CN204408489U - 一种高速图像采集处理系统 - Google Patents

Abstract

一种高速图像采集处理系统，包括分光棱镜、两路CCD相机、相机调节装置和FPGA，分光棱镜用于将入射光分成两束子光束后分别进入两路CCD相机，相机调节装置用于调节两路CCD相机的空间位置，FPGA包括相机时序控制单元、图像合成单元和图像预处理单元，相机时序控制单元用于通过两根触发线向两路CCD相机发出脉冲控制信号控制两路CCD相机依时触发、分时曝光采集图像，图像合成单元将两路CCD相机的图像合成为连续图像，图像预处理单元用于图像的预处理，本实用新型的高速图像采集处理系统，实现了用低频率图像传感器完成高频率图像采集，显著降低了装置成本，提高了采图频率，特别适用于高速运动物体测量的图像采集处理。

Description

一种高速图像采集处理系统

技术领域

本实用新型属于图像采集处理技术领域，更具体地，涉及一种针对高速运动物体测量的高速图像采集处理系统。

背景技术

现有技术中用于高速运动物体的追踪拍摄，通常采用具有较高的采图帧率的高速图像采集处理装置。高速图像采集处理装置能够清晰、完整地记录运动过程，并克服了普通相机存在的模糊、重影、拖尾现象的缺陷，广泛应用于记录分析物体的运动变化、快速振动、微小变形等过程。当用于拍摄很高速度的运动物体时，要求装置具有非常高的采图频率，有时甚至需要达到纳秒级时间间隔频率。但是，现有技术中图像传感器的帧率的较少提高即导致价格的较大提高，特别是达到纳秒级时间间隔的的图像传感器，价格更是极其昂贵，因而在大量需要进行高速拍摄的场合，因高帧率图像传感器的价格制约而限制了其使用。显然，我们需要一种采图帧率更高并且价格更为低廉的高速图像采集装置，以适应越来越多的高速追踪拍摄的应用。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的高速图像采集处理装置存在的低频率图像传感器不能用于高速运动物体的追踪拍摄、高频率传感器的价格极其昂贵、限制了使用等缺陷与不足，提供一种高速图像采集处理系统，采用分光装置将入射光分两路至两路CCD相机，并采用FPGA输出控制信号控制两路相机依时触发、分时曝光，实现用低频率图像传感器完成高频率图像采集，显著降低了装置成本，提高了采图频率，特别适用于高速运动物体测量的图像采集处理。

本实用新型为实现技术目的采用的技术方案是：一种高速图像采集处理系统，包括图像采集系统和图像处理系统，所述图像采集系统包括分光 棱镜、两路CCD相机和相机调节装置，所述分光棱镜用于将入射光分成两束子光束后分别进入两路CCD相机，所述相机调节装置用于调节两路CCD相机的空间位置，所述图像处理系统包括FPGA，所述FPGA包括相机时序控制单元、图像合成单元和图像预处理单元，所述相机时序控制单元用于向两路CCD相机发出脉冲控制信号控制两路CCD相机依时触发、分时曝光，所述图像合成单元将两路CCD相机的图像合成为连续图像，所述图像预处理单元用于图像的预处理。

一种高速图像采集处理系统，所述FPGA分别向两路CCD相机发出的脉冲信号，高电平时触发CCD相机进行曝光采集图像，低电平时触发CCD相机停止曝光采集图像，所述两路CCD相机单次曝光采集时间和单次曝光采集周期均相等，所述两路CCD相机开始曝光采集的间隔时间小于单次曝光采集时间。

一种高速图像采集处理系统，所述分光棱镜为半透半反棱镜。

一种高速图像采集处理系统，所述相机调节装置调节两路CCD相机在X轴、Y轴、X轴旋转的三自由度方向上的误差小于1像素，并且调节两路CCD相机位于同一水平面内。

一种高速图像采集处理系统，所述图像采集系统采用几何标定法对两路CCD相机采集的图像进行去镜头畸变处理及坐标变换，使同一物体出现在两路CCD相机的同一位置。

一种高速图像采集处理系统，所述图像采集系统采用亮度标定法调节两路CCD相机采集图像的亮度保持一致。

一种高速图像采集处理系统，所述图像处理系统还包括DSP处理器和两片外挂SDRAM暂存器，所述DSP一端连接FPGA，另一端通过以太网输出接口连接上位机，所述DSP用于图像的后处理，将完成后处理完成的图像数据传输至上位机中，所述两片外挂SDRAM暂存器分别连接FPGA和DSP，分别用于FPGA和DSP的图像数据的暂存。

