CN109874335A - 对线扫描相机进行同步的方法 - Google Patents

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Abstract

一种对线扫描相机进行同步的方法。该方法包括：从线扫描相机获得行进表面的感兴趣区域(ROI)的线扫描数据，线扫描相机被定向为垂直于行进表面的行进方向，线扫描数据包括多个线；使用线扫描数据的多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识行进表面上的重复纹理的主要频率的出现；确定主要频率的周期；在所确定的周期不同于参考周期时，改变线扫描相机的线速率。

Description

对线扫描相机进行同步的方法
技术领域
本发明涉及一种同步线扫描相机，具体地涉及一种对线扫描相机进行同步的方法。
背景技术
线扫描相机具有对对象进行成像的一个或多个像素线。线扫描相机可以用于通过垂直于像素线移动相机或对象、捕获每个位置处的线、并且对这些线进行组合来创建对象的二维图像。当对象较大、连续移动、并且需要高度可靠性或高分辨率成像时，线扫描相机可能优于捕获二维图像(“帧”)的帧相机。
线扫描相机的应用(例如，机器视觉应用)可能要求相机的线速率与移动对象(例如，传送器(conveyor))的速度同步。传统地，诸如轴编码器之类的硬件被用来调整线扫描相机的线速率以匹配移动对象的速度。然而，编码器输出通常需要一些信号处理才有用，例如，将输出缩放到卷绕速度(web speed)或减少抖动以防止瞬时超速情况。此外，传统的解决方案难以安装和配置，并且与期望相比可能较不可靠并且较慢。因此，仍然需要改进的对线扫描相机进行同步的方法。
发明内容
本公开提供了一种使得线扫描相机速度(线速率)与移动对象的速度同步的方法。该方法可以通过相机控制算法自动地执行，并且可以可靠地使得线扫描相机与移动对象的速度自动同步(自同步)。本公开的方法消除了对诸如轴编码器之类的外部机电设备的需要，从而降低了线扫描系统成本和安装复杂性，并且消除了与编码器精度不足(例如，编码器抖动)相关联的问题。针对至少一些应用，与竞争产品相比，方法可以提供显著的价值优势。
根据本公开的一个方面，提供了一种对线扫描相机进行同步的方法，包括：从线扫描相机获得行进表面的感兴趣区域(ROI)的线扫描数据，线扫描相机被定向为垂直于行进表面的行进方向，线扫描数据包括多个线；使用线扫描数据的多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识行进表面上的重复纹理的主要频率(major frequency)的出现；确定主要频率的周期；在所确定的周期不同于参考周期时，改变线扫描相机的线速率。
根据本公开的另一方面，提供了一种线扫描相机，包括：图像传感器，包括一个或多个像素线；处理器；控制器，耦合到线扫描传感器并且被配置为使得线扫描相机执行以下操作：从线扫描相机获得行进表面的感兴趣区域(ROI)的线扫描数据，线扫描相机被定向为垂直于行进表面的行进方向，线扫描数据包括多个线；使用线扫描数据的多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识行进表面上的重复纹理的主要频率的出现；确定主要频率的周期；以及在所确定的周期不同于参考周期时，改变线扫描相机的线速率。线扫描相机可以是单线的线扫描相机。控制器可以是现场可编程门阵列。替代地，控制器可以是耦合到存储器的处理器，存储器存储可执行指令，该可执行指令在由处理器执行时配置线扫描相机的操作。
根据本公开的又一方面，提供了一种线扫描相机，包括：图像传感器，包括一个或多个像素线；处理器；存储器，耦合到处理器和图像传感器，存储器存储可执行指令，该可执行指令在由处理器执行时，使得线扫描相机执行本文描述的方法。
根据本公开的再一方面，提供了一种非暂态机器可读介质，在其上有形地存储有用于由线扫描相机的处理器执行的可执行指令，其中，该指令在由处理器执行时，使得线扫描相机执行本文描述的方法。
附图说明
图1是根据现有技术的线扫描成像系统的示意图。
图2是示出根据现有技术的线扫描成像系统的相机触发、相机输出和编码器信号之间的关系的时序图。
图3(a)至3(d)是示出四种类型的典型传送器带的表面的图像。
图4(a)是样品传送器带的表面的图像，并且图4(b)是该图像的快速傅立叶变换的幅度谱。
图5是示出在相机线速率和对象速度改变时从具有正方形像素的线扫描相机生成的图像的像素纵横比(pixel aspect ratio)的改变的示意图。
图6是示出根据本公开的示例实施例的线扫描相机的选择组件的框图。
图7是根据本公开的具有自动同步线扫描相机的线扫描成像系统的示意图。
图8A和8B是示出根据本公开的一个示例实施例的对线扫描相机进行同步的示例方法的流程图。
图9是示出根据本公开的一个示例实施例的确定重复纹理的主要频率的周期的示例方法的流程图。
图10是根据本公开的一个示例实施例的确定3个数据点内的局部峰值的方法的流程图。
