基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，该系统包括：产品传动装置，用于将待检测物运送至视觉检测处并将检测后合格品运出；光源装置，用于发光并照射至视觉检测处；图像采集和视觉处理装置，用于实现图像的采集和视觉检测；相机运动装置，用于实现图像采集和视觉处理装置在X方向、Y方向和Z方向三个方向的运动；剔除装置，用于实现次品的剔除；显示装置，用于动态显示检测状况；以及检测平台，用于安装光源装置、图像采集和视觉处理装置、相机运动装置、剔除装置和显示装置。该视觉检测系统集成度高、精度高、速度快、成本低，可极大地提高劳动生产率，降低生产成本。
【专利说明】 基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及可编程视觉芯片及机器视觉【技术领域】，尤其涉及一种基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，具有高速度、高集成、低功耗、低成本的优势，可应用于多种工农业自动化检测系统。
【背景技术】
[0002]在传统的工农业生产中，产品检测一般由工人通过千分表、游标卡尺等工具人工测量，但随着工农业自动化的发展，传统的检测技术已经无法满足现有的工农业大生产的需要。同时，视觉系统通过对待检测物的图像进行分析，可快速、准确且无污染的实现对目标的检测而广泛应用于工农业自动化生产中。而在自动化生产线上，既要完成高速高复杂度的检测，给检测设备留下的安装空间又往往受限，因此又对检测设备的尺寸提出要求。
[0003]现在工农业自动化中常用的视觉检测系统包括两类:一种是基于PC或工控机的的视觉系统，由光源、镜头、CMOS或CCD相机、图像采集卡、PC或工控机以及处理软件构成，其开发灵活性较大，但系统尺寸大，速度慢且成本较高；另一类是基于嵌入式系统的智能相机，可通过编程以应对不同应用，但应用复杂度受限且速度仍然较慢。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]针对以上问题，本发明提供了一种高集成度、高性能、具有人机交互能力、低成本、低功耗的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为达到上述目的，本发明提供了一种基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，该系统包括:产品传动装置，用于将待检测物运送至视觉检测处并将检测后合格品运出；光源装置，用于发光并照射至视觉检测处；图像采集和视觉处理装置，用于实现图像的采集和视觉检测；相机运动装置，用于实现图像采集和视觉处理装置在X方向、Y方向和Z方向三个方向的运动；剔除装置，用于实现次品的剔除；显示装置，用于动态显示检测状况；以及检测平台，用于安装光源装置、图像采集和视觉处理装置、相机运动装置、剔除装置和显示装置。
[0008]上述方案中，所述产品传输装置包括流水传送带及其驱动电机。
[0009]上述方案中，所述光源装置采用LED照明装置。
[0010]上述方案中，所述图像采集和视觉处理装置包括光学镜头、图像采集部分和视觉处理部分，图像采集部分和视觉处理部分集成在同一芯片上，其中图像采集部分包括一个MXM的像素阵列、一个MX I的模拟预处理阵列、一个MX I的模数转换阵列和图像采集控制模块；视觉处理部分包括一个NXN的并行处理单元阵列、一个NX I的行并行处理阵列，以及一个多核精简指令处理器子系统。
[0011]上述方案中，所述MXM的像素阵列高速采集图像，并将图像并行输送到所述MX I的模拟预处理阵列，所述MXl的模拟预处理阵列接收所述MXM的像素阵列传递的原始图像后，对图像信号进行去噪、放大操作，处理后的图像传输到所述MX I的模数转换阵列，所述MX I的模数转换阵列将来自所述MX I的模拟预处理阵列的模拟图像信号转换为高精度的数字图像，所述图像采集控制模块对所述MXM的像素阵列、所述MX I的模拟预处理阵列和所述MX I的模数转换阵列进行控制，保证其正常工作。
