速传感器与第二传感器曝光同步控制电路相连、第二传感器曝光同步控制电路与第二多维码解码器相连、第二多维码解码器与第二物理层协议分析处理模块相连、第二物理层协议分析处理模块与第二LED多维码显示控制电路相连，第二LED多维码显示控制电路与第二LED多维码显示矩阵相连。
发送端包含如下模块：第一LED多维码显示矩阵、第一LED多维码显示控制电路、第一物理层协议分析处理模块、第一多维码解码器、第一传感器曝光同步控制电路、第一全局曝光高速传感器；接收端包括如下模块：第二全局曝光高速传感器、第二传感器曝光同步控制电路、第二多维码解码器、第二物理层协议分析处理模块、第二LED多维码显示控制电路以及第二LED多维码显示矩阵；
其中，发送端和接收端中相同名称的模块互为逆过程；
其中，第一及第二LED多维码显示矩阵，由多个发光二极管排列成矩阵形状，矩阵形状被区分成如下4个区域：
1)识别标记区域：分布在矩阵区域的边缘位置，分为最亮参考点和最暗参考点两类：
①最亮参考点：指示显示矩阵中，亮度最大值标识点；
②最暗参考点：指示显示矩阵中，亮度最小值标识点；
2)数据区域：是有效数据传输区域，由多个发光二极管组成，亮度值介于最亮参考点和最暗参考点之间；
3)校验区域：提供校验数据，由多个发光二极管组成，亮度值介于最亮参考点和最暗参考点之间；
4)广播同步序列标识区域：接收端用于解调数据发送周期和时刻的参考区域；由多个发光二极管组成，发送的帧周期基础上，又将每个周期分为多个相位，每个发光二极管亮暗的时间相位各不相同；
第一及第二LED多维码显示控制电路又包括发送数据的比特位并串转换模块、多维度比特重组模块以及LED亮度控制模块；LED多维码显示控制电路接收物理层发送的数据，并将数据转化为控制LED矩阵亮暗的脉冲信号；
第一及第二LED多维码显示控制电路中发送数据的比特位并串转换模块将需要发送的多位宽有效数据，转换成单比特序列；
多维度比特重组模块根据现实传感器亮度级数分辨率，确定多维度数量，并重组多维度比特序列；
LED亮度控制模块基于每个LED通过独立的亮度控制电路控制LED亮度，并重组数据，调整LED开关脉冲占空比，实现LED的亮度值与多维重组数据值相对应；
发送端的第一物理层协议分析处理模块，即物理层协议分析处理模块(1)将有效数据拆分为多个包，每个数据包添加各自的校验信息；
接收端的第二物理层协议分析处理模块，即物理层协议分析处理模块(2)将获得的数据减掉校验信息，校验不通过，则发送端重新发包，如果数据校验通过，开始组包；
第一及第二多维码解码器包括如下功能模块：多维码标识区域定位模块、分割多维矩阵区域模块、亮度归一化模块、最小数据块分割模块、亮度分割模块以及数据重组模块；第一及第二多维码解码器将数字图像数据解码为第一及第二物理层协议分析模块所需要的数据信息；
其中，第一及第二多维码解码器中的多维码标识区域定位模块具体通过图像二值化处理、标识区域的模板匹配的方式，获得矩阵区域在图像中的具体坐标位置、角度为主的信息；
分割多维矩阵区域模块将多维矩阵区域从原图中截取，并存储到的对应的内存空间中；
亮度归一化模块根据标识最亮参考点和标识最暗参考点的亮度值和位置分部，对多维矩阵区进行亮度归一化处理，消除区域亮度值的差别；
最小数据块分割模块将矩阵区域的每个LED对应的图像数据进行提取；
亮度分割模块：根据维度级数，根据每个最小亮度数据块的亮度值转换为多位宽数据；
数据重组模块将多位宽数据进行并串转换，排列为1比特序列，再将1比特序列进行分割重组为字节序列；
传感器曝光同步电路模块广播同步序列同步模块以及曝光周期和相位调整模块；
其中，传感器曝光同步电路模块中的广播同步序列同步模块对接收不同曝光周期和相位的图片，进行广播同步区域的图像块与协议规定的亮暗序列进行最大似然估计，计算出最佳曝光周期和相位；
曝光周期和相位调整模块的功能是接入高精度晶振，参考周期计数器和相位计数器的变化，生成图像传感器的曝光触发信号；
全局高速曝光传感器为全局曝光、高帧率以及LVDS接口的图像传感器。
有益效果
本发明一种高效率的基于多维码的机器视觉通信系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.在一个信息块中，实现多bit信息的传输；
2.增加图像刷新速度，解决图像刷新与视觉传感器曝光的同步问题。
附图说明
图1是本发明所述一种高效率的基于多维码的机器视觉通信系统的示意图；
图2是本发明所述的一种高效率的基于多维码的机器视觉通信系统中具体实施时LED多维码显示矩阵的示意图；
图3是本发明所述的多维码图案中帧和相位的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明所述的一种高效率的基于多维码的机器视觉通信系统进行详细阐述。
实施例1
本实施例叙述了本发明所述一种高效率的基于多维码的机器视觉通信系统的具体实施。如图1所示，为本发明所述的机器视觉通信系统的框架示意图。从图中可以看到，该机器视觉通信系统主要包括发送端和接收端：其中，发送端包括：第一LED多维码显示矩阵；第一LED多维码显示控制电路；第一物理层协议分析处理、第一多维码解码器、第一传感器曝光同步控制电路、第一全局曝光高速传感器；接收端包括如下模块：第二全局曝光高速传感器、第二传感器曝光同步控制电路、第二多维码解码器、第二物理层协议分析处理模块、第二LED多维码显示控制电路以及第二LED多维码显示矩阵；