图11是示出根据本公开的一个示例实施例的确定参考周期的示例方法的流程图。
图12是根据本公开的一个示例实施例的评估计算的参考周期的方法的流程图。
图13是示出使用覆盖有四种不同传送器带类型的旋转转筒对根据本公开的线扫描相机进行同步的实验结果的曲线图。
具体实施方式
本公开是参考其中示出实施例的附图而做出的。然而，可以使用许多不同的实施例，因此描述不应当被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开彻底和完整。相同的数字贯穿全文表示相同的元素，并且主要符号用于指示替代实施例中的类似元素、操作或步骤。所示系统和设备的功能元件的单独框或所示分离不一定需要这些功能的物理分离，因为这些元件之间的通信可以在没有任何这样的物理分离的情况下通过消息传递、函数调用、共享存储器空间等发生。因此，功能不需要在物理上或逻辑上分离的平台中实现，尽管为了便于在本文中解释，它们被单独示出。不同的设备可以具有不同的设计，使得虽然一些设备在固定功能硬件中实现某些功能，但是其他设备可以在具有从机器可读介质获得的代码的可编程处理器中实现这样的功能。
参见图1，将描述根据现有技术的线扫描成像系统100的示意图。系统100包括线扫描相机110。线扫描相机110在与移动传送器140的行进方向垂直的方向上扫描移动传送器140，并且捕获图像数据线，每个线包括多个像素。本领域技术人员将理解，线扫描相机110与面扫描相机相比更合适用于这类连续过程(例如，移动传送器140)。在示出的示例中，多个对象160(例如，部件或产品)位于移动传送器140上，并且随传送器140移动。传送器140的行进方向在图1中由箭头“d”示出。
线扫描相机110经由相机接口线缆125连接到控制器120(例如，计算机)。控制器120包括帧抓取器卡(frame grabber card)130和编码器卡135。帧抓取器卡130从线扫描相机110获得线扫描数据，以供后续例如对在传送器140上的部件或产品160的视觉检查中使用。编码器卡135连接至与传送器140接触的轴(旋转)编码器170。编码器170可以与传送器140的行进表面150直接接触。行进表面可以是带、网、薄膜等。编码器170测量传送器140和其上的对象160的速度，并且将测量到的速度发送到控制器120。控制器120使用测量到的传送器140的速度来调整线扫描相机110的线速率以将线速率与测量到的速度进行同步。
图2是示出根据例如图1所示的现有技术的线扫描成像系统的编码器信号、相机触发、和相机输出之间的关系的时序图。如图2所示，系统100的控制器120使用由编码器170生成并且从编码器170接收到的信号来确定是否需要改变线速率和该改变的量(如果有的话)，然后控制线扫描相机110改变线扫描相机110的线速率。
图3(a)至3(d)示出了四种类型的典型传送器带的表面。虽然传送器带的表面不同，但是可以从图3(a)至3(d)看出，传送器带通常具有重复的纹理。发明人已经发现重复纹理具有不同的空间频谱：一个主要频率和一些谐波。图4(a)是示出示例传送器带的表面的图像，并且图4(b)是该图像的快速傅立叶变换(FFT)的幅度谱。图4(a)中的传送器带的重复纹理的主要频率被示出为图4(b)的FFT中的频谱中的峰值。
发明人已经发现，随着线速率和/或对象速度的改变，垂直方向上的重复纹理(例如，传送器带)的周期也改变，如图5所示，但是水平方向上的重复纹理的周期不会改变。移动传送器140的行进方向被称为垂直方向，而由线扫描相机110扫描的与移动传送器140的行进方向垂直的方向被称为水平方向。图5是示出在相机线速率小于对象速度、等于对象速度、以及大于对象速度时从具有正方形像素的线扫描相机生成的图像的像素纵横比的改变的示意图。如图5所示，在线速率与对象速度同步(即，相同)时，图像具有1：1的像素纵横比。但是，在线速率小于对象速度时，图像被压缩，而在线速率大于对象速度时，图像被拉伸。
发明人已经开发了一种方法，用于使用自相关来确定移动传送器带的重复纹理的主要频率；确定主要频率出现的周期；并且通过将计算出的周期与参考周期进行比较来确定线扫描相机的新线速率，以将相机的速度与移动对象(例如，传送器带)同步。参考周期在纹理在水平方向和垂直方向上相等时是水平方向上的主要频率的周期。否则，参考周期是垂直方向上的主要频率的周期。参考周期是实时确定的，或是在实时操作之前在训练中确定的。与广泛认为的线扫描相机不可能自动同步(自同步)的观点相反，该方法可以由线扫描相机来实现以允许线扫描相机自动同步(自同步)。
虽然在具有1：1的像素纵横比的图像的内容中进行了描述，但是相同的方法也可以用于具有不是1：1的像素纵横比的线扫描相机。在传感器像素不是正方形时的这种情况下，如本文所述在训练中计算参考周期，而不管重复纹理在水平方向和垂直方向上是否具有相同的周期。
图6是示出根据本公开的示例实施例的线扫描相机200的选择组件的框图。线扫描相机200包括处理器202(例如，微处理器或微控制器)，该处理器202经由通信总线(未示出)耦合到多个组件，该通信总线提供各种组件与处理器202之间的通信路径。线扫描相机200还包括存储器，例如，随机存取存储器(RAM)208、只读存储器(ROM)210、持久(非易失性)存储器212(其可以是闪速可擦除可编程只读存储器(EPROM)(“闪存”))、或其他合适形式的存储器。
