基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統的製作方法
2023-09-14 05:39:50 1
基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，該系統包括：產品傳動裝置，用於將待檢測物運送至視覺檢測處並將檢測後合格品運出；光源裝置，用於發光並照射至視覺檢測處；圖像採集和視覺處理裝置，用於實現圖像的採集和視覺檢測；相機運動裝置，用於實現圖像採集和視覺處理裝置在X方向、Y方向和Z方向三個方向的運動；剔除裝置，用於實現次品的剔除；顯示裝置，用於動態顯示檢測狀況；以及檢測平臺，用於安裝光源裝置、圖像採集和視覺處理裝置、相機運動裝置、剔除裝置和顯示裝置。該視覺檢測系統集成度高、精度高、速度快、成本低，可極大地提高勞動生產率，降低生產成本。
【專利說明】 基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及可編程視覺晶片及機器視覺【技術領域】，尤其涉及一種基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，具有高速度、高集成、低功耗、低成本的優勢，可應用於多種工農業自動化檢測系統。
【背景技術】
[0002]在傳統的工農業生產中，產品檢測一般由工人通過千分表、遊標卡尺等工具人工測量，但隨著工農業自動化的發展，傳統的檢測技術已經無法滿足現有的工農業大生產的需要。同時，視覺系統通過對待檢測物的圖像進行分析，可快速、準確且無汙染的實現對目標的檢測而廣泛應用於工農業自動化生產中。而在自動化生產線上，既要完成高速高複雜度的檢測，給檢測設備留下的安裝空間又往往受限，因此又對檢測設備的尺寸提出要求。
[0003]現在工農業自動化中常用的視覺檢測系統包括兩類:一種是基於PC或工控機的的視覺系統，由光源、鏡頭、CMOS或CCD相機、圖像採集卡、PC或工控機以及處理軟體構成，其開發靈活性較大，但系統尺寸大，速度慢且成本較高；另一類是基於嵌入式系統的智能相機，可通過編程以應對不同應用，但應用複雜度受限且速度仍然較慢。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]針對以上問題，本發明提供了一種高集成度、高性能、具有人機互動能力、低成本、低功耗的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為達到上述目的，本發明提供了一種基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，該系統包括:產品傳動裝置，用於將待檢測物運送至視覺檢測處並將檢測後合格品運出；光源裝置，用於發光並照射至視覺檢測處；圖像採集和視覺處理裝置，用於實現圖像的採集和視覺檢測；相機運動裝置，用於實現圖像採集和視覺處理裝置在X方向、Y方向和Z方向三個方向的運動；剔除裝置，用於實現次品的剔除；顯示裝置，用於動態顯示檢測狀況；以及檢測平臺，用於安裝光源裝置、圖像採集和視覺處理裝置、相機運動裝置、剔除裝置和顯示裝置。
[0008]上述方案中，所述產品傳輸裝置包括流水傳送帶及其驅動電機。
[0009]上述方案中，所述光源裝置採用LED照明裝置。
[0010]上述方案中，所述圖像採集和視覺處理裝置包括光學鏡頭、圖像採集部分和視覺處理部分，圖像採集部分和視覺處理部分集成在同一晶片上，其中圖像採集部分包括一個MXM的像素陣列、一個MX I的模擬預處理陣列、一個MX I的模數轉換陣列和圖像採集控制模塊；視覺處理部分包括一個NXN的並行處理單元陣列、一個NX I的行並行處理陣列，以及一個多核精簡指令處理器子系統。
[0011]上述方案中，所述MXM的像素陣列高速採集圖像，並將圖像並行輸送到所述MX I的模擬預處理陣列，所述MXl的模擬預處理陣列接收所述MXM的像素陣列傳遞的原始圖像後，對圖像信號進行去噪、放大操作，處理後的圖像傳輸到所述MX I的模數轉換陣列，所述MX I的模數轉換陣列將來自所述MX I的模擬預處理陣列的模擬圖像信號轉換為高精度的數字圖像，所述圖像採集控制模塊對所述MXM的像素陣列、所述MX I的模擬預處理陣列和所述MX I的模數轉換陣列進行控制，保證其正常工作。