一种高速图像采集处理系统，所述图像处理系统还包括连接FPGA的Linear BPI Flash和连接DSP的NAND Flash，所述Linear BPI Flash存 储器用于存储相机控制信号及相机配置参数，所述NAND Flash用于存储DSP上电时序程序。

一种高速图像采集处理系统，所述图像采集系统还包括入光口和滤光片。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点在于：

1、采用分光装置分光两路至两路CCD相机，并采用FPGA输出控制信号控制两路相机依时触发、分时曝光，实现用低频率图像传感器完成高频率图像采集，显著降低了装置成本。

2、设置有相机调节装置，对两路CDD相机在X、Y、X轴旋转三个方向上进行微调，通过位置调节消除空间位置误差和加工误差，使得两路CCD相机采集的图像通过相机坐标系变换后在同一个坐标系中能够重合，从而使得不同相机不同时间曝光采集到的图像仅需坐标变换就能得到连续的图像信息。

3、分光棱镜选用半透半反棱镜，其透过率/反射率为50:50，因而分光后进入两路CCD相机的子光束的光强完全相同，可使两路CCD相机的亮度保持一致；另一方面由于半透半反棱镜的角度为45度，分光后的两束子光束在分光棱镜内部的的光程是相同的，因而仅需调节两路CCD相机距棱镜表面的距离相等即可，便于两路CCD相机的位置调节。

4、在拍摄前对两路CCD相机进行亮度标定，调整亮度值保持一致，可以省略后期的图像校正亮度差别的烦琐处理过程，提高后期图像处理速度。

5、FPGA向两路CCD相机分别输出脉冲控制信号，通过对脉冲控制信号的时序调整，可以方便地调节采图帧率，适应不同应用场合对图像采集的特殊要求。

6、本实用新型的高速图像采集处理系统，集图像采集、处理、存储为一体，集成度高、尺寸小、重量轻，特别适用于对空间位置要求较高的应用场合；外接有2路Cameralink接口和PC机接口，既可根据不同的应用场合选择不同帧率和大小的相机，也方便配合PC机实现处理功能，整个装置通用性强、适应范围广。

附图说明

图1是本实用新型的高速图像采集处理系统的结构示意图；

图2是本实用新型的高速图像采集处理系统的FPGA的脉冲控制信号的时序图；

图3是本实用新型的高速图像采集处理系统的FPGA的内部结构示意图；

图4本实用新型的高速图像采集处理系统的图像采集处理过程的流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本实用新型提供的一种高速图像采集处理系统，包括图像采集系统和图像处理系统。图像采集系统包括分光棱镜、两路CCD相机和相机调节装置，分光棱镜用于将入射光分成两束子光束后分别进入两路CCD相机，相机调节装置用于调节两路CCD相机的空间位置。图像处理系统包括FPGA，FPGA包括相机时序控制单元、图像合成单元和图像预处理单元，相机时序控制单元用于向两路CCD相机发出脉冲控制信号控制两路CCD相机依时触发、分时曝光，图像合成单元将两路CCD相机的图像合成为连续图像，图像预处理单元用于图像的预处理。参见图3，FGPA还包括Flash存储控制、内存控制器、DSP交互接口、电源等。

本实用新型提供的一种高速图像采集处理系统，图像采集系统还包括入光口和滤光片，入射光通过入光口后，经过滤光片变为单一波长的光，再通过分光棱镜分为两束光，分别入射到两路CCD相机入光口中。

本实用新型提供的一种高速图像采集处理系统，分光棱镜优选半透半反棱镜，选用半透半反棱镜的优点在于以下两点：一是半透半反棱镜的透 过率/反射率为50:50，因而分光后进入两路CCD相机的子光束的光强是完全相同的，可使两路CCD相机的亮度保持一致；二是由于半透半反棱镜的角度为45度，分光后的两束子光束在分光棱镜内部的的光程是相同的，因而仅需调节两路CCD相机距棱镜表面的距离相等即可，便于两路CCD相机的位置调节。