处理器202执行各种图像处理功能。处理器202通常是可编程处理器，但还可以是例如硬连线定制集成电路(IC)处理器，或它们的组合。在其他实施例中，可以提供专用图像处理器，替代用处理器202执行图像处理功能。
线扫描相机200还包括线扫描传感器220，该线扫描传感器220接收来自被成像区域的光。由线扫描传感器220捕获的图像数据被传送到读出寄存器(也称为线缓冲器)。在所示实施例中，读出寄存器是现场可编程门阵列(FPGA)204。线扫描相机200还包括在所示实施例中连接至FPGA 204的用于与外部系统交换数据的一个或多个并行数据端口212，以及在所示实施例中连接至处理器202的用于与外部系统交换数据的一个或多个串行数据端口222。读出寄存器将数据输出到缓冲存储器(未示出)，例如，另一FPGA。存储在FPGA缓冲存储器中的线数据然后可以经进一步处理和/或经由串行数据端口222、并行数据端口212或两者传送到主机系统。线扫描相机200通常还包括一个或多个发光二极管(LED)214(其被打开或闪烁以提供各种通知)以及可选地一个或多个用户输入设备224(例如，按钮)。
线扫描传感器220可以是电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器、或其他适当的传感器。线扫描传感器220可以是单色的、多色的(例如，RGB颜色)、或多光谱的。线扫描传感器220具有一个或多个像素线传感器：线扫描传感器220可以是单线的或多线的传感器。替代地，线扫描传感器220可以是时间延迟和积分(TDI)传感器。适当的线扫描相机由Teledyne DALSA Inc.(加拿大安大略省滑铁卢市)制造。线扫描传感器220的每个线具有多个像素传感器(或像素)。每个线中的像素数量可以是2,048至16,384或更多。每个像素具有数字值(DN)形式的像素值，该数字值表示特定波长的光的响应水平。
像素值是表示像素的强度(或亮度)的单个数字。由线扫描传感器220捕获的像素的位数量和颜色(或缺少颜色)可以在线传感器之间不同。例如，像素可以是8位灰度、8位彩色、16位彩色、24位彩色、30位彩色、36位彩色、或48位彩色。在一些示例中，使用8位像素，其中各个像素值的范围从0到255。针对灰度(单色)线扫描相机，通常像素值为0表示黑色，像素值为255表示白色，并且像素值为0到255之间的值定义不同深浅的灰色。彩色线扫描相机具有拥有不同的颜色滤波器的多行传感器像素，或在沿着一行的像素上具有不同的颜色滤波器，以检测不同波长的光。通常，使用红色、绿色和蓝色(RGB)颜色滤波器，但是针对一些应用可以使用更多和不同的颜色滤波器类型。每个颜色滤波器位于像素上以检测不同波长的光，这些光通常为红色、绿色或蓝色，因此像素值为0表示无颜色(例如，没有红色、没有绿色、没有蓝色)，像素值为255表示全色，并且像素值为0到255之间的值定义相应颜色的不同深浅。彩色线扫描相机有时可以在单色或全色模式下操作。为了表示全色，针对RGB颜色空间中的每个像素指定单独的红色分量、绿色分量和蓝色分量，因此像素值实际上是三个数字的矢量，该三个数字的矢量可以被存储作为三个单独颜色平面的不同分量(红色、绿色和蓝色平面各有一个分量)，该三个单独颜色平面的不同分量在以全彩色进行显示或处理时被重新组合。
在相机的曝光时间期间，每个像素累积与来自成像到该像素上的对象的光成比例的光电荷。在曝光时间结束时，整行像素中的电荷被传送到读出寄存器(例如，FPGA204)中。读出寄存器转移出像素电荷，像素电荷被放大、校正和数字化以产生相机输出。在线扫描数据被传送到存储器之前，读出寄存器临时存储一个或多个线(通常为1个至3个线)的图像数据。在下一行像素被曝光的同时，完成读出寄存器转移。曝光和读出发生的速率被称为“线速率”，通常用赫兹(Hz)或千赫兹(kHz)表示。线扫描相机200可以具有高达200kHz或更高的线速率。可调节光圈和快门组件(未示出)被用来控制线扫描传感器220的孔径尺寸和曝光时间。
处理器202可以通过向线扫描传感器220提供各种控制信号来控制图像传感器220。线扫描相机200的存储器(例如，EPROM 212)在其上存储有由处理器202执行的控制线扫描相机200的操作的软件。线扫描相机200也可以或可选地至少部分地由FPGA 204控制。虽然描述了不同类型的存储器的特定配置，但是这仅仅是一个示例，并且可以针对不同类型的存储器使用不同配置和功能分配。
虽然在图6中未示出或在上面未描述，但是本领域技术人员将理解，作为线扫描成像系统的一部分，透镜、照明和聚焦光学器件与线扫描相机结合使用。通常，这些组件不受线扫描相机的控制。