[0012]上述方案中，所述NXN的並行處理單元陣列由數字處理單元排列成二維陣列，每一數字處理單元對應圖像的一個和多個像素，所述NXN的並行處理單元陣列能夠存儲一幅或多幅圖像，並對來自所述圖像採集部分的圖像數據進行像素級並行處理；所述NXl的行並行處理陣列由N個行處理單元排列成一維陣列，每個行處理單元對一行圖像數據進行低中級圖像處理，所述NX I的行並行處理陣列以行並行方式對圖像數據進行非線性和廣域處理；所述多核精簡指令處理器子系統由多個精簡指令處理器組成，用於實現線程級並行處理，用於高級圖像處理和對系統的控制。
[0013]上述方案中，所述多核精簡指令處理器子系統中內嵌一個運動控制模塊，用於對視覺檢測系統中各伺服電機進行控制，具體包括產品傳動裝置、相機運動裝置和剔除裝置中的各伺服電機。
[0014]上述方案中，所述相機運動裝置包括X向運動裝置、Y向運動裝置和Z向運動裝置，相機運動裝置的運動由所述圖像採集和視覺處理裝置中的所述運動控制模塊控制，相機運動裝置中各伺服電機的旋轉編碼器將電機步數反饋至運動控制模塊。
[0015]上述方案中，所述剔除裝置包括機械剔除器、伺服電機和驅動器，當運動控制模塊發出剔除指令，伺服電機進行運轉並驅動機械剔除器進行往復運動，完成次品剔除動作。
[0016]上述方案中，所述顯示裝置為一個液晶顯示器，通過USB埠與圖像採集和視覺處理裝置相連，用於動態顯示檢測狀況。
[0017](三)有益效果
[0018]本發明提供的這種基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，是高集成度、高性能、具有人機互動能力、低成本、低功耗的視覺檢測系統，通過並行的體系架構，能夠實現不同生產環境下高速實時的產品檢測，對產品的尺寸、缺陷等進行檢測，並對不合格品進行自動剔除，提高系統自動化水平，降低生產成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明提供的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統的結構示意圖；
[0020]圖2為圖1中圖像採集和視覺處理裝置的示意圖；
[0021]圖3為圖1中剔除裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0023]如圖1所示，圖1為本發明提供的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統的結構示意圖，該系統包括產品傳動裝置、光源裝置、圖像採集和視覺處理裝置、相機運動裝置、剔除裝置、顯示裝置和檢測平臺，其中，產品傳動裝置用於將待檢測物運送至視覺檢測處並將檢測後合格品運出，光源裝置用於發光並照射至視覺檢測處，圖像採集和視覺處理裝置用於實現圖像的採集和視覺檢測，相機運動裝置用於實現圖像採集和視覺處理裝置在X方向、Y方向和Z方向三個方向的運動，剔除裝置用於實現次品的剔除，顯示裝置用於動態顯示檢測狀況，檢測平臺用於安裝光源裝置、圖像採集和視覺處理裝置、相機運動裝置、剔除裝置和顯示裝置。
[0024]參照圖1至圖3，下面對本發明提供的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統進行詳細說明。
[0025]1.檢測平臺
[0026]檢測平臺用於安裝光源裝置、圖像採集和視覺處理裝置、相機運動裝置、剔除裝置、顯示裝置等裝置；
[0027]2.產品傳動裝置
[0028]在產品檢測中傳動裝置是檢測的必要環節，用於將待檢測物運送至視覺檢測處並將檢測後合格品運出，該裝置包括流水傳送帶及其驅動電機，可根據生產需要調節傳輸速度。
[0029]3.光源裝置
[0030]光源直接影響採集的圖像質量，進而影響系統的檢測結果。光源裝置採用LED照明裝置，多個LED光源從多個角度進行照射，從而為檢測裝置提供良好均勻的光照條件。
[0031]4.圖像採集和視覺處理裝置
[0032]圖像採集和視覺處理裝置包括光學鏡頭、圖像採集部分和視覺處理部分，是本發明提供的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統的核心部分。
[0033]根據不同的使用環境和需求，可採用不同焦距和視角的光學鏡頭，已達到最佳的成像水平。
[0034]圖像採集部分和視覺處理部分集成在同一晶片上，即在單晶片上完成了圖像採集和處理的功能，這使得其處理速度和能力遠高於已有的嵌入式系統。
