图像处理系统的制作方法

本实用新型涉及图像采集和处理技术领域，尤其涉及一种基于FPGA处理芯片和DSP处理芯片的激光位移图像处理系统。

背景技术：

非接触式激光三角位移传感器是一种利用激光为光源，线阵CMOS或者CCD传感器作为接收器的精密测量仪器，对接收图像的处理方法影响着位移传感器的精度、稳定性等特性。目前大多数图像处理系统是基于PC端的，系统设备体积庞大，功耗较高，并且达不到高速实时处理能力。

中国CN102629968A号发明专利“一种图像处理装置、方法及系统”，发明了一种基于FPGA系统的处理系统虽然体积较小，但是还是达不到高速实时处理能力，并且一套系统只能处理一路采集的图像，如果同时处理两种不同激光源产生的采集图像时处理速度更加慢。

同时，现有的图像处理系统或者图像处理方法基本采用单一的FPGA系统直接对大量数据进行运算，这样使得运算时间过长，对图像信号处理的时间过长，导致图像处理效率低下，时间成本较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种实时处理能力强并且处理速度快的图像处理系统。

为实现上述目的，本实用新型提供一种图像处理系统，包括：

控制器，由FPGA处理芯片和DSP处理芯片组成；

至少两组激光头，分别连接所述控制器，将获取的图像数字信号经预处理后传输给所述控制器分别处理。

根据本实用新型的一个方面，每组所述激光头包括：

半导体激光器，用于发射激光信号；

CMOS传感器，将所述半导体激光器发射的激光信号转换为图像数字信号；

FPGA预处理芯片，连接所述半导体激光器和CMOS传感器，控制所述半导体激光器和所述CMOS传感器，接收由所述CMOS传感器传输的图像数字信号，对所述图像数字信号进行去噪和压缩预处理后将图像数字信号传输给所述控制器。

根据本实用新型的一个方面，所述图像处理系统包括两组所述激光头。

根据本实用新型的一个方面，所述FPGA处理芯片包括：

图像接收模块，接收所述激光头传输的图像数字信号并对图像数字信号进一步预处理。

根据本实用新型的一个方面，所述DSP处理芯片包括：

图像处理模块，用于对经过所述图像接收模块预处理后的图像数字信号进行深度滤波处理；

图像存储模块，用于存储处理后的图像数字信号；

图像传输模块，用于将图像处理信息传输给外接单元。

根据本实用新型的一个方面，所述图像处理模块包括：

滤波子模块，用于对所述图像接收模块接收的图像数字信号进行低通滤波；

位移子模块，用于基于低通滤波后的图像数字信号确定图像轮廓的中心点位置，并根据所述中心点位置与预设参考点的位置确定相对位移值；

其中，所述位移子模块通过以下方式中的至少之一确定图像轮廓的中心点位置：

确定低通滤波后的所述图像数字信号的峰值点，在该峰值点两侧选择所述图像数字信号的多个点并根据所述峰值点和选择的点确定图像轮廓的中心点；

根据低通滤波后的所述图像数字信号的峰值以及预先配置的下限值与峰值之间的比例关系确定下限值，选择位于所述峰值与所述下限值之间的图像数字信号，并根据所选择的图像数字信号确定图像轮廓的中心点；

所述位移子模块用于对低通滤波后的所述图像信号的波形进行曲线拟合，根据拟合得到的曲线的峰值点确定图像轮廓的中心点。

根据本实用新型的一个方面，所述FPGA处理芯片与所述DSP处理芯片通过高速UPP接口连接。

根据本实用新型的一个方面，所述图像存储模块采用高速DDR3芯片，通过FPGA硬件语言程序控制实现高速存储。

根据本实用新型的一个方面，每组所述激光头通过高速LVDS数据线将图像数字信号传输给所述控制器。

根据本实用新型的一个方案，每组激光头均由半导体激光器、CMOS传感器和FPGA预处理芯片组成，每个CMOS传感器都连接一个FPGA预处理芯片，所以在将图像数字信号传输给控制器中的FPGA处理芯片和DSP处理芯片之前，可以通过FPGA预处理芯片对图像数字信号的数据流量进行提前压缩预处理，将数据流量进行大量压缩，除去无效的原始图像信息，这样可以给控制器处理图像数字信号节省大量的运算时间，以确保根据本实用新型的图像处理系统能够满足实时、快速处理图像的要求。

