CN110087011B - 一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统 - Google Patents

一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统，包括高速工业相机、高速传输线缆、无频闪工业光源、高速视频采集卡、通用PC平台以及安装通用PC平台的采集存储软件；高速视频采集卡与高速工业相机之间采用支持CoxPress‑6传输协议的多通道高速传输线缆连接通信；高速视频采集卡与通用PC平台之间通过PCIE接口连接；通用PC平台配置RAM和SSD存储阵列；采集存储软件用于对所述高速视频采集卡和高速工业相机进行检测、参数配置以及对振动视频的采集。本发明只需要通用PC平台加上RAM以及SSD即可实现低成本的高速图像采集，大大降低了采集成本和提高了配置灵活性。

Description

一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统
技术领域
本发明涉及一种视频图像采集装置，特别涉及一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统。
背景技术
工业现场中拖动设备是不可或缺的动力设备，确保机电拖动设备的稳定可靠运行对工业生产具有重大的意义。振动信号是表征设备是否正常运行的一项重要指标，进行有效的检测设备振动是进行健康检测的先决条件。振动检测主要有存在传统的接触式测量和新型的非接触式测量。传统的接触式测量主要指加速度传感器，其存在诸多弊端，如布线安装复杂，存在质量负载效应，无法进行全局检测，易损坏等。新型的非接触主要是指激光、声波、视频图像等方法，其中激光和声波虽实现了非接触，但也无法进行全场检测。
基于视频图像的振动检测不仅克服了接触式测量存在的某些不足外，也克服了激光、声波等方法无法进行全场检测的问题，实现了非接触全场振动检测，具有很好的发展前景。实现基于视频图像的全场振动检测的前提和必要条件是能够有效地采集到振动的视频。对于一般的机械振动，其振动频率多数属于高频振动信号，为了后续振动信号的有效提取，采样频率较高，因此普通的工业相机就难以满足采集要求，因此需要选用高速工业相机进行采集。而对于高速工业相机而言，最大的特点就是帧率很高，能够实现微秒级的图像采集，如此高帧率必将带来巨大的数据量，必定引发两个问题，一是大量数据的远距离传输问题，二是大量数据的存储问题。对于传输问题，一般可以采用多通道高频率的串行总线进行传输，对于存储问题，一般可以采用高速存储介质，但是这样的高速存储通常非常昂贵，并且配套有专用的采集存储软件，只能在特定的设备上使用，这样在使用上收到了诸多的限制。
因此需要开发一种能够低成本，且能够在通用PC平台运行的高速视频采集存储系统意义重大，这不仅降低了系统配置的成本，也使得高速振动视频采集系统配置更加灵活与方便，提高了适用范围。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，提供一种基于高速相机并且能够在通用PC平台上使用的高速振动视频采集存储系统。
本发明采用的技术方案是：一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统，包括高速工业相机、高速传输线缆、无频闪工业光源、高速视频采集卡、通用PC平台以及安装通用PC平台的采集存储软件；所述高速工业相机的帧率不小于2500pfs；所述无频闪工业光源最大亮度不低于3000流明，且在全范围内亮度和色温连续可调；所述高速视频采集卡与高速工业相机之间采用支持CoxPress-6传输协议的多通道高速传输线缆连接通信；所述高速视频采集卡与通用PC平台之间通过PCIE接口连接；所述通用PC平台配置有第一存储模块和第二存储模块，所述第一存储模块为RAM，所述第二存储模块为SSD存储阵列；所述采集存储软件用于对所述高速视频采集卡和高速工业相机进行检测、参数配置以及对振动视频的采集。
作为一种优选方案，所述采集存储软件在通用PC平台运行时执行以下指令：
对高速视频采集卡的连接情况进行检测，判断是否检测到高速视频采集卡，在检测到高速视频采集卡后对其进行硬件检测，若未检测到则返回报错；