参见图7，示出了根据本公开的具有自动同步(自同步)线扫描相机200的线扫描成像系统300的示意图。系统300包括线扫描相机200，该线扫描相机200对移动传送器140进行成像，该移动传送器140具有位于其上并且随传送器140移动的多个对象160(例如，部件或产品)。线扫描相机200经由相机接口线缆125连接到控制器320(例如，计算机)。控制器320包括帧抓取器(F/G)卡130，该F/G卡130从线扫描相机200获得线扫描数据，以供后续例如在对传送器140上的部件或产品的视觉检查中使用。替代地，线扫描相机200可以包括诸如GigTM或USBTM之类的直接连接接口(替代使用F/G卡130)以允许编码器信号被直接馈送到线扫描相机200。
传送器140包括具有重复纹理的行进表面150(例如，带)。线扫描相机200被定向，使得线扫描相机200的一个或多个传感器线(即，相机扫描方向)被定向为垂直于传送器带(对象)的行进方向(在图7中由箭头“d”示出)。线扫描相机200被配置为使得线扫描相机200的FOV对行进表面150的宽度(横向部分)的至少大部分进行成像。在一个示例中，线扫描相机200具有一个或多个像素线(例如，1个或2个线)，该一个或多个像素线在行进表面150的宽度上捕获行进表面150的大部分或全部。线扫描相机200的FOV的一部分用于本文描述的同步操作。FOV的该部分被称为感兴趣区域(ROI)。ROI位于行进表面150中的对象160不太可能在其中行进的一部分处，通常位于或朝向行进表面150的边缘，如图7所示。通常，ROI至少为100像素，通常为128至256像素宽。在一些示例中，线扫描相机具有在1K和16K像素宽度之间的线扫描传感器，并且ROI是128像素(水平)。
现在参考图8A，图8A示出了根据本公开的一个示例实施例的对线扫描相机200进行同步的方法400的流程图。方法400可以通过例如由线扫描相机200的处理器202执行的软件来执行。替代地，方法400可以由FPGA204来实现。
在操作402处，线扫描相机200的处理器202将线计数器初始化为零。
在操作404处，线扫描相机200的线扫描传感器220以初始线速率捕获一个线的线扫描数据，并输出到处理器202。初始线速率可以是不同的。在一些示例中，初始线速率可以在2kHz和20kHz之间。
在操作406处，处理器202可选地确定对象是否存在于线扫描相机200的ROI中。在一些示例中，线数据中的对比度改变由处理器202监视并且用于确定对象是否存在。处理器202确定线扫描数据的对比度值，并且确定图像的对比度是否已经从参考改变超过阈值量。计算对比度的一种方法是(最大-最小)/平均((max-min)/mean)。计算ROI内的每个线数据的对比度并且将其与参考进行比较。参考可以是在加电的前几秒计算出的对比度值。当线扫描数据的对比度改变超过阈值量时，处理器202确定存在对象。当线扫描数据的对比度未改变超过阈值量时，处理器202确定不存在对象。在其他实施例中，可以使用用于确定ROI中是否存在对象的不同方法。替代方法可以使用线扫描数据，或可能使用其他类型的传感器数据。例如，在其他实施例中，可以使用针对对象的存在的其他基于图像的标准。又例如，可以使用接近传感器(该接近传感器可以是线扫描相机200的一部分，或位于线扫描相机200的外部并且经由数据端口222连接到线扫描相机200)来检测ROI中的对象的存在。
替代地，为了确定在线扫描相机200的ROI中是否存在对象，处理器202可选地确定对象是否存在于线扫描相机200的ROI中，可以获得ROI内的线数据，可以应用FFT来获得FFT频谱。如果ROI内存在对象，则FFT频谱将不是周期性的，并且不能获得周期。然而，在纹理表面具有划痕等，或传送器带上有小纤维和/或毛发时，算法是稳健的并且仍然可以获得周期。
当ROI中存在对象时，方法400就不能完成，并且处理器202将线计数器重置为零。然后，线扫描相机200继续从线扫描相机200获得线扫描数据(操作404)。线扫描相机200的线速率保持不变。
当ROI中不存在对象时，操作继续进行到408，处理器202对线扫描数据执行图像特征化，并且将结果保存在缓冲存储器中。图像特征化表示线扫描数据的数字值(DN)的统计量度。由处理器202执行的图像特征化可以在实施例之间不同。在一些示例中，图像特征化是应用于线扫描数据的低通滤波器。低通滤波器可以应用相等的权重以返回线扫描数据的DN值的平均值的等效值。替代地，低通滤波器可以施加不相等的权重。由低通滤波器应用的权重可以用于例如减少线扫描传感器220中的噪声。权重的值取决于所使用的特定传感器220的噪声水平。替代地，可以使用DN值的简单平均值、或线的其他统计量度。
在操作410处，处理器202递增线计数器。
在操作412处，处理器202确定是否已经获得足够的线数据。设置用于后续图像分析的线的最小数量以确保可靠性。处理器202使用线计数器的值来确定是否已经获得最小数量的线。在尚未获得最小数量的线时，操作返回到404，在404处获取更多线数据。在已经获得最小数量的线时，操作进行到414。线的最小数量可以不同。在一些示例中，线数量是2,048。
在414处，处理器202根据特征化线扫描数据来确定(即，计算)在垂直方向上的行进表面150的重复图案的主要频率的周期。在操作416处，处理器202确定计算出的主要频率的周期是否不同于主要频率的参考周期。
