基于视觉的三维轮廓检测方法研究

论文摘要

在高速在线检查、质量控制、机器/机器人视觉、实物仿型、自动加工等领域中,物体三维信息测量的应用日益重要。由于具有高分辨率、无破坏、数据获取速度快、精度较高、设备费用相对较低等优点,非接触的光学测量方法被公认为最有前途的三维测量方法。目前,三维测量的方法很多。激光三角测量方法由于系统结构简单,测量速度快,且具有实时处理能力,被广泛采用。本文研究的是基于线扫描的图像预处理系统,系统的核心处理器采用FPGA(Field Programmable Gate Array)。论文的基本思想是采用激光光源照射被测物体,物体表面产生漫反射光斑,利用三角测量原理,光斑在CCD表面成像。线阵图像数据被送给FPGA,在FPGA中利用不同的方法完成光斑中心位置的提取。在实际扫描过程中,由于环境、光源照度,以及被测量物体本身等的因素,采集到的光斑图像并不十分规则和理想,针对这种情况,本文比较了几种光斑中心提取方法的优缺点,如极值法、重心法,并提出了自适应阈值法的光斑中心提取方法。本文设计并完成了基于FPGA的线阵图像预处理硬件系统和软件算法设计。系统硬件设计分为5部分:分别是CCD数据采集部分、数据信号转化部分、FPGA数字信号处理部分,电源管理部分和外接接口部分。根据实时性的要求,选用EP2C20芯片作为核心处理器实现数字信号处理。考虑到USB接口的便携性和传输数据的高速性,选用USB串行通讯总线作为外设通信接口。软件算法方面,完成了基于FPGA的数据处理程序的设计和PC机上的图形显示程序设计。FPGA数据处理程序由FIFO模块,存储器控制模块、光斑中心提取算法模块、通信模块、时钟模块等组成。数据处理程序采用Verilog硬件描述语言编写,在Quartus II等EDA软件平台下按照FPGA的设计流程进行开发。在VC中完成了基于OpenGL的轮廓重建显示模块。最后,经过对硬件平台和软件算法的测试,并通过三维轮廓重建实验,验证了本系统的功能和准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 视觉检测技术的国内外综述
• 1.3 视觉检测系统分类及其发展方向
• 1.4 课题来源、目的及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究的目的
• 1.4.3 主要研究内容
• 第2章 总体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 三维轮廓测量方法
• 2.2.1 飞行时间法
• 2.2.2 相位测量法
• 2.2.3 数字全息法
• 2.2.4 激光三角法
• 2.3 光斑中心提取方法
• 2.3.1 极值法
• 2.3.2 阈值法
• 2.3.3 重心算法及改进的重心算法
• 2.3.4 自适应阈值法
• 2.4 激光三角法涉及的技术
• 2.4.1 CCD图像传感器
• 2.4.2 可编程逻辑设计技术简介
• 2.4.3 与上位机通信技术
• 2.4.4 OpenGL技术简介
• 2.5 系统总体方案
• 2.5.1 硬件平台
• 2.5.2 软件设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 系统硬件平台设计
• 3.1 硬件总体方案
• 3.2 线阵CCD相机介绍
• 3.3 数据转换模块
• 3.3.1 LVDS介绍及其特点
• 3.3.2 数据转换电路设计
• 3.4 FPGA部分
• 3.4.1 FPGA设计流程
• 3.4.2 FPGA芯片的选择
• 3.5 USB数据传输模块
• 3.5.1 FT245 芯片介绍
• 3.5.2 USB传输模块电路设计
• 3.6 电源模块
• 3.7 外扩存储器模块
• 3.8 电路配置及时钟电路
• 3.9 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 时钟管理模块
• 4.3 FIFO先进先出模块设计
• 4.3.1 异步时钟域的解决方法
• 4.3.2 异步FIFO的FPGA实现
• 4.3.3 LVDS接收器与异步FIFO的接口设计
• 4.4 累加及乘累加模块
• 4.5 SRAM控制器模块
• 4.6 光斑中心提取算法模块
• 4.7 通信模块设计
• 4.7.1 发送状态机
• 4.7.2 接收状态机
• 4.8 上位机显示模块
• 4.8.1 OpenGL功能
• 4.8.2 OpenGL工作流程
• 4.8.3 OpenGL程序设计
• 4.9 本章小结
• 第5章 各模块联调及三维轮廓重建实验
• 5.1 引言
• 5.2 嵌入式逻辑分析模块
• 5.3 模块调试试验及实验结果
• 5.3.1 FPGA与线阵CCD的数据传输调试
• 5.3.2 光斑中心提取算法调试
• 5.3.3 FPGA与PC机通讯调试
• 5.4 系统联调
• 5.4.1 系统标定
• 5.4.2 零件测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