高速视频采集卡的硬件检测通过后，对采集卡进行初始化，包括对高速视频采集卡的缓存、通道数量和数据格式进行设置，以满足后续采集需求；
高速视频采集卡的参数设置完成后，检测是否有高速工业相机连接高速视频采集卡及连接的数量和型号，在检测到高速工业相机后对其进硬件检测，若未检测到则返回报错；
高速工业相机的硬件检测通过后，对高速工业相机进行进行初始化，包括设置高速工业相机的帧率、曝光、数据格式、通道数量和同步信号；
打开高速工业相机并启动图像传输，并在线预览采集到视频图像，根据预览到的视频图像对高速工业相机和高速视频采集卡的参数进行再调整，直到满足采集要求，满足采集要求后开始进行采集操作；
在振动视频采集过程中，先将采集的振动视频存入RAM存储模块，在采集完成后，再将RAM存储模块中的数据写入SSD存储阵列。
作为一种优选方案，所述采集存储软件执行的指令还包括：在采集完成后，写入SSD存储阵列前，对采集的视频图像进行回放，并选择在SSD存储阵列中的保存格式。
作为一种优选方案，所述采集存储软件执行的指令还包括：在预览视频图像时对其进行缩放，以根据鼠标所在点实时显示像素点的相应坐标。
作为一种优选方案，所述采集存储软件执行的指令还包括：在保存时，实时显示保存的进度。
作为一种优选方案，所述RAM的存储容量为32GB，所述SSD存储阵列的存储容量为500GB。
本发明具有以下有益效果:
为了同时满足速度要求和尽量减少系统配置成本和系统配置通用性，本发明通过安装在通用PC平台的高速振动视频采集存储软件，将采集视频存入PC中的大容量RAM中，然后将RAM中数据再写盘，写入SSD高速固态存储介质中，能够实现2500fps以上的高速实时图像采集，高速工业相机和高速采集卡参数的快速设置，以及对采集的图像进行预览和回放。该系统只需要通用PC平台加上32Gb RAM以及SSD即可实现低成本的高速图像采集，大大降低了采集成本，提高了系统配置的灵活性和通用性。
附图说明
图1是实施例中所述的高速振动视频采集存储系统的系统构成示意图；
图2是实施例中所述的通用PC平台采集存储软件的工作流程示意图；
图3是实施例中所述的通用PC平台采集存储软件的参数配置页面；
图4是实施例中所述的通用PC平台采集存储软件的视频图像预览界面。
具体实施方式
由于高速工业相机的帧率高，分辨率也高，在单位时间内采集到的数据量很大，对传输存储要求高，可以使用专用的存储阵列进行存储，但是成本昂贵，并且需要配套的专用采集软件，通用性和经济性较差。为此，本发明提出一种适用于通用PC平台的高速振动采集存储系统，能够大大提高通用性和降低成本。
本发明提出的高速振动视频采集存储系统使用稳压电源为高速工业相机供电，使用无频闪工业光源为振动采集对象提供光照以补偿高帧率造成的光通量降低，采用支持CoXpress-6总线协议的线缆连接高速工业相机和高速视频采集卡，将进行视频的远距离传输，采用支持CoXpress-6总线协议的高速视频采集卡连接通用PC平台和传输电缆，将视频转码后传输给通用PC平台，在通用PC平台运行基于高速工业相机的振动视频采集存储软件。此外，在满足速度要求下，为了减少系统配置成本和提高系统配置通用性，本发明首先利用通用PC平台采集存储软件将采集视频存入PC中的大容量RAM中，然后将RAM中数据再写盘，写入SSD高速固态存储介质中。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，实施例中提供一种基于高速相机并且能够在通用PC平台上使用的高速振动视频采集存储系统，其主要包括硬件部分以及安装在通用PC平台的采集存储软件。硬件部分的组成主要包括高速工业相机(以下简称高速相机或相机)、高速传输线缆(以下简称传输电缆或线缆)、无频闪工业光源(以下简称光源)、高速视频采集卡(以下简称采集卡)，其中：高速工业相机的帧率不小于2500pfs；传输线缆的接口采用CoxPress-6高速视频传输所规定的sdi接口，协议采用CoxPress-6传输协议；采集卡的视频输入接口以及传输协议需要与高速相机的接口和协议吻合，因此，也采用CoxPress-6接口和协议，采集卡与通用PC平台连接采用PCIEx16接口；采用无频闪工业光源，其最大亮度不小于3000流明，并且在全范围内亮度和色温连续可调，以此满足不同采集条件下的光照要求。外接的通用PC平台需要安装大容量RAM(例如32GB)和SSD存储阵列(例如500GB)以满足大数据量的存储。当然，通用PC平台也可以作为该高速振动视频采集存储系统的构成部分。