具体到本实施例的实施，LED(发光二极管)多维码显示矩阵，如图2所示。从图2可以看出：100个发光二极管排成10x10矩阵形状，并被区分成如发明内容所述的4个区域：识别标记区域、校验区域、数据区域和广播同步序列标识区域，灯柱响应频率大于1MHz。
LED多维码显示控制电路中的多维度比特重组模块根据现实传感器亮度级数分辨率，确定多维度数量，并重组；具体实施时多维度比特序列亮度分辨率为2048级，那么11位2bit数据组成一个多维度比特数。
图3是本发明具体实施时多维码图案中帧和相位的关系示意图；图中帧率为1000Hz，相位分辨率是0.1ms；本实例具体实施时，接收端图像传感器的亮度级别可以分为2048级别，那么LED灯柱的亮暗也需要通过占空比调整亮度到2048级，用11bit位宽表示。
图3中，针对3个不同相位0.1ms、0.2ms和0.3ms，同一帧识别标记区域、数据区域、校验区域的亮度值不变，广播同步序列标识区域，灯柱亮度值按照相位进行先后明暗变化。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于多维码的机器视觉通信系统，其特征在于：包括发送端和接收端；
发送端包括依次连接的如下模块：第一LED多维码显示矩阵、第一LED多维码显示控制电路、第一物理层协议分析处理模块、第一多维码解码器、第一传感器曝光同步控制电路、第一全局曝光高速传感器；接收端包括依次连接的如下模块：第二全局曝光高速传感器、第二传感器曝光同步控制电路、第二多维码解码器、第二物理层协议分析处理模块、第二LED多维码显示控制电路以及第二LED多维码显示矩阵；
其中，第一及第二LED多维码显示矩阵，由多个发光二极管排列成矩阵形状，矩阵形状被区分成如下4个区域：
1)识别标记区域：分布在矩阵区域的边缘位置，分为最亮参考点和最暗参考点两类：
①最亮参考点：指示显示矩阵中，亮度最大值标识点；
②最暗参考点：指示显示矩阵中，亮度最小值标识点；
2)数据区域：是有效数据传输区域，由多个发光二极管组成，亮度值介于最亮参考点和最暗参考点之间；
3)校验区域：提供校验数据，由多个发光二极管组成，亮度值介于最亮参考点和最暗参考点之间；
4)广播同步序列标识区域：接收端用于解调数据发送周期和时刻的参考区域；由多个发光二极管组成，发送的帧周期基础上，又将每个周期分为多个相位，每个发光二极管亮暗的时间相位各不相同；
第一及第二LED多维码显示控制电路又包括发送数据的比特位并串转换模块、多维度比特重组模块以及LED亮度控制模块；LED多维码显示控制电路接收物理层发送的数据，并将数据转化为控制LED矩阵亮暗的脉冲信号；
第一及第二LED多维码显示控制电路中发送数据的比特位并串转换模块将需要发送的多位宽有效数据，转换成单比特序列；
多维度比特重组模块根据现实传感器亮度级数分辨率，确定多维度数量，并重组多维度比特序列；
LED亮度控制模块基于每个LED通过独立的亮度控制电路控制LED亮度，并重组数据，调整LED开关脉冲占空比，实现LED的亮度值与多维重组数据值相对应；
发送端的第一物理层协议分析处理模块将有效数据拆分为多个包，每个数据包添加各自的校验信息；
接收端的第二物理层协议分析处理模块将获得的数据减掉校验信息，校验不通过，则发送端重新发包，如果数据校验通过，开始组包；
第一及第二多维码解码器包括如下功能模块：多维码标识区域定位模块、分割多维矩阵区域模块、亮度归一化模块、最小数据块分割模块、亮度分割模块以及数据重组模块；第一及第二多维码解码器将数字图像数据解码为第一及第二物理层协议分析模块所需要的数据信息；
其中，第一及第二多维码解码器中的多维码标识区域定位模块具体通过图像二值化处理、标识区域的模板匹配的方式，获得矩阵区域在图像中的具体坐标位置、角度为主的信息；
分割多维矩阵区域模块将多维矩阵区域从原图中截取，并存储到的对应的内存空间中；
亮度归一化模块根据标识最亮参考点和标识最暗参考点的亮度值和位置分部，对多维矩阵区进行亮度归一化处理，消除区域亮度值的差别；
最小数据块分割模块将矩阵区域的每个LED对应的图像数据进行提取；
亮度分割模块：根据维度级数，根据每个最小亮度数据块的亮度值转换为多位宽数据；
数据重组模块将多位宽数据进行并串转换，排列为1比特序列，再将1比特序列进行分割重组为字节序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于多维码的机器视觉通信系统，其特征在于：传感器曝光同步控制电路模块包括广播同步序列同步模块以及曝光周期和相位调整模块；
其中，传感器曝光同步电路模块中的广播同步序列同步模块对接收不同曝光周期和相位的图片，进行广播同步区域的图像块与协议规定的亮暗序列进行最大似然估计，计算出最佳曝光周期和相位；
曝光周期和相位调整模块的功能是接入高精度晶振，参考周期计数器和相位计数器的变化，生成图像传感器的曝光触发信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于多维码的机器视觉通信系统，其特征在于：第一及第二全局高速曝光传感器为全局曝光、高帧率以及LVDS接口的图像传感器。
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