[0012]上述方案中，所述NXN的并行处理单元阵列由数字处理单元排列成二维阵列，每一数字处理单元对应图像的一个和多个像素，所述NXN的并行处理单元阵列能够存储一幅或多幅图像，并对来自所述图像采集部分的图像数据进行像素级并行处理；所述NXl的行并行处理阵列由N个行处理单元排列成一维阵列，每个行处理单元对一行图像数据进行低中级图像处理，所述NX I的行并行处理阵列以行并行方式对图像数据进行非线性和广域处理；所述多核精简指令处理器子系统由多个精简指令处理器组成，用于实现线程级并行处理，用于高级图像处理和对系统的控制。
[0013]上述方案中，所述多核精简指令处理器子系统中内嵌一个运动控制模块，用于对视觉检测系统中各伺服电机进行控制，具体包括产品传动装置、相机运动装置和剔除装置中的各伺服电机。
[0014]上述方案中，所述相机运动装置包括X向运动装置、Y向运动装置和Z向运动装置，相机运动装置的运动由所述图像采集和视觉处理装置中的所述运动控制模块控制，相机运动装置中各伺服电机的旋转编码器将电机步数反馈至运动控制模块。
[0015]上述方案中，所述剔除装置包括机械剔除器、伺服电机和驱动器，当运动控制模块发出剔除指令，伺服电机进行运转并驱动机械剔除器进行往复运动，完成次品剔除动作。
[0016]上述方案中，所述显示装置为一个液晶显示器，通过USB端口与图像采集和视觉处理装置相连，用于动态显示检测状况。
[0017](三)有益效果
[0018]本发明提供的这种基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，是高集成度、高性能、具有人机交互能力、低成本、低功耗的视觉检测系统，通过并行的体系架构，能够实现不同生产环境下高速实时的产品检测，对产品的尺寸、缺陷等进行检测，并对不合格品进行自动剔除，提高系统自动化水平，降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明提供的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统的结构示意图；
[0020]图2为图1中图像采集和视觉处理装置的示意图；
[0021]图3为图1中剔除装置的示意图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0023]如图1所示，图1为本发明提供的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统的结构示意图，该系统包括产品传动装置、光源装置、图像采集和视觉处理装置、相机运动装置、剔除装置、显示装置和检测平台，其中，产品传动装置用于将待检测物运送至视觉检测处并将检测后合格品运出，光源装置用于发光并照射至视觉检测处，图像采集和视觉处理装置用于实现图像的采集和视觉检测，相机运动装置用于实现图像采集和视觉处理装置在X方向、Y方向和Z方向三个方向的运动，剔除装置用于实现次品的剔除，显示装置用于动态显示检测状况，检测平台用于安装光源装置、图像采集和视觉处理装置、相机运动装置、剔除装置和显示装置。
[0024]参照图1至图3，下面对本发明提供的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统进行详细说明。
[0025]1.检测平台
[0026]检测平台用于安装光源装置、图像采集和视觉处理装置、相机运动装置、剔除装置、显示装置等装置；
[0027]2.产品传动装置
[0028]在产品检测中传动装置是检测的必要环节，用于将待检测物运送至视觉检测处并将检测后合格品运出，该装置包括流水传送带及其驱动电机，可根据生产需要调节传输速度。
[0029]3.光源装置
[0030]光源直接影响采集的图像质量，进而影响系统的检测结果。光源装置采用LED照明装置，多个LED光源从多个角度进行照射，从而为检测装置提供良好均匀的光照条件。
[0031]4.图像采集和视觉处理装置
[0032]图像采集和视觉处理装置包括光学镜头、图像采集部分和视觉处理部分，是本发明提供的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统的核心部分。
[0033]根据不同的使用环境和需求，可采用不同焦距和视角的光学镜头，已达到最佳的成像水平。
[0034]图像采集部分和视觉处理部分集成在同一芯片上，即在单芯片上完成了图像采集和处理的功能，这使得其处理速度和能力远高于已有的嵌入式系统。