所述的基于高速相机和通用PC平台的振动视频采集系统的采集存储软件主要负责对硬件进行检测(相机和采集卡)和初始化以及采集相关操作。结合图2所示，主要由以下步骤组成：
(1)进行高速视频采集卡的检测，由于视频采集卡采用PCI接口连接在PC机的主板插槽上，需要在采集前先对采集卡的连接情况进行检测，以保证后续的采集工作；
(2)判断是否检测到采集卡，如果检测到采集卡就对采集卡进行硬件检测，检测内容主要包括采集卡的供电情况，采集卡与相机连接状态，采集卡与PC机连接状态，如果没有检测到采集卡就报错。
(3)检测到采集卡并且采集卡的硬件检测通过无误后对采集卡进行初始化，为了提高采集速度，采集卡内集成了缓存，因此需要对缓存进行设置，此外，还需要对采集卡的通道数量、数据格式等进行相应的设置以满足要求。
(4)采集卡检测成功并且参数设置完成后就需要检测连接到采集卡上的高速工业相机的数量和型号。
(5)如果检测到有相机连接在采集卡上，就需要检测相机的数量以及型号，并且对相机的硬件进行检测和相机的相关参数进行设置，例如：帧率、曝光、数据格式、通道数量、同步信号等参数。如果检测不到相机或者相机的硬件检测有故障就返回报错。
(6)当采集卡和相机都检测到且参数设置准确后，打开相机并启动图像传输，这样在采集软件中就可以查看到采集到图像，根据预览到的图像进行参数的再调整，以满足特定的采集环境。例如，可根据帧率和环境光照条件调整曝光等参数。
(7)根据任务需求调整相机和采集卡的参数，例如，需要根据采集信号的频率和采样定理相应地调整帧率和曝光等参数。在满足对采集图像的要求时，就可以进行采集操作，采集到的图像数据临时存储在通用PC平台的RAM，如果不满足要求，则需要再次调整，采集过程中可以在采集软件中实时观察图像以及各项参数的变化。
(8)采集完成后将RAM中的图像数据保存到SSD存储阵列，在保存前可以对图像进行回放，并可以选择不同的保存格式。
图像保存完毕后如果需要再次进行采集操作的话需要手动清除缓存，重新定义采集的图像的数量，以及重新分配缓存。
可见，该采集软件能够在图像采集时进行在线预览，在采集结束后能够进行逐帧回放，并且能够设置采集图像的具体数量，在采集图像达到数量后自动停止采集。此外，在采集时还能够实时显示与图像以及相机相关的参数。采集存储软件还能够按照要求选择需要存储的图像数量以及存储路径和格式。在回放以及预览时候能够对图像进行缩放，以能够实时根据鼠标所在点显示像素点的相应坐标。在保存时，能够实时显示保存进度。
结合图3和图4所示，对通用PC平台的采集采集存储软件的功能进一步说明。采集存储软件的作用主要包括对高速工业相机和采集卡的参数进行配置以及对采集到图片进行存储和预览。
图3是通用PC平台采集存储软件的参数配置页面，图3中：1是软件配置页面中的预览窗口，用于在参数配置阶段查看采集图像的状态；2是按钮栏，包括扫描采集卡、扫描相机、分配缓存空间、开始采集、暂停采集、显示图像和删除缓存等按钮；3是状态栏，总共有四个栏目，分别是相机信息、采集卡信息、存储相关操作以及图像转视频信息；4是相机主要参数设置栏，包括ROI设置和相机帧率设置；5是当前图像参数显示栏，包括当前图像的分辨率、采集帧率、总帧数和采集总时间。图4是采集存储软件的视频图像预览界面，图4上半部分是预览窗口，其中有操作说明，左下部是图片帧序列参数，右下角是开始播放和停止播放按钮。
在进行图像采集时，先按下参数配置页面中的Connect Gerber按钮扫描和连接采集卡，连接成功后会弹出提示框，然后再按下ScanConnsct Camera按钮扫描并且连接相机，相机扫描无故障并且连接成功后会在图3的状态栏3中的Grabber Information和Camerainformation中分别显示采集卡和相机当前的参数，然后根据任务需求在图3参数设置栏中设置参数以满足采集要求，在设置完参数后需要点击Execute Frame-Rate按钮将参数写入相机的寄存器。