CN110611758A - 一种工业智能相机的智能拍摄系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业智能相机的智能拍摄系统及方法，其特征在于，所述系统包括：调焦模块、光源板、激光灯、测距模块、CPU核心板、CPU接口板、CMOS板和兼具图像处理器及FPGA处理功能的FPGA板，所述CPU核心板向所述FPGA板发送控制指令信号并接收所述FPGA板返回的信号，所述FPGA板根据所述CPU核心板的指令信号对所述CMOS板、测距模块、光源板、激光灯和调焦模块发送控制信号，所述FPGA板同时接收所述测距模块和CMOS板的传输信号并处理后发送至所述CPU核心板做进一步处理；所述方法通过上述系统实现。本智能拍摄系统高度集成化、智能化和高效化，机身体积小，适用于多种场合。

Description

一种工业智能相机的智能拍摄系统

技术领域

本发明属于嵌入式机器视觉技术领域，尤其涉及一种工业智能相机的智能拍摄系统。

背景技术

工业智能相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。工业智能相机一般安装在机器流水线上代替人眼来做测量和判断，通过数字图像摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

目前工业智能相机的拍摄系统存在以下缺陷：1、相机的补光装置、测距装置或调焦装置需要另行叠加，无法与相机的核心控制板联动，造成控制系统冗杂，响应速度慢且易造成处理器拥堵；2、无法实现根据距离、光线等多种因素实现图像的优化和筛选，增加了处理器不必要的运算；3、现有的集成工业相机上有多种传感器，传感器发射的红外光线或可见光线给成像一致性带来了负面影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种工业智能相机的智能拍摄系统及方法，将补光装置、测距装置和调焦装置高度集成，使得相机拍摄时可根据所需参数共同实现精确拍摄，且能实现对图像的优化和筛选，使得整个系统更加高效智能，大大减少了不必要的运算损耗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种工业智能相机的智能拍摄系统，包括：调焦模块、光源板、激光灯、测距模块、CPU核心板、CPU接口板、CMOS板和兼具图像处理器及FPGA处理功能的FPGA板，所述CPU核心板向所述FPGA板发送控制指令信号并接收所述FPGA板返回的信号，所述FPGA板根据所述CPU核心板的指令信号对所述CMOS板、测距模块、光源板、激光灯和调焦模块发送控制信号，所述FPGA板同时接收所述测距模块和CMOS板的传输信号并处理后发送至所述CPU核心板做进一步处理。

优选地，所述CPU接口板上外接有移动终端或者触摸屏，所述移动终端或者触摸屏用于显示采集的图像及相关参数并为使用者提供操作入口。

优选地，所述FPGA板上设有EEPROM存储单元，用于存储所述CPU核心板的指令以及所述光源板的每路灯珠亮度。

优选地，所述工业智能相机包括相机顶盖和相机底壳，所述相机顶盖与相机底壳闭合形成容置空间，所述CPU核心板、CPU接口板、CMOS板和FPGA板设于所述容置空间内，所述调焦模块设于相机镜头上，所述相机顶盖前端中心设有用于安装相机镜头的通孔，所述通孔位于所述CMOS板和所述相机顶盖前端之间，所述相机顶盖前端设有排布有灯珠的光源板，所述测距模块接设于所述光源板上，所述FPGA控制板的一对或两对对角边缘处还设有可视激光灯，所述CPU核心板分别与所述CPU接口板和FPGA板电性连通，所述FPGA板分别与所述CMOS板、测距模块、光源板、激光灯和调焦模块电性连通。

更优选地，所述调焦模块包括液态镜头，或用于驱动镜头移动的音圈电机。

更优选地，所述光源板上设有容纳镜头通过的孔洞，所述相机顶盖前端外侧设有灯罩，所述光源板安装于所述灯罩内部，所述灯罩的光源出口侧还设有柔光板。

更优选地，所述可视激光灯的灯光为十字形或“L”形。

本优选方案带来的优化效果是可视激光灯对拍摄范围进行粗略定位，即使在相机未外接显示器时亦能辅助定位实现准确拍摄。

更优选地，所述光源板的灯珠可采用红外灯或可视灯。

本优选方案所带来的优化效果是，可实现不同成像模式下的光线优化。

一种工业智能相机的智能拍摄方法，通过上述系统实现，其特征在于，设定所述激光灯、测距模块和光源板的启用模式，触发拍摄的模式，所述CMOS板参数和对焦参数，设定的模式及参数信息由所述CPU核心板发送至所述FPGA板，所述FPGA板存储上述模式及参数信息至内部存储器和所述EEPROM存储单元。

更优选地，系统拍摄流程的步骤如下：

步骤1：所述FPGA板读取所述测距模块中数据，并关闭所述测距模块，同时根据读取到的信息控制所述调焦模块调焦，并根据所述FPGA板自身存储的光源板中每一路灯光的开关及亮度开启对应的灯路并调节相应的亮度；