本实用新型采用两路CCD相机分时曝光，然后合成连续图像的方法，需控制两路CCD相机采集的图像趋于完全重合，即需控制两路图像的重合误差在规定范围内。导致两路CCD相机采集图像产生重合误差的原因在于两方面：一是两路CCD相机对比形成的空间位置误差；二是两路CCD相机的参考平面之间的位置误差，即加工安装误差。这两种误差是相互独立的，最终都表现为对同一物体两个相机拍摄到两幅图片之间的差别。

本实用新型的高速图像采集处理系统设置有相机调节装置，用于调节两路CCD相机的空间位置，保证两路CCD相机在X轴、Y轴、X轴旋转的三自由度方向上的误差均小于1像素，并调节两路CCD相机位于同一平面内。调节两路相机的空间位置时，首先通过CCD相机的参数，将1像素的误差转换为长度的误差，再通过光学计算得到控制系统的调节精度，然后对两路CCD相机在X轴、Y轴、X轴旋转的三自由度方向上进行微调，使两路CCD相机在三自由度方向上的误差均小于1像素。调节两路CCD相机参考平面位置时，以一个平面为基准，对另一个平面进行调节，使两路CCD相机位于同一水平面内。

本实用新型的高速图像采集处理系统，采用几何标定法对两路CCD相机采集的图像进行去镜头畸变处理及坐标变换，使同一物体出现在两路CCD相机的同一位置。具体步骤为：在镜头前放置方格或者点阵标定板，控制两个CCD相机分别进行曝光采图，然后对每个CCD相机采集的图像进行镜头去畸变处理及坐标变换，使同一物体出现在两个CCD相机的同一位置。

本实用新型的高速图像采集处理系统，采用亮度标定法调节两路CCD相机采集图像的亮度保持一致。具体步骤为：控制两个CCD相机同时曝光，同一时刻采集到同一物体的两张图像，以其中一个相机的一个图像为标准， 对另一个相机图像的亮度进行相应的亮度增强或者减弱处理，然后再根据灰度直方图精细调整，使得两路CCD相机采集到的图像信息亮度保持一致。

本实用新型的高速图像采集处理系统，FPGA通过两根触发线分别连接两路CCD相机，并通过两根触发线分别向两路CCD相机发出脉冲信号，控制两路CCD相机依时触发、分时曝光，完成图像采集。FPGA向两路CCD相机发出的脉冲控制信号，高电平时触发CCD相机进行曝光采集图像，低电平时触发CCD相机停止曝光采集图像。显然，为保证两路CCD相机的采图频率保持一致，应当使两路CCD相机单次曝光采集时间和单次曝光采集周期均相等，为保持两路CCD相机分时依次曝光，还应当使两路CCD相机开始曝光采集的间隔时间小于单次曝光采集时间。

参见图2，FPGA的控制原理具体如下：CCD相机外触发所用的电平为TTL电平，触发所用的信号为4V±2V，即所用的FPGA输出电平为2.5V的高电平时满足触发条件。因此，FPGA产生两路30Hz的方波，其中，2.5V高电平控制相机采图，0V低电平控制相机不采图。两路30Hz的方波，一路通过FPGA内部的PLL锁相环产生一个相位差，分别通过1口和2口输出至两路CCD相机的外部触发口，直接触发相机。方波中两路信号的相位差，即为两路CCD相机的采图时间间隔。

本实用新型的高速图像采集处理系统，图像处理系统还包DSP和两片外挂SDRAM暂存器。DSP一端连接FPGA，另一端通过以太网输出接口连接上位机，DSP用于图像的后处理，包括图像匹配、图像定位、图像缺陷检测等，并将完成后处理完成的图像数据通过以太网口传输至上位机中。一片SDRAM暂存器与FPGA连接，用于采集图像数据信息量很大时的图像数据的暂存，并通过内存控制器控制其数据的读写。另一片SDRAM暂存器与DSP连接有，DSP通过对SDRAM中的地址进行映射，先将接收到的图像数据直接写入其外挂SDRAM中，需要时，读取SDRAM中的图像信息后进行图像的后处理。