设置合适参数后在图3Mode栏中选择preview，然后单击start按钮就可以进行预览，当图片满足任务需求时就可以就进下一步采集操作，不满足时，需要重新设置参数。采集时，需要首先将图3中Mode栏中选择Record，然后在图3中Total to record中输入需要采集的片的帧数，然后单击图3中的Start Record按钮开始采集，采集过程中Total Frames实时显示采集到的图像帧的数量。采集过程中可以按下Stop Record按钮暂停，但是不建议，因为本发明主要应用于高速运动的采集，暂停会严重影响采集结果。当采集的图像数量达到设置的数量时候会弹出提示框显示采集结束，为了满足高速相机的采集速率先将图像帧缓存到PC机的RAM中，这也是之前需要预先分配缓存的原因，并且缓存的分配不能采用动态分配的策略，必须要采取静态分配的策略，如此才能避免在某一帧图像存如RAM的时候出现内存分配错误的问题。将RAM中图像写入SSD之前可以对采集到的图像进行回放，如果不满足要求可以单击图3中的Del Cache！将缓存删除，然后重新采集。如果图像满足要求，则可以在图3中Saving options中选择存储路径，选定路径后单击图3中的Save Image按钮即可将RAM中的图像写入SSD存储阵列中，由于数据量一般比较大，因此在Saving Options中的进度条会显示当前存储进度，存储结束后会弹出提示框提示存储结束。考虑到存储完成后还需要继续回看，存储结束后重新采集采用手动删除原来的缓存，重新设置需要采集的帧数量并且重新分配和缓存。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于高速相机的工业设备振动视频采集存储系统，其特征在于，包括高速工业相机、高速传输线缆、无频闪工业光源、高速视频采集卡、通用PC平台以及安装通用PC平台的采集存储软件；所述高速工业相机的帧率不小于2500pfs；所述无频闪工业光源最大亮度不低于3000流明，且在全范围内亮度和色温连续可调；所述高速视频采集卡与高速工业相机之间采用支持CoxPress-6传输协议的多通道高速传输线缆连接通信；所述高速视频采集卡与通用PC平台之间通过PCIE接口连接；所述通用PC平台配置有RAM存储模块和SSD存储阵列；所述采集存储软件用于对所述高速视频采集卡和高速工业相机进行检测、参数配置以及对振动视频的采集；
所述采集存储软件在通用PC平台运行时执行以下指令：
对高速视频采集卡的连接情况进行检测，判断是否检测到高速视频采集卡，在检测到高速视频采集卡后对其进行硬件检测，若未检测到则返回报错；
高速视频采集卡的硬件检测通过后，对高速视频采集卡进行初始化，包括对高速视频采集卡的缓存、通道数量和数据格式进行设置，以满足后续采集需求；
高速视频采集卡的参数设置完成后，检测是否有高速工业相机连接高速视频采集卡及连接的数量和型号，在检测到高速工业相机后对其进硬件检测，若未检测到则返回报错；
高速工业相机的硬件检测通过后，对高速工业相机进行进行初始化，包括设置高速工业相机的帧率、曝光、数据格式、通道数量和同步信号；
打开高速工业相机并启动图像传输，并在线预览采集到视频图像，根据预览到的视频图像对高速工业相机和高速视频采集卡的参数进行再调整，直到满足采集要求，满足采集要求后开始进行采集操作；
在振动视频采集过程中，先将采集的振动视频存入RAM存储模块，在采集完成后，再将RAM存储模块中的数据写入SSD存储阵列。
2.如权利要求1所述的工业设备振动视频采集存储系统，其特征在于，所述采集存储软件执行的指令还包括：
在采集完成后，写入SSD存储阵列前，对采集的视频图像进行回放，并选择在SSD存储阵列中的保存格式。
3.如权利要求1所述的工业设备振动视频采集存储系统，其特征在于，所述采集存储软件执行的指令还包括：
在预览视频图像时对其进行缩放，以根据鼠标所在点实时显示像素点的相应坐标。
4.如权利要求1所述的工业设备振动视频采集存储系统，其特征在于，所述采集存储软件执行的指令还包括：
在保存时，实时显示保存的进度。
5.如权利要求1至4任意一项所述的工业设备振动视频采集存储系统，其特征在于，所述RAM存储模块的存储容量为32GB，所述SSD存储阵列的存储容量为500GB。
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