步骤2：待所述光源板的灯光稳定且所述调焦模块完成调焦后，所述FPGA板对CMOS板下达拍摄指令，所述CMOS板执行拍摄动作；

步骤3：所述CMOS板完成拍摄后，向所述FPGA板传输图像信息，并发送拍摄完毕信号；

步骤4：所述FPGA板接收到拍摄完毕信号时，关闭光源板、开启激光灯并开启测距模块；

步骤5：所述CPU核心板同步接收到所述CMOS板拍摄的图像信息。

本优选方案所带来的优化效果是，在拍摄前关闭测距模块，避免测距模块发射的红外线对红外成像模式造成负面影响，使得相机的工作模式适用于红外成像和可见光成像；在拍摄前关闭激光灯，由于激光灯为可视激光灯，避免激光灯的光线对可见光成像模式造成负面影响，使得相机的工作模式适用于红外成像和可见光成像；光源板只在拍摄时开启，其余时间关闭，减少光源板的发热，同时节约电能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统包含用于补光的光源板、测距装置、用于定位的激光灯和调焦模块，系统的综合了对拍摄的影响因素，各个模块相互配合，最大程度的实现精确拍摄，整个系统高度集成化、智能化和高效化。

2、本发明所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统结构精简，机身体积小，可以适用于多种场合的拍摄。

3、本发明所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统的拍摄流程合理且高效，及时开启和关闭各个模块。

附图说明

图1是实施例所述的工业智能相机的结构爆炸图。

图2是一种工业智能相机的智能拍摄系统结构示意图。

图3是一种工业智能相机的智能拍摄系统逻辑图。

1—M2-6螺丝，2—柔光板，3—测距模块，4—M2-6铜螺柱，5—光源板，6—灯罩，7—M1.6-6螺丝，8—镜头，9—FPGA控制板，10—相机顶盖，11—灯珠，12—激光灯，13—M2-4螺丝，14—CMOS板，15—CPU接口板，16—音圈电机，17—CPU核心板，18—通孔，19—相机底壳，20—螺纹孔，21—HDMI接口，22—USB接口，23—按键，24—MicroUSB3.0接口，25—加高接插件，26—指示灯，27—散热齿。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

为便于描述，参照附图，以镜头/外接光源所在方向(此时可看作将产品竖直放置)为“上”，与其相对的另一方向为“下”，而当产品水平放置时，则可以“左”、“右”等方向予以描述，并非用于对本发明的限制。

如图1和图2所示，一种工业智能相机的智能拍摄系统，包括：相机顶盖10和相机底壳19，相机顶盖10与相机底壳19闭合形成容置空间，容置空间内设有CPU核心板17、CPU接口板15、CMOS板14和兼具图像处理器及FPGA处理功能的FPGA板9，相机顶盖10前端中心设有用于安装镜头的通孔18，通孔18位于CMOS板14和相机顶盖10前端之间，相机镜头设有调焦模块，相机顶盖10前端设有排布有灯珠11的光源板5，测距模块接3设于光源板5上，FPGA控制板9的一对或两对对角边缘处还设有可视激光灯12，CPU核心板17分别与CPU接口板15和FPGA板9电性连通，FPGA板9分别与CMOS板14、测距模块3、光源板5、激光灯12和调焦模块电性连通。现具体说明如下：

相机本体包括相机顶盖10、相机底壳19以及容置于相机顶盖10和相机底壳19闭合形成的空间内部的CMOS板14、FPGA控制板9、CPU接口板15和CPU核心板17。可选用M2-4螺丝13将FPGA控制板9固定于相机顶盖10内部。在该FPGA控制板9的一对或两对对角上设有可视激光灯12，出射激光形状为十字形或“L”形，可选择直径4MM，长度8MM的激光灯，通过激光形成的拍摄框可以对拍摄范围进行定位，这样，即使在无外接显示屏时，也能保证被拍摄物体位于拍摄范围内被拍摄。

CMOS板14可通过引脚接口实现与下方FPGA控制板9之间的信号接通，FPGA控制板9可通过引脚接口实现与下方CPU接口板15之间的信号接通。FPGA控制板9上还设有蜂鸣器，以及用于控制相机光源、指示灯26和输入按键23的接点。CPU接口板15可提供外部接口，包括用于连接显示屏的HDMI接口21，用于连接鼠标、键盘、U盘等的USB接口22，用于为相机提供电源以及内部信号的传输的Micro USB3.0接口24(自定义I/O)，以及相机指示灯26和输入按键23，输入按键23可实现简单的输入和输出，方便快速操作。以上接口/接点的设置均可采用现有常规技术手段实现，在此不做赘述。相机本体上还可外接有移动终端，移动终端用于显示采集的图像及相关参数并为使用者提供操作入口。相机自带CPU核心板17，移动终端可以是平板或手机，在移动终端上可以看到拍摄的图像，并根据实际要求和成像情况来调节各种参数。移动终端可通过USB接口22与相机相连。其中，HDMI接口21和USB接口22优选设于机身同一侧面，此时方便外接HDMI触摸屏，HDMI接口21可外接HDMI触摸屏的显示屏，USB接口22可供电和传输触摸信号。