根据本实用新型的一个方案，本实用新型把图像采集和传输集成FPGA处理芯片中，图像高级处理集成DSP处理芯片中，使得系统整体体积缩小，功耗降低。充分利用FPGA处理芯片的并行高速处理能力和DSP处理芯片系统高级复杂处理能力，完全实现实时图像处理方法，并且针对目前常用图像处理方法只能处理一路情况设计了满足本实用新型的多路的图像处理系统，而且在控制器处理图像之前通过FPGA预处理芯片对图像进行去噪和压缩预处理，使得控制器在处理图像时的速度更快、效率更高。

根据本实用新型的一个方案，本实用新型提供的基于FPGA和DSP的线阵CMOS图像系统和方法，把图像采集、传输和处理分布在不同芯片中，并且充分利用FPGA芯片的并行高速特性，DSP芯片高级复杂处理能力，充分发挥不同芯片的优点，系统整体性能稳定，体积较小，重量轻，功耗低，特别适合对体积和系统速度稳定性要求较高的多路实时图像采集处理应用领域。尤其是，根据本实用新型的图像处理系统和图像处理方法在控制器的FPGA和DSP处理芯片处理图像数字信号之前采用激光头中设置的FPGA预处理芯片对图像数字信号进行预处理(去噪和压缩)，预处理后的图像数字信号传输至控制器中可以大大减少运算时间，实现实时运算处理图像数字信号的效果。而且在控制器中的FPGA处理芯片会对接收的图像数字信号再次进行相应预处理，这样可以有效减少控制器中的DSP处理芯片对图像数字信号的处理运算时间，保证高速处理图像，确保本实用新型的多路实时快速处理图像数据。根据本实用新型的多组激光头连接控制器构成了多路图像处理，多路图像处理交替依次进行，配合控制器之前的预处理能够实现对大量图像数字信号进行快速处理的效果，相比现有技术处理速度成倍增加，并且能够实现实时处理图像数据，效率更高。根据本实用新型提供的基于FPGA和DSP的线阵CMOS图像系统和方法，更适合高速、高动态、高稳定性和实时性要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的图像处理系统的结构布置图；

图2示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的图像处理方法的流程图。

具体实施方式

此说明性实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本实用新型保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本实用新型并不特别地限定于优选的实施方式。本实用新型的范围由权利要求书所界定。

图1示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的图像处理系统的结构布置图。如图1所示，根据本实用新型的一种实施方式的图像处理包括控制器1和至少两组激光头2。在本实施方式中，控制器1是由FPGA处理芯片和DSP处理芯片组成的。如图1所示，在本实施方式中，激光头2设置为两组，两组激光头分别独立地连接控制器1，在本实施方式中，各组激光头2的作用是将获取的图像数字信号经过预处理后传输给控制器1分别处理。在本实施方式中，每组激光头2通过高速LVDS数据线将图像数字信号传输给控制器1。

如图1所示，根据本实用新型的一种实施方式，各组激光头2均包括半导体激光器201、CMOS传感器202和FPGA预处理芯片203。在本实施方式中，半导体激光器201通过FPGA预处理芯片203的控制用来发射激光信号。CMOS传感器202将半导体激光器201发射的激光信号转换为图像数字信号后传输给FPGA预处理芯片203进行预处理。FPGA预处理芯片203连接半导体激光器201和CMOS传感器202，用于控制半导体激光器201和CMOS传感器202。其中，对CMOS传感器202的控制包括时钟频率控制、曝光控制、图像发送控制等。此外，FPGA预处理芯片203接收由CMOS传感器202传输的图像数字信号，然后对接收到的图像数字信号进行预处理，在本实施方式中，预处理项包括去噪处理和压缩处理，这样可以除去无效的原始图像信息。在本实施方式中，图像数据的传输是通过数字IO直接相互连接实现的。此外，在本实施方式中，CMOS传感器202为线阵CMOS传感器。