在计算出的频率的周期与参考频率相同时，线速率与行进表面(对象)同步，并且不需要改变线扫描相机200的线速率。在操作418处，维持线速率。
在计算出的频率不同于参考频率时，线速率与行进表面(对象)不同步。在线速率与行进表面相比较低时，线速率被增加。在线速率与行进表面150相比较高时，线速率被降低。在操作420处，改变线速率。新线速率根据以下等式来计算：
然后将计算出的新线速率设置为线扫描相机200的当前线速率。
在一些实施例中，可以针对线扫描相机200设置最小线速率和/或最大线速率。在这样的实施例中，线扫描相机200的线速率仅可以被增加到最大线速率，或仅可以被减小到最小线速率。换句话说，在计算出的新线速率高于最大线速率时，新线速率被设置为最大线速率，并且在计算出的新线速率低于最小线速率时，新线速率被设置为最小线速率。
虽然未示出，但是应当理解，方法400是连续过程，并且可以在执行方法400期间的任意时间从控制器320接收停止方法400的命令或中断。如果没有来自控制器320的这种命令或中断，则处理器202重复执行方法400。
应当理解，确定对象是否存在于线扫描相机200的ROI中是可选的。在一些应用中，处理器202不用确定对象是否存在于线扫描相机200的ROI中，例如，因为操作者将传送器带一侧的边缘留空以进行自动同步，或可以在带材料是平整的(没有纹理的)时在带的一侧边缘粘附纹理材料并将该部分留空。
现在参考图8B，图8B示出了根据本公开的一个示例实施例的对线扫描相机200进行同步的方法430的流程图。在描述的实施例中，线扫描相机200具有三个线缓冲器。方法430类似于上述方法，但不同之处在于应用了边缘增强滤波器。在重复图案产生太多模糊时，可以应用边缘增强滤波器。边缘增强滤波器减少或消除模糊，并且促进后续的图像分析。
在操作402处，线扫描相机200的处理器202将线计数器初始化为零。
在操作432处，线扫描相机200的线扫描传感器220以初始线速率捕获三个线的线扫描数据并且输出到处理器202。
在操作406处，处理器202确定对象是否存在于线扫描相机200的ROI中。当ROI中不存在对象时，操作继续进行到434，处理器202对ROI中的数据应用边缘增强滤波器。在实时操作之前的训练期间做出是否需要边缘增强的决定。在一些示例中，应用Prewitt核。在其他示例中，可以应用Sobel核或Roberts核。
在操作436处，处理器202对从函数enhanceEdges()输出的边缘增强数据的第二个线的ROI执行图像特征化，并且将结果保存在缓冲存储器中。
在操作410处，处理器202递增线计数器。
在操作412处，处理器202确定是否已获得足够的线数据。在尚未获得最小数量的线时，操作返回到438，在438处，将第二个线和第三个线的内容转移到缓冲器中的第一个线和第二个线，并且获得下一个线并将其存储在缓冲存储器作为第三个线。在已经获得最小数量的线时，操作进行到414，并且方法430以与方法400相同的方式继续。
现在参考图9，图9示出了根据本公开的一个示例实施例的确定重复纹理的主要频率的周期的示例方法500的流程图。方法500可以通过例如由线扫描相机200的处理器202执行的软件来执行。替代地，方法400可以由FPGA204来实现。
在操作505处，在处理器202中从缓冲存储器接收具有M个数据点的特征化线扫描数据作为输入。换句话说，接收与M个线的线扫描数据相对应的特征化线扫描数据。在一些示例中，M等于2,048(即，输入2,048个线的特征化线扫描数据)。
在操作510处，处理器202对特征化线扫描数据执行自相关。自相关被用来根据线扫描数据确定行进表面150的主要频率。以这种方式，可以计算在特定线速率下在垂直方向上的重复纹理的周期。现在将更详细地描述自相关操作510。使用FFT可以更有效地计算自相关。通过将FFT的实部乘以FFT的复共轭并且然后应用逆FFT来完成自相关。这对于硬件实现方式非常方便，因为大多数FPGA(例如，XilinxTM)都具有用于1D/2D FFT/IFFT的IP核。
应当理解，自相关通常不用于2D图像处理。自相关通常用于1D信号(例如，无线电信号)。然而，发明人已经发现自相关技术可以适用于2D图像处理。具体地，自相关可以用于识别数据是否是随机的以及数据中是否存在时间序列模型。自相关是指信号与其自身的延迟副本的相关性。代替两个不同变量之间的相关性，相关性是同一变量的时间xi和xi+k处的两个值之间的相关性，并且该相关性是随这两个值之间的时间滞差(time lag)变化的观测值之间的相似性。给出由k个时间步长分隔的观测值之间的相关性的等式如下：
其中，是总平均值，rk是同一变量的时间xi和xi+k处的滞差为k的N对连续观测值之间的自相关系数。
针对周期性信号(即，传送器带的重复纹理)，存在出现最大系数rk的滞差k。