[0035]如圖2所示，圖像採集部分包括一個MXM的像素陣列、一個MX I的模擬預處理陣列、一個MX I的模數轉換陣列和圖像採集控制模塊；其中，MXM的像素陣列高速採集圖像，並將圖像並行輸送到所述MXl的模擬預處理陣列，所述MXl的模擬預處理陣列接收所述MXM的像素陣列傳遞的原始圖像後，對圖像信號進行去噪、放大操作，處理後的圖像傳輸到所述MX I的模數轉換陣列，所述MX I的模數轉換陣列將來自所述MX I的模擬預處理陣列的模擬圖像信號轉換為高精度的數字圖像，所述圖像採集控制模塊對所述MXM的像素陣列、所述MXl的模擬預處理陣列和所述MXl的模數轉換陣列進行控制，保證其正常工作。
[0036]視覺處理部分包括一個NXN的並行處理單元陣列、一個NX I的行並行處理陣列，以及一個多核精簡指令處理器子系統；其中，NXN的並行處理單元陣列由數字處理單元排列成二維陣列，每一數字處理單元對應圖像的一個和多個像素，所述NXN的並行處理單元陣列能夠存儲一幅或多幅圖像，並對來自所述圖像採集部分的圖像數據進行像素級並行處理。NXl的行並行處理陣列由N個行處理單元排列成一維陣列，每個行處理單元對一行圖像數據進行低中級圖像處理，NX I的行並行處理陣列以行並行方式對圖像數據進行非線性和廣域處理。多核精簡指令處理器子系統由多個精簡指令處理器組成，用於實現線程級並行處理，用於高級圖像處理和對系統的控制。多核精簡指令處理器子系統中內嵌一個運動控制模塊，用於對視覺檢測系統中各伺服電機進行控制，具體包括產品傳動裝置、相機運動裝置和剔除裝置中的各伺服電機。根據處理器計算結果，運動控制模塊對各運動裝置發出指令，驅動各裝置運動，同時對各裝置驅動電機旋轉編碼器發回的信號進行分析，並反饋給處理器，以實現對整個系統運動部件的控制。
[0037]5.相機運動裝置
[0038]相機運動裝置包括X向運動裝置、Y向運動裝置和Z向運動裝置，可實現圖像採集和視覺處理裝置在X方向、Y方向和Z方向三個方向的運動，相機運動裝置的運動由圖像採集和視覺處理裝置中的運動控制模塊控制，相機運動裝置中各伺服電機的旋轉編碼器將運動裝置的位置信息反饋至運動控制模塊。
[0039]X向運動裝置安裝在檢測平臺上，由X橫梁、導軌、絲槓和驅動電機等組成，在接收到運動控制模塊的指令後，伺服電機帶動絲槓運轉，從而驅動X橫梁在X方向運動。
[0040]Y向運動裝置安裝在X橫梁上，由Y橫梁、導軌、絲槓和驅動電機等組成，在接收到運動控制模塊的指令後，伺服電機帶動絲槓運轉，從而驅動Y橫梁在Y方向運動。
[0041]Z向運動裝置安裝在Y橫梁上，由Z向運動部件、導軌、絲槓和驅動電機等組成，在接收到運動控制模塊的指令後，伺服電機帶動絲槓運轉，從而驅動Z向運動部件在Z方向運動。
[0042]圖像採集和視覺處理裝置安裝在Z向運動部件上，通過對相機運動裝置的控制，可實現圖像採集和視覺處理裝置在X方向、Y方向和Z方向三個方向的運動。
[0043]6.剔除裝置
[0044]剔除裝置包括機械剔除器、伺服電機和驅動器，當運動控制模塊發出剔除指令，伺服電機進行運轉並驅動機械剔除器進行往復運動，完成次品剔除動作。可通過調節伺服電機的轉速以滿足不同檢測應用的要求。
[0045]圖3所示為本發明的一種剔除裝置的實施例，機械剔除器由凸輪8、滑輪9、剔除杆10等組成，接收到運動控制模塊的剔除指令後，伺服電機帶動凸輪轉動，推動剔除杆往復運動，從而完成副除動作。
[0046]除上述實施例外，剔除裝置也可以採用氣缸驅動等其他方式完成。
[0047]7.顯示裝置
[0048]顯示裝置為一個液晶顯示器，通過USB埠與圖像採集和視覺處理裝置相連，可動態顯示檢測狀況。
[0049]採用本發明提供的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統進行視覺檢測的流程為，待檢測產品通過產品傳輸裝置2傳送至視覺檢測平臺I處，圖像採集和視覺處理裝置5高速採集產品原始圖像並進行並行處理，檢測產品是否為次品，若為次品則由視覺處理裝置中的運動控制模塊控制剔除裝置7將次品從傳送帶上剔除；若待測產品尺寸較大，可通過視覺處理裝置中的運動控制模塊控制相機運動裝置6帶動圖像採集和視覺處理裝置5在X，Y，Z三個方向上運動，運動位移由驅動電機的旋轉編碼器反饋給運動控制模塊，進而完成對大件待測產品的檢查與測量。整個過程中可通過顯示裝置3查看產品狀況。
