迄今為止，人們尚無(wú)法在高數(shù)據(jù)率的多相機(jī)系統(tǒng)中采用立體光學(xué)測(cè)量法。在MSTVision所采用的方法中，他們借助Silicon Software的FPGA圖像采集卡進(jìn)行加速，即可輕松實(shí)現(xiàn)立體光學(xué)測(cè)量法。
客戶(hù)
■ MSTVision GmbH
■ 地點(diǎn)：德國(guó)，美因茨
■ 行業(yè)：機(jī)器視覺(jué)
■ 應(yīng)用實(shí)施：2018年
01 應(yīng)用
MSTVision是工業(yè)圖像處理領(lǐng)域中定制解決方案的開(kāi)發(fā)服務(wù)供應(yīng)商，專(zhuān)注于在Silicon Software的VisualApplet開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)Halcon軟件庫(kù)及FPGA解決方案的腳本。此外，這家位于美因茨的公司還會(huì)在自有實(shí)驗(yàn)室中針對(duì)客戶(hù)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，進(jìn)行可行性測(cè)試和概念研究。
在單張圖像中，幾乎無(wú)法將目標(biāo)對(duì)象上的紋路結(jié)構(gòu)與其表面本身屬性區(qū)分開(kāi)來(lái)。在立體光學(xué)測(cè)量法中，人們往往通過(guò)從不同方向?yàn)槟繕?biāo)對(duì)象打光，再使用同一臺(tái)相機(jī)拍攝至少三張、通常是四張圖像。
系統(tǒng)一般會(huì)利用采集的數(shù)據(jù)結(jié)果（結(jié)構(gòu)、X導(dǎo)數(shù)和Y導(dǎo)數(shù)和平均曲率）計(jì)算得出四張圖像。通過(guò)這種分離表面屬性和紋路結(jié)構(gòu)的方法，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。
但由于CPU要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行密集的計(jì)算，因此通常無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程中所要求的周期時(shí)間。通過(guò)在FPGA中實(shí)現(xiàn)圖像采集和計(jì)算功能，就可以大大加快上述計(jì)算過(guò)程。
02 解決方案和優(yōu)勢(shì)
Robert J. Woodham早在約40年前就已經(jīng)引入了立體光學(xué)的基本測(cè)量法。相機(jī)的位置固定，但光源從不同的方向照射被拍攝對(duì)象，拍攝多張圖像。
基于已知的幾何體，這種方法可以計(jì)算出曲面法線(xiàn)的方向，進(jìn)而又可以確定目標(biāo)對(duì)象在每個(gè)圖像像素處的表面曲率和反射行為（反射率）。
這種方法可以有助完成多種任務(wù)，例如區(qū)分藥物包裝上的壓印（反射圖像，albedo image）和盲文（曲率圖像，curvature image）。
頂部：4張輸入圖像以及數(shù)字相機(jī)拍攝的圖像
底部：平均曲率圖像和反射圖
由于某些表面缺陷只能通過(guò)曲率圖像才能有效地檢測(cè)出來(lái)，因此這種檢測(cè)方法越來(lái)越普遍。然而，立體光學(xué)測(cè)量法涉及大量計(jì)算，即便現(xiàn)代處理器也沒(méi)有足夠的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的表面檢查。
正因如此，MSTVision已成功在Silicon Software的microEnable 5 marathon VCLx圖像采集卡的FPGA中實(shí)現(xiàn)了立體光學(xué)測(cè)量的全部計(jì)算。借助VisualApplet，Silicon Software提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境，讓FPGA能夠利用自身的功能來(lái)增強(qiáng)性能。圖像采集卡還能處理分段光源的驅(qū)動(dòng)控制和圖像采集同步。
Basler ace acA2040-180km所采集的四張“原始圖像”會(huì)直接在FPGA中處理，不會(huì)增加CPU的工作負(fù)載，然后圖像采集卡會(huì)將立體光學(xué)測(cè)量法的計(jì)算結(jié)果以四個(gè)可選圖像的形式呈現(xiàn)出來(lái)。
基于FPGA的立體光學(xué)測(cè)量法：設(shè)置和效果
1. 平均曲率 2. X導(dǎo)數(shù) 3. Y導(dǎo)數(shù) 4. 結(jié)構(gòu)
由于FPGA可進(jìn)行大量的并行處理，因此能以極高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行計(jì)算，并讓每個(gè)圖像采集卡實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)作。圖像采集卡microEnable 5 marathon VCLx的處理速率可高達(dá)1 GB/s。
在實(shí)際應(yīng)用中，帶寬會(huì)受到應(yīng)用的CameraLink接口以及可用的內(nèi)置儲(chǔ)存器 (Block RAM)的限制。但是，系統(tǒng)可以顯示高達(dá)755 MB/s的帶寬。相比之下，Intel i5-8400的處理速率只能達(dá)到220 MB/s。
盡管到目前為止還不能實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的立體光學(xué)測(cè)量過(guò)程，但現(xiàn)在借助FPGA的性能加速已經(jīng)使之成為可能。將計(jì)算任務(wù)放到圖像采集卡上進(jìn)行，這也有助實(shí)現(xiàn)更精巧的系統(tǒng)架構(gòu)。
此外，這項(xiàng)技術(shù)還可以與MSTVision未來(lái)提供的高速分揀技術(shù)合二為一。相信在不久的將來(lái)，使用Silicon Software基于FPGA的深度學(xué)習(xí)解決方案也會(huì)是市場(chǎng)自然選擇的發(fā)展步驟。
相關(guān)技術(shù)
■ 相機(jī)：Basler ace acA2040-180km
■ 圖像采集卡：Silicon Software microEnable 5 marathon VCLx