在操作512处，处理器202基于作为输入接收到的特征化线扫描数据的M个点(例如，2,048个点)来计算FFT，用零填充到2M个点(例如，4,096个点)，以获得特征化线扫描数据的频域表示(FFT频谱)(例如，fft_data＝FFT(数据，2M))。在操作514处，处理器202将FFT逐点地与FFT的复共轭相乘(例如，rm＝fft_data×conj(fft_data))。在操作516处，处理器202计算IFFT(例如，ac＝IFFT(rm))。
在操作540处，处理器202通过标识局部最大值来确定信号的局部峰值(例如，peakLoc＝findLocalMaxima(ac_lags，3)。现在参考图10，现在将描述根据本公开的一个示例实施例的确定3个数据点内的局部峰值最大值的方法600。在602处，处理器202将索引(“idx”)和计数器(“n”)初始化为1。在604处，处理器202按顺序从ac_lags(n)获取数据，其中ac_lags(n)是有符号浮点数的数组，并且n＝1，2，3，...，4095。
在606处，处理器202确定n是否小于或等于3。在n小于或等于3时，在操作608处，处理器202将计数器递增1。在n大于3且不大于4092时，处理器202确定ac_lags(n)的值是否是n的两侧上的3个数据点内的局部最大值。
在ac_lags(n)的值不是局部最大值时，在操作608处，处理器202将计数器递增1。在ac_lags(n)的值是局部最大值时，在操作614处，ac_lags(n)的位置被存储在数组中(例如，peakLoc(idx)＝n))。在操作616处，处理器202递增索引idx和计数器n。
在618处，处理器202确定n是否等于4,093。在n不等于4,093时，操作返回到操作604，在操作604处，处理器202按顺序从ac_lags(n)获得数据。在n等于4,093时，操作600结束。
再次参考图9和方法500，在操作550处，确定相邻局部峰值之间的差(例如，针对n个峰值，diff_peakLoc＝[peakLoc(2)-peakLoc(1)，peakLoc(3)-peakLoc(2)，...peakLoc(n)-peakLoc(n-1)])。
在操作560处，垂直方向上的主要频率的周期被计算为相邻局部峰值之间的差的平均(平均值)(例如，周期＝平均(diff_peakLoc))。
取决于纹理的类型，参考周期可以实时地被确定，或在实时操作之前在训练期间被确定。如果重复纹理在水平方向和垂直方向上相等，例如，如图3(b)和3(d)所示，则可以实时确定参考周期。在这种情况下，水平方向上的重复纹理的周期在相机通电的前几秒被计算，并且仅需要被计算一次，因为水平方向上的纹理的周期不随线速度或对象速度的改变而改变。水平纹理的周期被保存为参考周期。更进一步，如果纹理在系统设置和/或FOV下没有太多模糊，则不需要边缘增强，并且可以除去整个训练过程。
如果重复纹理在水平方向和垂直方向上不相等，例如，如图3(a)和3(c)所示，则在实时操作之前的训练期间确定参考周期。在这种情况下，将具有已知纵横比的对象放在传送器带上。传送器被初始化具有一个速度，并且相机线速率被调整，直到对象的纵横比以适当的纵横比出现。然后，重复纹理的周期是在垂直方向上的，并且被保存为参考周期。
然后，可以通过使得垂直方向上的重复纹理的周期等于参考周期来确定用于将相机和传送器的速度进行同步的新线速率。
在翻转的ROI的情况下，计算水平方向上的周期的算法与计算垂直方向上的周期的算法相同。考虑到在相机通电的前几分钟内传送器通常是空的这一事实，可以非常快速地(通常仅几秒钟)计算水平方向上的纹理的周期。
现在参考图11，图11示出了根据本公开的一个示例实施例的确定参考周期的示例训练方法的流程图。方法700包括使用与图8A的方法400类似的操作来确定主要频率。方法700可以通过例如由线扫描相机200的处理器202执行的软件来执行。替代地，方法700可以由FPGA204来实现。
操作402至434如以上结合图8B描述的那样被执行。在操作702中，处理器202执行两种类型的图像特征化：(1)从线扫描传感器220获得的未增强线数据的第二个线的ROI上的图像特征化；(2)从函数enhanceEdges()输出的边缘增强数据的第二个线的ROI上的图像特征化。两个操作的结果都保存在缓冲存储器中。
在已经获得最小数量的线时(判定框412)，操作进行到706，在706处，处理器202根据来自操作702的特征化未增强线数据和特征化增强线扫描数据来确定(即，计算)行进表面150的重复图案的主要频率的周期。使用如上所述的图9的方法500来确定主要频率的周期。
在操作708处，处理器202评估针对未增强线数据和增强线数据的主要频率的周期。在操作710处，处理器202基于操作708中的评估结果将参考周期设置为未增强线数据或增强线数据的周期。在操作712处，处理器202基于操作708中的评估结果将边缘增强滤波器设置设置为打开或关闭。
现在参考图12，将描述根据本公开的一个示例实施例的评估计算出的参考周期的方法830。在方法830中，计算出的未增强线数据的主要频率的周期被表示为lagMajFeq1，并且计算出的增强线数据的周期被表示为lagMajFeq2。