[0050]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，該系統包括: 產品傳動裝置，用於將待檢測物運送至視覺檢測處並將檢測後合格品運出； 光源裝置，用於發光並照射至視覺檢測處； 圖像採集和視覺處理裝置，用於實現圖像的採集和視覺檢測； 相機運動裝置，用於實現圖像採集和視覺處理裝置在X方向、Y方向和Z方向三個方向的運動； 剔除裝置，用於實現次品的剔除； 顯示裝置，用於動態顯示檢測狀況；以及 檢測平臺，用於安裝光源裝置、圖像採集和視覺處理裝置、相機運動裝置、剔除裝置和顯示裝置。
2.根據權利要求1所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述產品傳輸裝置包括流水傳送帶及其驅動電機。
3.根據權利要求1所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述光源裝置採用LED照明裝置。
4.根據權利要求1所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述圖像採集和視覺處理裝置包括光學鏡頭、圖像採集部分和視覺處理部分，圖像採集部分和視覺處理部分集成在同一 晶片上，其中圖像採集部分包括一個MXM的像素陣列、一個MX I的模擬預處理陣列、一個MX I的模數轉換陣列和圖像採集控制模塊；視覺處理部分包括一個NXN的並行處理單元陣列、一個NX I的行並行處理陣列，以及一個多核精簡指令處理器子系統。
5.根據權利要求4所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述MXM的像素陣列高速採集圖像，並將圖像並行輸送到所述MX I的模擬預處理陣列，所述MX I的模擬預處理陣列接收所述MXM的像素陣列傳遞的原始圖像後，對圖像信號進行去噪、放大操作，處理後的圖像傳輸到所述MXl的模數轉換陣列，所述MXl的模數轉換陣列將來自所述MX I的模擬預處理陣列的模擬圖像信號轉換為高精度的數字圖像，所述圖像採集控制模塊對所述MXM的像素陣列、所述MX I的模擬預處理陣列和所述MX I的模數轉換陣列進行控制，保證其正常工作。
6.根據權利要求4所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述NXN的並行處理單元陣列由數字處理單元排列成二維陣列，每一數字處理單元對應圖像的一個和多個像素，所述NXN的並行處理單元陣列能夠存儲一幅或多幅圖像，並對來自所述圖像採集部分的圖像數據進行像素級並行處理；所述NXl的行並行處理陣列由N個行處理單元排列成一維陣列，每個行處理單元對一行圖像數據進行低中級圖像處理，所述NX I的行並行處理陣列以行並行方式對圖像數據進行非線性和廣域處理；所述多核精簡指令處理器子系統由多個精簡指令處理器組成，用於實現線程級並行處理，用於高級圖像處理和對系統的控制。
7.根據權利要求6所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述多核精簡指令處理器子系統中內嵌一個運動控制模塊，用於對視覺檢測系統中各伺服電機進行控制，具體包括產品傳動裝置、相機運動裝置和剔除裝置中的各伺服電機。
8.根據權利要求7所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述相機運動裝置包括X向運動裝置、Y向運動裝置和Z向運動裝置，相機運動裝置的運動由所述圖像採集和視覺處理裝置中的所述運動控制模塊控制，相機運動裝置中各伺服電機的旋轉編碼器將電機步數反饋至運動控制模塊。
9.根據權利要求1所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述剔除裝置包括機械剔除器、伺服電機和驅動器，當運動控制模塊發出剔除指令，伺服電機進行運轉並驅動機械剔除器進行往復運動，完成次品剔除動作。
10.根據權利要求1所述的基於高速圖像傳感器和並行處理的視覺檢測系統，其特徵在於，所述顯示裝置為一個液晶顯示器，通過USB埠與圖像採集和視覺處理裝置相連，用於動態顯示檢測 狀況。
【文檔編號】G01B11/00GK103542805SQ201310498720
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】楊永興, 吳南健, 石匆, 楊傑 申請人:中國科學院半導體研究所