基于LabVIEW的大视场激光视频图像采集系统_郏露锋.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-07-13基金项目:江苏省现代教育技术研究智慧校园课题(No.2021-R-96737)作者简介:郏露锋(1979-),男,硕士,实验师,研究方向:计算机技术与应用。基于 LabVIEW 的大视场激光视频图像采集系统郏露锋,张凯亮徐州工程学院,江苏 徐州 221000摘 要:针对激光视频图像采集过程中视角不足、图像呈现效果不佳问题,设计基于 LabVIEW 的大视场激光视频图像采集系统。该系统利用帧触发器和串行接口与摄像机相连,控制摄像机拍摄大视场激光视频图像;摄像机依据 IEEE-1394 总线协议将拍摄的大视场激光视频图像,传输到视频图像编码器内,利用该编码器对其实施压缩编码处理后,将大视场激光视频图像传输到视频图像处理器内;该处理器采用 LabVIEW 软件编程形式,将视频图像处理算法程序写入其中,通过运行该程序对激光视频图像进行亮度差异调整、图像配准等处理,将处理后的图像存储到存储器内,并利用 USB 控制器连接显示屏,为用户程序大视场激光视频图像采集结果。实验表明:该系统的中断时间为 2.0 min 左右,采集的激光视频图像水平视场角由 48增加到 83,且压缩激光视频图像帧频率波动区间为 33 f/s-34 f/s,系统具备较强的应用效果。关键词:LabVIEW;大视场;激光视频图像;采集系统;图像配准;图像编码器中图分类号:TN957 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.259Large field Laser video image acquisition system based on LabVIEWJIA Lufeng,ZHANG KailiangXuzhou University of Technology,Xuzhou Jiangsu 221000Abstract:In order to improve the problem of insufficient visual angle and poor image rendering effect in the process of laser video image acquisition,a large field of view laser video image acquisition system based on LabVIEW is designed.The system control element uses frame trigger and serial interface to connect with the camera,and controls the camera to shoot laser video images with large field of view.According to IEEE-1394 bus protocol,the camera transmits the wide-field laser video image to the video image encoder.After the encoder implements compression and coding processing,the wide-field laser video image is transmitted to the video image processor.The processor adopts the form of the LabVIEW software programming,the video image processing algorithm program written to them,by running the program is carried out on the laser video image brightness difference adjustment,image registration,such as processing,the processed image is stored in the memory,and use the USB controller connected display,wide field for the user program laser video image acquisition result.Experiments show that the interruption time of the system is about 2.0 min,the horizontal field of view of the collected laser video image is increased from 48to 83,and the frame frequency fluctuation range of the compressed laser video image is 33-34 fs-1,and the system has strong ap-plication effect.Key words:LabVIEW;large field of view;laser video image;acquisition system;image registration;image en-coder1 引言激光技术的不断发展也使其应用领域不断扩大,http /尤其是在视觉处理技术方面应用极为广泛,如路面监控、测绘等领域1-2。激光视频图像采集是实现其视觉处理的基础,为更好地实现激光视频图像采集,很多学者研究其采集系统。王莹等人3设计了光斑图像高速采集系统,该系统通过设计硬件采集电路实现激光视频图像采集,并使用滤波算法去除激光视频图像光斑,然后利用无线通信传输形式将采集结果传输到用户端。