[發(fā)明專利]一種基于FPGA的關(guān)節(jié)臂激光掃描測頭激光光條圖像采集系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710095486.5
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106871783A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 婁小平;王華;董明利;李偉仙;祝連慶;劉超;潘志康
• 申請（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京律恒立業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,龐立巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密儀器檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及關(guān)節(jié)臂激光掃描測頭激光光條圖像采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)

關(guān)節(jié)臂坐標測量機是由多個臂和關(guān)節(jié)組成，通過末端臂上安裝的測頭構(gòu)成測量系統(tǒng)，由人控制實現(xiàn)對零部件表面信息的測量。在測量過程中，安裝在關(guān)節(jié)上的角度編碼器會實時記錄關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動過的角度，結(jié)合關(guān)節(jié)臂的長度，就可以計算出被測物上測量點的三維坐標信息。

測頭作為關(guān)節(jié)臂激光掃描測量機的一部分，主要分為接觸式和光學非接觸式兩種。在諸多的光學非接觸式視覺測量方法中，結(jié)構(gòu)光三維視覺測量方法以其大量程、大視場、較高精度、光條圖像信息易于提取、實時性強及主動受控等特點，近年來在工業(yè)環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用，它主要用于實現(xiàn)較軟材料或一些特征表面進行非接觸測量。

結(jié)構(gòu)光三維視覺測量是基于激光三角法測量原理，線激光器將線激光投射到被測物表面，在被測物表面形成由被測物表面形狀所調(diào)制的光條，然后通過攝像機拍攝得到光條的二維畸變圖像。當線激光器與攝像機之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖像坐標即可重現(xiàn)被測物的三維輪廓。根據(jù)光學投射器所投射的光束模式的不同，結(jié)構(gòu)光模式又可以分為點結(jié)構(gòu)光模式、線結(jié)構(gòu)光模式、多線結(jié)構(gòu)光模式、多線結(jié)構(gòu)光模式及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光模式等。

在諸多的結(jié)構(gòu)光模式中，由線結(jié)構(gòu)光方法開發(fā)的視覺傳感器配以一定的機械結(jié)構(gòu)，能夠比較容易地獲得被測物體的三維信息，且精度適中，結(jié)構(gòu)相對簡單，故在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而且線結(jié)構(gòu)光和單目相機的組合，還克服了雙目視覺測量方法中的立體匹配問題，在商品的加工制造、逆向工程、物體識別、文物保護和修復等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

因此，需要一種能夠進一步縮小關(guān)節(jié)臂激光掃描測頭的體積并使關(guān)節(jié)臂激光掃描測頭的運算速度更快的高質(zhì)量的激光光條圖像的采集、存儲和處理的基于FPGA的關(guān)節(jié)臂激光掃描測頭激光光條圖像采集系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的關(guān)節(jié)臂激光掃描測頭激光光條圖像采集系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟一：采用FPGA+CMOS的設(shè)計方法進行圖像的采集；

步驟二：采用FPGA+DSP的設(shè)計方法進行圖像的處理；

步驟三：使用外擴雙口RAM在FPGA和DSP之間進行圖像數(shù)據(jù)高速緩存；

步驟四：最終將得到的三維點信息通過串行接口傳送給上位機。

所述步驟一采用FPGA+CMOS的設(shè)計方法，包括CMOS圖像傳感器和圖像采集控制部分，其中，所述CMOS圖像傳感器進行圖像采集，圖像采集控制部分采用了FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，選用FPGA作為主控單元，使用Verilog語言對其進行邏輯化設(shè)計，所述FPGA不僅是采集部分的邏輯控制中心，而且具有完成部分簡單的圖像預處理功能，能有效的為圖像處理器減輕負擔，能大大減少電路板尺寸，增強了系統(tǒng)可靠性和靈活性。

具體步驟是：光入射到CMOS圖像傳感器的感光區(qū)域，光強信息被轉(zhuǎn)換為電荷量，通過驅(qū)動信號的控制，模擬信號被A/D采樣后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，CMOS圖像傳感器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳送給FPGA，(FPGA為圖像傳感器提供驅(qū)動信號，驅(qū)動圖像傳感器，獲取圖像數(shù)據(jù)并存儲到存儲器)FPGA接收到這些信號后轉(zhuǎn)存入儲存模塊，得到一幀已傳完的信號后，F(xiàn)PGA向圖像處理器DSP傳送采集完畢信號。

其中，CMOS圖像傳感器的時序和圖像成像原理如下:

在FPGA內(nèi)部，產(chǎn)生OV5640 CMOS圖像傳感器所需要的上電時序，CMOS圖像傳感器驅(qū)動模塊通過模擬I²C總線時序，對OV5640 CMOS圖像傳感器寄存器值進行初始化配置，CMOS圖像傳感器初始化完成后，利用光電效應(yīng)將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字信號形式將圖像信號傳送給FPGA。

所述步驟二采用FPGA+DSP的設(shè)計方法，包括DSP圖像處理器，其中DSP圖像處理器接收到圖像采集部分的傳送采集完畢信號后，從儲存模塊讀取圖像信息，對圖像進行處理，最終將處理結(jié)果上傳給上位機。

其中，在DSP中，對采集到的圖像進行處理包括以下步驟：攝像機的標定，光條中心的提取和解算。其中攝像機的標定使用的方法是張正友的方法，使用的光條中心提取算法是Steger算法，解算是由攝像機模型和光平面模型聯(lián)立方程組可以得到系統(tǒng)的解算模型。