基于FPGA的机器视觉图像位移传感器设计与实现

基于FPGA的机器视觉图像位移传感器设计与实现

[摘要] 机器视觉是一门新兴的交叉科学，历经20多年的发展，已经形成了一套独自的基础理论框架和技术实现方法。这种视觉的本质就是基于一种或多种算法的实现过程，而算法的本身却无一例外地依赖计算机来实现。因而机器视觉也就同名为计算机视觉。本文介绍的机器视觉图像位移传感器采用在FPGA高速平台上，实现5-50帧/每秒的实时采集要求，超越目前抄数器的多项指标，高速高精度。通过TCP/IP通信接口和计算机互连，实现人机对话。该传感器的实现，可以提升产品的性能，体现在实时性和高精度。

[关键词] 机器视觉 FPGA 二维激光定位 图像位移传感器

[Abstract] Machine vision is a new interdisciplinary science, after 20 years of development, has formed the basis of a theoretical framework alone, and technical implementation. The nature of this vision is based on one or more of algorithm implementation process, and the algorithm itself, without exception, rely on computers to achieve. And therefore also the same name as the machine vision computer vision. This article describes the machine vision image displacement sensor high-speed platform in the FPGA to achieve 5-50 frames / sec real-time acquisition request, beyond the current scanner device a number of indicators, high-speed precision. Via TCP / IP communication interface and the computer interconnect to achieve human-computer dialogue. The realization of the sensor, can improve product performance, reflected in real time and high precision.

[Key Words] Machine vision FPGA two-dimensional laser alignment image displacement sensor

0 引言

视觉是人类观察世界和认知世界的重要手段。据统计，人类从外部世界获得信息约有80%是由视觉获取的。这既说明视觉信息量具大，也表明人类对视觉信息有较高的利用率，同时也体现了人类视觉功能的重要性。随着信息技术的发展，给计算机、机器人或其它智能机器赋予人类视觉功能，是人类多年以来的梦想。虽然目前还不能够使计算机、机器人或其它智能机器也具有像人类等生物那样高效、灵活和通用的视觉，但自20世纪50年代以来视觉理论和技术得到了迅速发展，这使得人类的梦想正在逐步实现。

当前，机器视觉的应用已经超越了其传统的检验领域，向着更深层、更为多样化的领域扩展。其应用最多的领域依次为：检验，条形码阅读，运动控制，校准和机器人装置，主要服务于制造业。它与传统传感器技术相比有着明显的优势，主要体现在：

（1）二维图像包含全部所有的与被测对象相关的“面信息”。因此，在一次

处理过程中可以同时处理大量的检测任务。这些检测任务可以包括物理尺寸比如长短、位置、转角；也可以包括视觉信息包括颜色、对比度和反射强度。

（2）彻底的数字化。与传统技术所采用的手动调整所引起的人工误差方式不同，数字化可以实现近乎完美的精度。由于机器视觉拥有这些优点，使得其在制造业自动化当中得到了广泛的应用。

1硬件构成

设计采用一种嵌入式模块化结构的二维激光定位图像位移传感器，具有体积下、重量轻、低功耗、实时性强等优点。

该位移传感器的原理如图1所示：主要包括CMOS图像传感器、FPGA处理器、数码管显示、通讯接口四个部分。

图1 位移传感器原理图

1.1基本工作原理

本装置采用激光定位技术，利用二维CMOS图像传感器（OV7110）作为敏感元件，通过与FPGA（XC3S100E）连接组成二维图像位移传感器。此传感器通过数码管显示实时测量X、Y坐标值，并将实时坐标值通过串口（RS232）传入计算机，由计算机显示激光光斑位置仿真图形。

传感器采用CMOS图像传感器OV7110，FPGA作为与图像传感器的数据接口，主要任务是对图像进行实时处理，即实现相应算法，计算光斑重心坐标等。传感器与计算机数据通讯采用RS232标准，串口电平转换芯片采用MAX202。

1.2硬件结构

图像传感器采用了二维黑白CMOS图像传感器OV7110，有0×480个像素点，每秒最大30帧，可用I2C接口进行功能配置，具有自动白平衡、灰度自适应和自动曝光等功能。

FPGA采用了Xilinx公司的SPARTAN-3E系列的XC3S100E，具有10万个门单元。二维图像数据具有数据量大的特点，而FPGA的并行性完全能够满足对图像数据实时处理的要求。同时Xilinx的ISE9.1开发环境对芯片也有很好的支持。4位7段数码管作为二维坐标值的显示单元，显示实时处理结果，并根据不同精度要求进行分段显示。当SW1置于上方时（图2），数码管前两位显示X坐标的两位十进制数值，后两位显示Y坐标，达到同时显示二维坐标的目的，但精度较低。当SW1置于下方，二维坐标采用分段显示，此时当SW0置于上（图3），数码管显示三位十进制X坐标值；当SW0置于下（图4），数码管显示三位十进制Y坐标值。

图2 X-Y坐标

图3 X坐标

图4 Y坐标

串口电平转换芯片MAX202使嵌入式系统能够与计算机实时通信，实时处理结果通过串口（RS232）传入计算机，计算机根据处理结果显示激光光斑的仿真图形。

2软件设计

软件基本流程：

图5 软件设计流程

2.1图像数据采集处理

数据的采集及计算将在FPGA中完成，采集程序主要输出图像传感器驱动时钟，并完成图像数据的帧同步采集，处理程序将实现光斑中心的定位。

2.2处理结果显示

对于处理结果，分两种方式显示：

1）由数码管实时显示二维坐标，显示方式见图2、3、4，在显示前要对数据进行相应的译码，驱动数码管显示结果。

2）处理结果经串口（RS232）模块传入计算机，计算机实时显示光斑位置仿真图形。串口协议使用了1位停止位，8位数据位，无奇偶检验，波特率为9600Kbps。

计算机接收到串口数据后，先进行数据的同步，每个数据帧共9个字节数据，其中前5个字节为数据帧的头，后4个字节为二维坐标值。

计算机得到坐标数据后，VC++在绘图线程中绘制激光光斑仿真图形。

图6为windows界面软件的截图，直观的显示了光斑位置。

图6 计算机图形显示

3结语

二维激光定位图像位移传感器采用现代电子技术，以FPGA为核心，充分考

虑到FPGA并行性的特点，实现了高速采集和高速运算。整个传感器体积小、重量轻，可靠性高，有着广泛的应用前景。

参考文献:

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[2]马颂德.计算机视觉[M].北京：北京大学出版社，1998

[3]马颂德,张正友.计算机视觉——计算理论与算法基础[M].北京：科学出版社.1998.

[4]D.Marr[著].姚国正.刘磊.汪云九译.视觉计算理论[M].北京：科学出版社.1988.