根据本实用新型的上述设置，因为每组激光头2均由半导体激光器201、CMOS传感器202和FPGA预处理芯片203组成，每个CMOS传感器202都连接一个FPGA预处理芯片203，所以在将图像数字信号传输给控制器1中的FPGA处理芯片和DSP处理芯片之前，可以通过FPGA预处理芯片203对图像数字信号的数据流量进行提前压缩预处理，将数据流量进行大量压缩，除去无效的原始图像信息，这样可以给控制器1处理图像数字信号节省大量的运算时间，以确保根据本实用新型的一种实施方式的图像处理系统能够满足实时、快速处理图像的要求。

根据本实用新型的一种实施方式，FPGA处理芯片包括图像接收模块。在本实施方式中，图像接收模块用于接收经激光头2中的FPGA预处理芯片203去噪和压缩预处理后传输的图像数字信号，并对接收到的图像数字信号做进一步预处理，此预处理包括粗计算图像数字信号的最大中心点值，即图像轮廓的中心点位置；以及对图像数字信号的数据信息进行剪裁，剪裁适应于DSP处理芯片的数据量，即剪裁后的数据量与DSP处理芯片能够处理的所需的数据量相同，这样可以为DSP计算做好准备。图像接收模块对图像数字信号的预处理是在DSP处理芯片对图像数字信号进行深度处理前进行的，在本实用新型中，由于在FPGA预处理芯片203中对图像数字信号进行了去噪和压缩等处理，除去了图像的无效信息，随后在FPGA处理芯片的图像接收模块中再次对压缩后的图像数字信号进行粗算最大中心点值和剪裁数据量的相关预处理，使得可以进一步除去原始图像中的无效信息，并且将图像数字信号中的大量数据流量进行压缩，使得DSP处理芯片对图像数字信号的处理时间大大缩短，处理图像的速度成倍提高，实现了实时处理图像数据的效果。

根据本实用新型的一种实施方式，DSP处理芯片包括图像处理模块、图像存储模块和图像传输模块。在本实施方式中，图像处理模块用于对经过图像接收模块预处理后的图像数字信号进行深度滤波处理。图像存储模块用于存储处理后的图像数字信号。图像传输模块用于将图像处理信息传输给外接单元，例如传输给如图1所示的PC端或者计算机控制面板进行显示。在本实施方式中，DSP处理芯片的图像处理模块除了对图像数字信号进行滤波处理以后，还对图像数字信号进行各种图像处理深度操作，目的是从有噪声干扰的图像中提取有用信号用于处理。在本实施方式中，FPGA处理芯片与DSP处理芯片通过高速UPP接口连接。

在本实施方式中，图像处理模块包括滤波子模块和位移子模块。其中，滤波子模块用于对图像接收模块接收的图像数字信号进行低通滤波。位移子模块用于基于低通滤波后的图像数字信号确定图像轮廓的中心点位置，并根据中心点位置与预设参考点的位置确定相对位移值。在本实用新型中，位移子模块可通过以下方式中的至少之一确定图像轮廓的中心点位置：

确定低通滤波后的图像数字信号的峰值点，在该峰值点两侧选择图像数字信号的多个点并根据峰值点和选择的点确定图像轮廓的中心点；

根据低通滤波后的图像数字信号的峰值以及预先配置的下限值与峰值之间的比例关系确定下限值，选择位于峰值与下限值之间的图像数字信号，并根据所选择的图像数字信号确定图像轮廓的中心点；

位移子模块用于对低通滤波后的图像信号的波形进行曲线拟合，根据拟合得到的曲线的峰值点确定图像轮廓的中心点。

根据本实用新型的一种实施方式，在通过上述方式确定图像轮廓的中心点位置后，即可通过与中心点位置与预设参考点的位置确定相对位移值。在本实施方式中，计算获得的位移值可以暂时存储在图像存储模块中，也可以通过图像传输模块直接传输出去。图像存储模块使用高速DDR3芯片，直接用FPGA硬件语言程序控制，以满足高速存储要求。图像传输模块不仅可以传输原始CMOS图像波形，也可以把经过处理后位置值传输出去。图像传输模块与外部相连的接口包括USB3.0、千兆以太网、RS232、RS485和工业Ethercat总线，以满足不同场合下的高速实时传输要求。