在操作832处，处理器202确定lagMajFeq1和lagMajFeq2是否等于零。如果lagMajFeq1和lagMajFeq2都等于零，则处理器202确定发生了错误。例如，行进表面150是平滑的或不具有重复纹理。可以重复训练操作(如果需要)，或可以指定行进表面150不相容。
在操作838处，处理器202确定lagMajFeq1是否等于零并且lagMajFeq2是否不等于零。如果是，则基于训练的结果执行边缘增强。在操作840处，处理器202将参考周期设置为增强线数据的周期(例如，lagMajFeq2)。接下来，在操作842处，处理器202将边缘增强滤波器设置设置为“打开”。
如果判定框838的结果是否定的，则在操作844处，处理器202确定lagMajFeq1是否不等于零并且lagMajFeq2是否等于零。如果是，则基于训练结果不执行边缘增强。在操作846处，处理器202将参考周期设置为未增强线数据的周期(例如，lagMajFeq1)。接下来，在操作848处，处理器202将边缘增强滤波器设置设置为“关闭”。
如果判定框844的结果是否定的，则在操作850处，处理器202确定lagMajFeq1-lagMajFeq2的绝对值是否小于阈值。阈值由FOV(视场)和噪声水平确定。如果是，则基于训练的结果执行边缘增强，并且操作进行到840。如果不是，则基于训练的结果不执行边缘增强，并且操作进行到846。
本文描述的方法使用LineaTM 8K双线彩色线扫描相机进行实验测试，该相机以仅绿色模式运行并且具有内部触发。将四个不同的带样本包裹在旋转转筒上并且依次进行测试：图13中的传送器带1对应于图3(c)所示的传送器带；图13中的传送器带2对应于图3(d)所示的传送器带；图13中的传送器带3对应于图3(b)所示的传送器带；并且图13中的传送器带4对应于图3(a)所示的传送器带。示波器被用于监控转筒速度(频率)。使用10kHz的初始线速率并且转筒速度从33kHz改变到41kHz。根据本文描述的方法编程的软件模拟器被用来测量旋转期间带的主要频率的周期，并且计算随后通过命令设置提供给线扫描相机的新线速率。虽然转筒在其转速上表现出一些机械颤动，但是在可接受的公差和可靠性内获得了自同步，如图13所示。
对用于执行所描述的方法的软件的编码落入被提供本公开内容的本领域普通技术人员的范围内。所描述的方法可以包括比所示出和/或描述的更多或更少的过程，并且可以以不同的顺序执行。可由处理器202执行以执行所描述的方法的机器可读代码可以被存储在非暂态机器可读介质(例如，线扫描相机200的存储器)中。
本文描述的流程图和附图中的步骤和/或操作仅用于示例的目的。在不脱离本公开的教导的情况下，这些步骤和/或操作可以有许多改变。例如，可以以不同的顺序执行步骤，或可以添加、删除或修改步骤。
还公开了所公开范围内的所有值和子范围。而且，虽然本文公开和示出的系统、设备和过程可以包括特定数量的元件/组件，但是这些系统、设备和组件可以被修改为包括更多或更少的这样的元件/组件。例如，虽然所公开的任何元件/组件可以被称为是单个的，但是本文公开的实施例可以被修改为包括多个这样的元件/组件。本文描述的主题旨在涵盖并包含技术中的所有适当改变。
虽然至少部分地在方法方面描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，本公开还涉及用于通过硬件(DSP、ASIC或FPGA)、软件或其组合来执行所描述方法的至少一些方面和特征的各种组件。因此，本公开的技术方案可以体现在非易失性或非暂态机器可读介质(例如，光盘、闪存等)中，在该非易失性或非暂态机器可读介质上有形地存储有可执行指令，该可执行指令使得处理设备(例如，车辆控制系统)能够执行本文公开的方法的示例。
在不脱离权利要求的主题的情况下，本公开可以以其他特定形式实施。所描述的示例实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。本公开旨在涵盖并包含所有适当的技术改变。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是前面的描述来描述。权利要求的范围不应受示例中阐述的实施例的限制，而应给予与整个说明书一致的最广泛的解释。

Claims (20)

1.一种对线扫描相机进行同步的方法，包括：
从所述线扫描相机获得行进表面的感兴趣区域(ROI)的线扫描数据，所述线扫描相机被定向为垂直于所述行进表面的行进方向，所述线扫描数据包括多个线；
使用所述线扫描数据的所述多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识所述行进表面上的重复纹理的主要频率的出现；
确定所述主要频率的周期；以及
在所确定的周期不同于参考周期时，改变所述线扫描相机的线速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重复纹理的所述主要频率是使用自相关来确定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重复纹理的所述主要频率包括：