但该系统在实际应用过程中,其提取的图像分辨率数值较低,且运行时稳定性较差。张瑞等人4设计了远距离视觉信息采集系统,该系统从激光视频图像采集距离入手,针对较远距离的激光视频图像采集效果较强。但对于较近距离激光视频图像采集时,受激光光源影响其采集的激光视频图像逆光状态较多,因此,呈现的激光视频图像效果较差,在应用过程中存在片面性。LabVIEW 作为软件程序开发环境,其在目前的软件开发过程中应用范围较大,主要是由于该软件所占内存小5-6,其与其他软件兼容性较好,可与其他函数软件包相连,调用函数极为方便。LabVIEW 适用 VB、VF、VC+等多种编程语言,且可以用图形的方式描述编程过程,具备操作便捷的特点。在此,利用 LabVIEW软件程序开发环境,设计基于 LabVIEW 的大视场激光视频图像采集系统,以提升激光视频图像采集技术水平。2 大视场激光视频图像采集系统设计2.1 系统总体结构设计大视场激光视频图像采集系统,其总体结构如图 1 所示。在大视场激光视频图像采集系统总体结构内,现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为主控元件,该元件使用 220 V 电源为其供电,使用 LabVIEW 编程软件将激光视频图像采集程序写入其中。该主控元件与帧触发器相连后,控制摄像机拍摄大视场激光视频图像后,摄像机依据 IEEE-1394 总线协议将视频信息传输到视频图像编码器内。使用视频图像编码器对大视场激光视频信息进行编码处理后,将其发送到视频图像处理器内;利用视频图像处理器对激光视频信息进行亮度差异调整、图像配准和融合处理后,现场可编程逻辑门阵列将其传输到存储器内进行存储,然后利用 USB 控制器连接显示屏,为用户呈现视场激光视频图像采集结果。图 1 大视场激光视频图像采集系统总体结构2.2 硬件选取摄像机是采集大视场激光视频图像的基础设备,性能较好的摄像机采集到的大视场激光视频图像的分辨率和帧频均较高7-8。在此选择 Macro 大视场智能相机作为大视场激光视频图像采集系统的激光视频图像采集设备。Macro 大视场智能相机的大视场区间为 500 mm2 000 mm,其采集视频图像精度高达50 m,同时具备多图案投影功能9,拍摄激光视频图像时受漫射和存在反光的物体影响较小,且其内置软件自带优化功能,可对较暗的激光视频图像进行一定程度的调整。Macro 大视场智能相机参数如表 1所示。表 1 Macro 大视场智能相机参数参数名称数值单位传感器分辨率2 0482 048-光学尺寸2.66cm像素大小4.84.8m2最大帧速率180fps单声道color-摄像头连接时钟速度60MHz现场可编程逻辑门阵列(FPGA)选择 ZYNQ7000型 FPGA,该 FPGA 元件内置完整 ARM 硬核,其可独立执行相关程序和命令,且其可对异构计算方式进行处理,具备较强的灵活性。ZYNQ7000 型 FPGA 图像采集框架如图 2 所示。在 FPGA 图像采集框架内,利用 DDR3 控制器控制双核处理器,并由 AXI 互联总线连接双核处理器和 WEMA IP 处理单元。Macro 大视场智能相机与 FPGA 的图像采集 IP 相连后,经过BIDEO 转换 AXI-stream IP 单元将采集大视场视频图像传输到 VDMA IP 寄存器内,同样图像处理 IP 负责获取大视场视频图像的光条信息,而 HDMI 显示控制器 IP 则与视频图像采集卡相连10-11,负责对激光视频图像进行标定和初始图像的传输。图像处理 IP 和062郏露锋,等:基于 LabVIEW 的大视场激光视频图像采集系统http /HDMI 显示控制器 IP 均与其对应的 HDMI 显示控制器 IP 相连,经由 AXI 互联总线与系统的其他功能相连,实现大视场激光视频图像传输。图 2 ZYNQ7000 型 FPGA 图像传输框架2.3 激光视频图像编码器设计利用 FPGA 和 DSP 设计激光视频图像编码器,其结构如图 3 所示。用户采集大视场激光视频图像命令发送到 FPGA 内,利用 FPGA 内置程序采集到大视场激光视频图像后,将其传输到视频解码单元内,利用视频解码单元对其进行解码处理后,将大视场激光视频图像传输到帧存(SDRAM1)内。DSP 从帧存内读取解码后的大视场激光视频图像后,对其进行压缩处理并经由 FIFO 数据串口输出压缩编码后的大视场激光视频图像。图 3 激光视频图像编码器结构示意图2.4 基于 LabVIEW 激光视频图像采集程序设计LabVIEW 编程环境也称实验室虚拟仪器集成环境,其是一种编程软件开发环境。LabVIEW 编程环境可利用图标编写程序代码12-13,其在编写激光视频图像采集程序过程中,可依据数据流的流向执行程序。且该变化环境界面简洁、操作性强的同时其扩展性也较优秀。LabVIEW 编程环境内不具备激光视频图像采集和处理控件,需在用户编程输入设备上安装VDM 视觉开发包和 VAS 视觉采集软件。其中 VDM视觉开发包负责提供视频图像处理功能函数库,VAS视觉采集软件负责连接激光视频图像采集设备控制其执行采集任务14。VDM 视觉开发包和 VAS 视觉采集软件安装完成后,将摄像机设备接口与 FPGA 相连,通过启动视频图像功能函数和视觉采集软件实现大视场激光视频图像采集,其过程如图 4 所示。图 4 激光视频图像采集流程示意图在 LabVIEW 编程环境内启动 VDM 视觉开发包和 VAS 视觉采集软件后,首先创建相机设备并设置该相机拍摄参数,然后为采集到的激光视频图像建立内存空间,然后开始控制摄像机采集大视场激光视频图像。设置大视场激光视频图像采集循环体,以自定义形式控制摄像机执行拍摄任务。当摄像机执行完成拍摄任务后,停止摄像机拍摄命令,同时关闭摄像机,然后将激光视频图像内存关闭,完成激光视频图像采集过程。2.5 视频图像处理算法当大视场激光视频图像采集系统采集激