3D成像：嵌入式FPGA处理引擎实现3D web检测

奥地利自动化解决方案提供商digMAR公司为德国地毯和纺织品切割机供应商KURIS公司开发了一套3D图像处理系统。这套多相机机器视觉系统设计用于扫描纺织材料，可以自动计算基于材料高度特性的最佳切割坐标，以引导和控制切割设备。

KURIS公司为纺织和汽车行业提供全面的材料铺展和切割设备，目前已经有超过10,000台设备在世界各地运转。当KURIS公司需要一种可扩展的定制3D解决方案时，他们选择了digMAR公司，因为后者在软件和系统开发方面具备丰富的经验，并且重点关注数字图像处理。

图1：KURIS公司的地毯切割机采用了digMAR公司开发的嵌入相机中的3D激光三角测量技术，以实现实时质量控制。

因为检测诸如纺织品等此类超宽幅面和快速移动的web材料，通常需要大型3D数据流的高速、高吞吐量处理，所以工程师们选用了德国智能相机制造商NET New ElectronicTechnology公司的GigEPRO相机。GigEPRO相机号称采用“开放式相机概念”，其将一台标准的GigE Vision相机与一个开放的FPGA处理引擎相合。

这种架构允许在相机中集成的FPGA上执行标准或定制算法，从而缓解计算密集的主机PC的任务。这样一来，从相机传送到主机PC处理的数据量将显著减少，并且在这种特定应用中，能够在相机上实时执行3D激光三角测量算法。

“理解了这种应用的苛刻需求，以及KURIS要求严格保证光学控制系统的质量，因为这些因素对客户的生产质量和加工速度会产生重大影响。在这种情况下，digMAR的工程师很快就意识到了GigEPRO相机所能提供的优势。”NET New ElectronicTechnology公司工业销售经理Tim Miller说道。

图2：用户在相机中集成的FPGA上执行专有算法，允许相机激光系统在3D空间以0.1mm的精度检测地毯。

相机和SynView SDK开发包完全兼容GigEVision、GenICam和GenTL标准。基于Xilinx公司的Spartan6 FPGA，基本的相机设计为用户在FPGA中留下了额外的容量以及剩余的DDR存储空间，这样用户可以根据实际应用需求，为相机添加具有专有图像处理功能的“定制模块”，也可以开发定制产品。

据Miller介绍，NETNew Electronic Technology公司基于带有定制模块的Xilinx集成综合环境（ISE），为嵌入到相机中的FPGA代码生成提供工具链设置。这种特定的图像处理应用程序执行3D激光三角测量，同时digMAR的工程师也开发了系统的单色、彩色和组合彩色和3D激光三角测量实现。

“相比于采用标准相机的传统方法，嵌入到相机中的3D视觉的独特优势是：获得了实时性能和高度可扩展性，”Miller说道，“这样一来，我们甚至可以解决极端的web宽度问题。”相机输出高度图像和所谓的强度图像，包括原始图像的灰度值。

图3：digMAR公司开发的用于实时web检测的嵌入到相机中的3D视觉系统架构，采用了NET公司集成FPGA的GigE相机。这种开放式相机概念为用户提供了一种实施专有算法的开发平台。

“由于NET New ElectronicTechnology公司提供的这种开放式相机平台，使得KURIS公司能够在熟悉的环境中，将算法编程到GigEPRO相机中嵌入的FPGA中。”Miller解释说，“此外，这些算法在FPGA上保持安全，因为它们对第三方访问安全。而且，未来的软件和硬件适应性也是可能的。在这方面值得关注的应用有内外轮廓、钻孔、材料高度等指标的精确检测。”

该系统实现了高达400mm/s的扫描速度。标准扫描宽度为2100mm，尽管在该应用中客户需要的扫描宽度为4100mm。由于web幅面宽度超过4m，该解决方案使用了16台高分辨率GigEPRO相机，具有大约0.42mm/像素的图像分辨率，用于扫描地毯材料的整个表面。

图4：分析软件显示从3D扫描中计算出的切割坐标。

由于需要较高的地毯切割精度，扫描相机安装在切割机的梁上，这样可以单独扫描真空材料。材料可以手动加载或从卷筒连续进料。

每台相机与一个激光器和一个光学滤波器配对使用，用于产生几幅表面轮廓图像，然后将这几幅图像拼接到一起，以产生地毯表面的3D图像。根据这些数据，具有直观用户界面的分析软件，可以轻松调整边界尺寸、倒角、拼接尺寸和网格大小等参数。该软件包括预定义的计算模式，如自由形式、四边形和矩形、圆形和网格等。

图5：开放式相机概念的工作流程。利用开放式相机，用户可以创建嵌入式相机应用解决方案。

“光学检测需要在所有三维空间实现0.1mm的检测精度，”Miller说道，“因此，我们在GigEPRO相机中执行了digMAR公司的一种子像素精确分析算法。”

文/Steven Gloffen 原文在英文版2017-9月刊

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