对所述特征化线扫描数据执行快速傅里叶变换(FFT)以获得FFT频谱；
将所述FFT频谱的实部乘以所述FFT频谱的复共轭以获得乘积；
对所述乘积执行逆FFT(IFFT)以获得IFFT序列；以及
确定所述IFFT序列中的局部峰值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述主要频率的周期包括：
将所述局部峰值之间的差确定作为所述行进表面上的所述重复纹理的所述主要频率的出现；以及
将所述差的平均值确定作为所述主要频率的周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述ROI是所述线扫描相机的视场(FOV)的一部分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述ROI位于所述线扫描相机的所述FOV的边缘。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所确定的周期与所述参考周期相同时，保持所述线扫描相机的线速率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所确定的周期不同于参考周期时，改变所述线扫描相机的线速率包括：
在所确定的周期低于所述参考周期时，增加所述线扫描相机的线速率；以及
在所确定的周期高于所述参考周期时，降低所述线扫描相机的线速率。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对从所述线扫描相机获得的所述线扫描数据进行特征化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述线扫描数据进行特征化包括应用降噪滤波器。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述线扫描数据进行特征化包括确定所述线扫描数据的每个线的像素值的数字值的平均值。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在对所述线扫描数据进行特征化之前，对从所述线扫描相机获得的所述线扫描数据执行边缘增强。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考周期在纹理在水平方向和垂直方向上相等时是水平方向上的所述主要频率的周期，或在纹理在水平方向和垂直方向上不相等时是垂直方向上的所述主要频率的周期。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考周期是实时确定的，或是在实时操作之前在训练中确定的。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主要频率是在所述行进表面的行进方向上的所述行进表面上的所述重复纹理的垂直频率。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述线扫描数据的所述多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识所述行进表面上的所述重复纹理在与所述行进表面的行进垂直的方向上的主要水平频率的出现；
确定所述主要水平频率的周期；以及
将所述主要水平频率的周期设置作为所述参考周期。
17.一种线扫描相机，包括：
线扫描传感器，包括一个或多个像素线；
控制器，耦合到所述线扫描传感器，并且被配置为使得所述线扫描相机执行以下操作：
从所述线扫描相机获得行进表面的感兴趣区域(ROI)的线扫描数据，所述线扫描相机被定向为垂直于所述行进表面的行进方向，所述线扫描数据包括多个线；
使用所述线扫描数据的所述多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识所述行进表面上的重复纹理的主要频率的出现；
确定所述主要频率的周期；以及
在所确定的周期不同于参考周期时，改变所述线扫描相机的线速率。
18.根据权利要求17所述的线扫描相机，其中，所述线扫描相机是单线的线扫描相机。
19.根据权利要求17所述的线扫描相机，其中，所述控制器是现场可编程门阵列。
20.一种非暂态机器可读介质，在其上有形地存储有用于由线扫描相机的处理器执行的可执行指令，其中，所述可执行指令在由所述处理器执行时使得所述线扫描相机执行以下操作：
从所述线扫描相机获得行进表面的感兴趣区域(ROI)的线扫描数据，所述线扫描相机被定向为垂直于所述行进表面的行进方向，所述线扫描数据包括多个线；
使用所述线扫描数据的所述多个线中的每个线的特征化线扫描数据，来标识所述行进表面上的重复纹理的主要频率的出现；
确定所述主要频率的周期；以及
在所确定的周期不同于参考周期时，改变所述线扫描相机的线速率。
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