此外，因为线阵CMOS传感器由于激光散射强度较强时，产生的图片会形成饱和失真特性，即激光在CMOS成像中由高斯波形恶化为中间凹陷的双峰波形。在图像处理模块中，由于常规的中值滤波、高斯滤波、均值滤波图像处理方法对CMOS传感器的饱和波形失真失效，所以本实用新型采用了特殊的基于FIR或者IIR的零相位滤波器算法设计，以消除高频噪声和CMOS传感器饱和波形失真。并且在位移计算中用了稳定性好、精度高的改进的傅里叶重心算法，最后再利用中值滤波消除随机突变位移点噪声，使得整个激光位移传感器重复性在1微米以内，精度在10微米以内。

根据本实用新型的上述设置，本实用新型把图像采集和传输集成FPGA处理芯片中，图像高级处理集成DSP处理芯片中，使得系统整体体积缩小，功耗降低。充分利用FPGA处理芯片的并行高速处理能力和DSP处理芯片系统高级复杂处理能力，完全实现实时图像处理方法，并且针对目前常用图像处理方法只能处理一路情况设计了满足本实用新型的多路的图像处理系统，而且在控制器处理图像之前通过FPGA预处理芯片对图像进行去噪和压缩预处理，使得控制器在处理图像时的速度更快、效率更高。

为实现上述目的，本实用新型还提供一种利用上述图像处理系统进行图像处理的方法。图2示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的图像处理方法的流程图。如图2所示，根据本实用新型的图像处理方法包括以下步骤：

a.FPGA预处理芯片203控制半导体激光器201发射激光信号，CMOS传感器202将激光信号转换为图像数字信号传输给FPGA预处理芯片203进行去噪和压缩预处理；

b.预处理以后的图像数字信号由FPGA预处理芯片203传输给控制器1，由控制器1中的FPGA处理芯片对接收到的图像数字信号进行进一步粗算最大中心点值和剪裁数据量的预处理后传输给DSP处理芯片，由DSP处理芯片对图像数字信号进行滤波处理，然后确定图像轮廓的中心点位置并确定相对位移值。

根据本实用新型的一种实施方式，DSP处理芯片对接收的图像数字信号进行滤波的方式为低通滤波；在确定位移值时，DSP处理芯片根据确定的图像轮廓的中心点位置与预设参考点的位置来确定相对位移值。

根据本实用新型的一种实施方式，基于滤波后的图像数字信号确定图像轮廓的中心点位置包括以下至少之一：

确定低通滤波后的所述图像数字信号的峰值点，在该峰值点两侧选择所述图像数字信号的多个点并根据所述峰值点和选择的点确定图像轮廓的中心点；

根据低通滤波后的所述图像数字信号的峰值以及预先配置的下限值与峰值之间的比例关系确定下限值，选择位于所述峰值与所述下限值之间的图像数字信号，并根据所选择的图像数字信号确定图像轮廓的中心点；

所述位移子模块用于对低通滤波后的所述图像信号的波形进行曲线拟合，根据拟合得到的曲线的峰值点确定图像轮廓的中心点。

根据本实用新型提供的基于FPGA和DSP的线阵CMOS图像系统和方法，把图像采集、传输和处理分布在不同芯片中，并且充分利用FPGA芯片的并行高速特性，DSP芯片高级复杂处理能力，充分发挥不同芯片的优点，系统整体性能稳定，体积较小，重量轻，功耗低，特别适合对体积和系统速度稳定性要求较高的多路实时图像采集处理应用领域。尤其是，根据本实用新型的图像处理系统和图像处理方法在控制器1的FPGA和DSP处理芯片处理图像数字信号之前采用激光头2中设置的FPGA预处理芯片203对图像数字信号进行预处理(去噪和压缩)，预处理后的图像数字信号传输至控制器1中可以大大减少运算时间，实现实时运算处理图像数字信号的效果。而且在控制器1中的FPGA处理芯片会对接收的图像数字信号再次进行粗算最大中心点值和剪裁数据量的预处理，这样可以有效减少控制器1中的DSP处理芯片对图像数字信号的处理运算时间，保证高速处理图像，确保本实用新型的多路实时快速处理图像数据。根据本实用新型的多组激光头2连接控制器1构成了多路图像处理，多路图像处理交替依次进行，配合控制器1之前的预处理能够实现对大量图像数字信号进行快速处理的效果，相比现有技术处理速度成倍增加，并且能够实现实时处理图像数据，效率更高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。