[0035]如图2所示，图像采集部分包括一个MXM的像素阵列、一个MX I的模拟预处理阵列、一个MX I的模数转换阵列和图像采集控制模块；其中，MXM的像素阵列高速采集图像，并将图像并行输送到所述MXl的模拟预处理阵列，所述MXl的模拟预处理阵列接收所述MXM的像素阵列传递的原始图像后，对图像信号进行去噪、放大操作，处理后的图像传输到所述MX I的模数转换阵列，所述MX I的模数转换阵列将来自所述MX I的模拟预处理阵列的模拟图像信号转换为高精度的数字图像，所述图像采集控制模块对所述MXM的像素阵列、所述MXl的模拟预处理阵列和所述MXl的模数转换阵列进行控制，保证其正常工作。
[0036]视觉处理部分包括一个NXN的并行处理单元阵列、一个NX I的行并行处理阵列，以及一个多核精简指令处理器子系统；其中，NXN的并行处理单元阵列由数字处理单元排列成二维阵列，每一数字处理单元对应图像的一个和多个像素，所述NXN的并行处理单元阵列能够存储一幅或多幅图像，并对来自所述图像采集部分的图像数据进行像素级并行处理。NXl的行并行处理阵列由N个行处理单元排列成一维阵列，每个行处理单元对一行图像数据进行低中级图像处理，NX I的行并行处理阵列以行并行方式对图像数据进行非线性和广域处理。多核精简指令处理器子系统由多个精简指令处理器组成，用于实现线程级并行处理，用于高级图像处理和对系统的控制。多核精简指令处理器子系统中内嵌一个运动控制模块，用于对视觉检测系统中各伺服电机进行控制，具体包括产品传动装置、相机运动装置和剔除装置中的各伺服电机。根据处理器计算结果，运动控制模块对各运动装置发出指令，驱动各装置运动，同时对各装置驱动电机旋转编码器发回的信号进行分析，并反馈给处理器，以实现对整个系统运动部件的控制。
[0037]5.相机运动装置
[0038]相机运动装置包括X向运动装置、Y向运动装置和Z向运动装置，可实现图像采集和视觉处理装置在X方向、Y方向和Z方向三个方向的运动，相机运动装置的运动由图像采集和视觉处理装置中的运动控制模块控制，相机运动装置中各伺服电机的旋转编码器将运动装置的位置信息反馈至运动控制模块。
[0039]X向运动装置安装在检测平台上，由X横梁、导轨、丝杠和驱动电机等组成，在接收到运动控制模块的指令后，伺服电机带动丝杠运转，从而驱动X横梁在X方向运动。
[0040]Y向运动装置安装在X横梁上，由Y横梁、导轨、丝杠和驱动电机等组成，在接收到运动控制模块的指令后，伺服电机带动丝杠运转，从而驱动Y横梁在Y方向运动。
[0041]Z向运动装置安装在Y横梁上，由Z向运动部件、导轨、丝杠和驱动电机等组成，在接收到运动控制模块的指令后，伺服电机带动丝杠运转，从而驱动Z向运动部件在Z方向运动。
[0042]图像采集和视觉处理装置安装在Z向运动部件上，通过对相机运动装置的控制，可实现图像采集和视觉处理装置在X方向、Y方向和Z方向三个方向的运动。
[0043]6.剔除装置
[0044]剔除装置包括机械剔除器、伺服电机和驱动器，当运动控制模块发出剔除指令，伺服电机进行运转并驱动机械剔除器进行往复运动，完成次品剔除动作。可通过调节伺服电机的转速以满足不同检测应用的要求。
[0045]图3所示为本发明的一种剔除装置的实施例，机械剔除器由凸轮8、滑轮9、剔除杆10等组成，接收到运动控制模块的剔除指令后，伺服电机带动凸轮转动，推动剔除杆往复运动，从而完成副除动作。
[0046]除上述实施例外，剔除装置也可以采用气缸驱动等其他方式完成。
[0047]7.显示装置
[0048]显示装置为一个液晶显示器，通过USB端口与图像采集和视觉处理装置相连，可动态显示检测状况。
[0049]采用本发明提供的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统进行视觉检测的流程为，待检测产品通过产品传输装置2传送至视觉检测平台I处，图像采集和视觉处理装置5高速采集产品原始图像并进行并行处理，检测产品是否为次品，若为次品则由视觉处理装置中的运动控制模块控制剔除装置7将次品从传送带上剔除；若待测产品尺寸较大，可通过视觉处理装置中的运动控制模块控制相机运动装置6带动图像采集和视觉处理装置5在X，Y，Z三个方向上运动，运动位移由驱动电机的旋转编码器反馈给运动控制模块，进而完成对大件待测产品的检查与测量。整个过程中可通过显示装置3查看产品状况。