其中，调焦模块可选用液态镜头体系或定焦镜头和驱动电机体系：

选用定焦镜头和驱动电机体系时，可选用音圈电机16和M12镜头。音圈电机16固定于通孔18内部，M12镜头旋设于音圈电机16上，音圈电机16可驱动M12镜头移动。

选用液态镜头体系时，电压变化会导致液态镜头的曲率发生变化，该变化会致液态镜头的焦距发生变化。

其中，CPU接口板15可通过连接铜柱固定于下方的CPU核心板17上，连接铜柱可选用M2-6螺丝和M2-8尼龙柱。CPU接口板15和CPU核心板17之间可通过接插件(例如可以采用现有的50pin板对板连接器)接通信号。CPU核心板17优选设计为圆角正方形的集成IntelCPU处理器，以提供图像处理和数据分析的相关程序，程序控制方式与现有外接PC控制方式相同，本领域技术人员可根据实际需要对程序功能进行设计与调整后由厂家制作，以上通过本领域常规技术手段即可实现，在此不做赘述。

本发明中优选用加高接插件25连接FPGA控制板9与光源板5，该接插件可选择24pin连接器，可设计为用电路板连接，电路板上方用塑料排母，避免与机壳导电，下方垫高排针与FPGA控制板9连接，也可采用其他公知技术手段，只要能接通光源板5和FPGA控制板9的信号即可。

测距模块3设于光源板5上，可分布在镜头的周围，可设置单个或多个。光源板5设于灯罩6内部，同时，为了使灯光均匀照射，减少检测物体反光，可使用M2-6螺丝1与M2-6铜螺柱4(上端)将柔光板2(材质可选用磨砂亚克力材质)固定于灯罩6的光源出口侧。本发明中，M2-6铜螺柱4的下端可将光源板5固定于灯罩6内，灯罩6则可采用M1.6-6螺丝7固定于相机顶盖10上，灯罩6同时可固定镜头与光源板5的距离。

一种工业智能相机的智能拍摄方法，应用上述系统。结合图3，拍摄前的准备工作：使用者通过外接的移动终端或者触摸屏设定激光灯、测距模块和光源板的启用模式，设定好触发拍摄的模式；设定CMOS板14的参数，如曝光时间，设定对焦参数。其中激光灯、测距模块的状态有两种：(1)常关；(2)受FPGA板控制拍摄时自动开关。光源板的状态有三种：(1)常关；(2)；常开；(3)每一路灯光的开关和亮度受所述FPGA板单独调节。光源板选择第三种模式时，准备工作需要设定好光源板每一路灯光的开关及亮度(亮度用百分比表示)，根据PWM占空比调节亮度，通过FPGA的I/O控制电路导通。FPGA板接收CPU核心板发送的上述设定，并储存至FPGA内部存储器和外部EEPROM。以激光灯、测距模块选用第二种模式，光源板选用第三种模式为例进行说明。测距模块和激光灯的初始状态为开启状态，光源板的初始状态为关闭状态。

其中，触发FPGA板9执行拍摄流程的方式有且不仅限于以下四种：

(1)CPU核心板17向FPGA板9发送拍摄指令，每发送一次拍摄指令，FPGA板9相应的执行一次拍摄流程；

(2)条件触发，即当检测模块3检测到信息符合预设的阈值范围，则FPGA板9执行拍摄流程；

(3)按键触发，即通过相机的按键23触发FPGA板9执行拍摄流程；

(4)电平触发，通过Micro USB3.0接口24自定义I/O接口，可设定特定的脉冲触发FPGA板9执行拍摄流程。

具体的拍摄流程：

当触发FPGA板9执行拍摄流程时，FPGA板9从多个测距模块3中获取所需拍摄物体的距离，计算出宽度和移动速度等数据，并关闭测距模块3。关闭测距模块3的动作在执行拍摄动作之前。FPGA板9处理所得数据并控制调焦模块根据所得数据进行调焦。

在触发FPGA板9执行拍摄流程同时，FPGA板9开启光源板5并根据自身存储的光源板5中每一路灯光的开关及亮度开启对应的灯路并调节相应的亮度。

于此同时，FPGA板9控制激光灯12关闭，同时延迟一段时间对CMOS板14下达拍摄指令，目的是使得拍摄时，光源板5的灯光达到最大值且稳定，需要注意的是，延迟拍摄时间为微秒级别，实现精确控制。