本实用新型的高速图像采集处理系统，图像处理系统还包括连接FPGA的Linear BPI Flash、连接DSP的NAND Flash。其中,Linear BPI Flash 存储器具有可读写擦的功能，可用于相机控制信号及相机配置参数的存储，上电后进行引导；NAND Flash也具有可读写擦出功能，存储DSP上电时序程序，上电时候通过NAND Flash引导DSP的上电。

本实用新型的高速图像采集处理系统，采用FPGA和DSP双处理器结构，能够实现完整的图像处理功能，特别是DSP平台下可以开发多种复杂的图像处理算法，根据不同的应用环境可以应用相应的图像处理算法，在高速运动物体测量的应用中可以选择运动物体快速定位、图像增强、图像去模糊等算法。本实用新型的高速图像采集处理系统，还可以通过以太网口将存储的图像信息和处理的结果发送到PC机上的，也可以通过PC机跟系统进行信息交互，实现图像的进一步处理。

本实用新型的高速图像采集处理系统，CCD相机可以选择帧率不同的Cameralink相机，滤光片选择绿光滤光片，FPGA型号为6VLX240T，DSP型号为TMS320C6678，两片SDRAM为MICRON的MT4JSF12864HZ(1GB)，以太网芯片为88E1111。

本实用新型的高速图像采集处理系统的图像采集与处理的工作流程如附图4，系统上电后，FPGA部分的FLASH上电自举，对两个处理器FPGA和DSP进行初始化，其中DSP初始化是通过FPGA来控制的，DSP初始化后，DSP部分的FLASH引导加载程序到DSP中。再将两路CCD相机曝光采集模式设置为外触发模式，FPGA发出控制信号控制CCD曝光采集时序，两个相机依次曝光，采集到的图像通过Cameralink传送到FPGA处理器中，通过预先存储的预处理程序进行图像的预处理，处理完的图像信息传输到DSP中进行图像的后处理，处理完的图像通过以太网口传输到PC机上进行结果的显示。

Claims (9)

1.一种高速图像采集处理系统，包括图像采集系统和图像处理系统，其特征在于：所述图像采集系统包括分光棱镜、两路CCD相机和相机调节装置，所述分光棱镜用于将入射光分成两束子光束后分别进入两路CCD相机，所述相机调节装置用于调节两路CCD相机的空间位置，所述图像处理系统包括FPGA，FPGA通过两根触发线分别连接两路CCD相机，并通过两根触发线分别向两路CCD相机发出脉冲信号，控制两路CCD相机依时触发、分时曝光，完成图像采集。

2.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述FPGA分别向两路CCD相机发出的脉冲信号，高电平时触发CCD相机进行曝光采集图像，低电平时触发CCD相机停止曝光采集图像，所述两路CCD相机单次曝光采集时间和单次曝光采集周期均相等，所述两路CCD相机开始曝光采集的间隔时间小于单次曝光采集时间。

3.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述分光棱镜为半透半反棱镜。

4.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述相机调节装置调节两路CCD相机在X轴、Y轴、X轴旋转的三自由度方向上的误差小于1像素，并且调节两路CCD相机位于同一水平面内。

5.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述图像采集系统采用几何标定法对两路CCD相机采集的图像进行去镜头畸变处理及坐标变换，使同一物体出现在两路CCD相机的同一位置。

6.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述图像采集系统采用亮度标定法调节两路CCD相机采集图像的亮度保持一致。

7.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述图像处理系统还包括DSP处理器和两片外挂SDRAM暂存器，所述DSP一端连接FPGA，另一端通过以太网输出接口连接上位机，所述DSP用于图像的后处理，并将完成后处理完成的图像数据传输至上位机中，所述两片外挂SDRAM暂存器分别连接FPGA和DSP，分别用于FPGA和DSP的图像数据的暂存。

8.根据权利要求7所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述图像处理系统还包括连接FPGA的Linear BPI Flash和连接DSP的NANDFlash，所述Linear BPI Flash存储器用于存储相机控制信号及相机配置参数，所述NAND Flash用于存储DSP上电时序程序。

9.根据权利要求1所述的高速图像采集处理系统，其特征在于：所述图像采集系统还包括入光口和滤光片。