[0050]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，该系统包括: 产品传动装置，用于将待检测物运送至视觉检测处并将检测后合格品运出； 光源装置，用于发光并照射至视觉检测处； 图像采集和视觉处理装置，用于实现图像的采集和视觉检测； 相机运动装置，用于实现图像采集和视觉处理装置在X方向、Y方向和Z方向三个方向的运动； 剔除装置，用于实现次品的剔除； 显示装置，用于动态显示检测状况；以及 检测平台，用于安装光源装置、图像采集和视觉处理装置、相机运动装置、剔除装置和显示装置。
2.根据权利要求1所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述产品传输装置包括流水传送带及其驱动电机。
3.根据权利要求1所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述光源装置采用LED照明装置。
4.根据权利要求1所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述图像采集和视觉处理装置包括光学镜头、图像采集部分和视觉处理部分，图像采集部分和视觉处理部分集成在同一 芯片上，其中图像采集部分包括一个MXM的像素阵列、一个MX I的模拟预处理阵列、一个MX I的模数转换阵列和图像采集控制模块；视觉处理部分包括一个NXN的并行处理单元阵列、一个NX I的行并行处理阵列，以及一个多核精简指令处理器子系统。
5.根据权利要求4所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述MXM的像素阵列高速采集图像，并将图像并行输送到所述MX I的模拟预处理阵列，所述MX I的模拟预处理阵列接收所述MXM的像素阵列传递的原始图像后，对图像信号进行去噪、放大操作，处理后的图像传输到所述MXl的模数转换阵列，所述MXl的模数转换阵列将来自所述MX I的模拟预处理阵列的模拟图像信号转换为高精度的数字图像，所述图像采集控制模块对所述MXM的像素阵列、所述MX I的模拟预处理阵列和所述MX I的模数转换阵列进行控制，保证其正常工作。
6.根据权利要求4所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述NXN的并行处理单元阵列由数字处理单元排列成二维阵列，每一数字处理单元对应图像的一个和多个像素，所述NXN的并行处理单元阵列能够存储一幅或多幅图像，并对来自所述图像采集部分的图像数据进行像素级并行处理；所述NXl的行并行处理阵列由N个行处理单元排列成一维阵列，每个行处理单元对一行图像数据进行低中级图像处理，所述NX I的行并行处理阵列以行并行方式对图像数据进行非线性和广域处理；所述多核精简指令处理器子系统由多个精简指令处理器组成，用于实现线程级并行处理，用于高级图像处理和对系统的控制。
7.根据权利要求6所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述多核精简指令处理器子系统中内嵌一个运动控制模块，用于对视觉检测系统中各伺服电机进行控制，具体包括产品传动装置、相机运动装置和剔除装置中的各伺服电机。
8.根据权利要求7所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述相机运动装置包括X向运动装置、Y向运动装置和Z向运动装置，相机运动装置的运动由所述图像采集和视觉处理装置中的所述运动控制模块控制，相机运动装置中各伺服电机的旋转编码器将电机步数反馈至运动控制模块。
9.根据权利要求1所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述剔除装置包括机械剔除器、伺服电机和驱动器，当运动控制模块发出剔除指令，伺服电机进行运转并驱动机械剔除器进行往复运动，完成次品剔除动作。
10.根据权利要求1所述的基于高速图像传感器和并行处理的视觉检测系统，其特征在于，所述显示装置为一个液晶显示器，通过USB端口与图像采集和视觉处理装置相连，用于动态显示检测 状况。
【文档编号】G01B11/00GK103542805SQ201310498720
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】杨永兴, 吴南健, 石匆, 杨杰 申请人:中国科学院半导体研究所