光源板5的灯光稳定且调焦模块完成调焦后，FPGA板9控制CMOS板14执行拍摄动作。CMOS板14完成拍摄后，向FPGA板9传输图像信息，同时向FPGA板9发送拍摄完毕信号。FPGA板9接收到拍摄完毕信号时关闭光源板5、开启激光灯12并开启测距模块3。FPGA板9将图像信息传输至CPU核心板17，同时，还可传输物体距离、灰度平均值和灰度直方图以及按键23的信息，以及准备工作时存储的数据，方便后续查看和校验。FPGA板9关闭光源板5、开启激光灯12和开启测距模块3的动作均在若干微秒内完成。

在此过程中，FPGA板9可对拍摄所得的图像信息进行预处理，即可获得拍摄图像的亮度分布、亮度平均值和最大最小值等信息，结合FPGA板9由测距模块3获得的物体距离、宽度和移动速度等信息，可以通过对这些信息的其中之一或多项组合，从而只将所需的图像传输至CPU核心板17，从而大大减少了CPU核心板17的分析运算，同时，FPGA板9可根据拍摄图像的亮度分布、亮度平均值和最大最小值等信息对图像进行优化处理，大大提高了整个拍摄系统的效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，包括：调焦模块、光源板、激光灯、测距模块、CPU核心板、CPU接口板、CMOS板和兼具图像处理器及FPGA处理功能的FPGA板，所述CPU核心板向所述FPGA板发送控制指令信号并接收所述FPGA板返回的信号，所述FPGA板根据所述CPU核心板的指令信号对所述CMOS板、测距模块、光源板、激光灯和调焦模块发送控制信号，所述FPGA板同时接收所述测距模块和CMOS板的传输信号并处理后发送至所述CPU核心板做进一步处理。

2.根据权利要求1所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述CPU接口板上外接有移动终端或者触摸屏，所述移动终端或者触摸屏用于显示采集的图像及相关参数并为使用者提供操作入口。

3.根据权利要求1所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述FPGA板上设有EEPROM存储单元，用于存储所述CPU核心板的指令以及所述光源板的每路灯珠亮度。

4.根据权利要求1所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述工业智能相机包括相机顶盖和相机底壳，所述相机顶盖与相机底壳闭合形成容置空间，所述CPU核心板、CPU接口板、CMOS板和FPGA板设于所述容置空间内，所述调焦模块设于相机镜头上，所述相机顶盖前端中心设有用于安装相机镜头的通孔，所述通孔位于所述CMOS板和所述相机顶盖前端之间，所述相机顶盖前端设有排布有灯珠的光源板，所述测距模块接设于所述光源板上，所述FPGA控制板的一对或两对对角边缘处还设有可视激光灯，所述CPU核心板分别与所述CPU接口板和FPGA板电性连通，所述FPGA板分别与所述CMOS板、测距模块、光源板、激光灯和调焦模块电性连通。

5.根据权利要求4所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述调焦模块包括液态镜头，或用于驱动镜头移动的音圈电机。

6.根据权利要求4所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述光源板上设有容纳镜头通过的孔洞，所述相机顶盖前端外侧设有灯罩，所述光源板安装于所述灯罩内部，所述灯罩的光源出口侧还设有柔光板。

7.根据权利要求4所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述可视激光灯的灯光为十字形或“L”形。

8.根据权利要求4所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统，其特征在于，所述光源板的灯珠可采用红外灯或可视灯。

9.一种工业智能相机的智能拍摄方法，其特征在于，通过权利要求1-8任意一项所述的一种工业智能相机的智能拍摄系统实现，设定所述激光灯、测距模块和光源板的启用模式，触发拍摄的模式，所述CMOS板参数和对焦参数，设定的模式及参数信息由所述CPU核心板发送至所述FPGA板，所述FPGA板存储上述模式及参数信息至内部存储器和所述EEPROM存储单元。

10.根据权利要求9所述的一种工业智能相机的智能拍摄方法，其特征在于，系统拍摄流程的步骤如下：

步骤1：所述FPGA板读取所述测距模块中数据，并关闭所述测距模块，同时根据读取到的信息控制所述调焦模块调焦，并根据所述FPGA板自身存储的光源板中每一路灯光的开关及亮度开启对应的灯路并调节相应的亮度；

步骤2：待所述光源板的灯光稳定且所述调焦模块完成调焦后，所述FPGA板对CMOS板下达拍摄指令，所述CMOS板执行拍摄动作；

步骤3：所述CMOS板完成拍摄后，向所述FPGA板传输图像信息，并发送拍摄完毕信号；

步骤4：所述FPGA板接收到拍摄完毕信号时，关闭光源板、开启激光灯并开启测距模块；

步骤5：所述CPU核心板同步接收到所述CMOS板拍摄的图像信息。