基于Labview的圖像與力值同步采集系統(tǒng)

蔣粉玲，蔣明

（蘇州科技學院數(shù)理學院，江蘇蘇州215009）

基于Labview的圖像與力值同步采集系統(tǒng)

蔣粉玲，蔣明*

（蘇州科技學院數(shù)理學院，江蘇蘇州215009）

針對兩攝像機（CCD）與外部傳感器間的同步控制與采集問題進行了研究。建立了基于Labview的圖像與力值同步采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Labview為操控平臺，編程控制PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡，觸發(fā)CCD圖像與試驗機力值數(shù)據(jù)同步采集，并通過調(diào)整觸發(fā)信號的周期控制同步采集頻率。圖像與力值數(shù)據(jù)的同步采集誤差小于10 μs，相對于系統(tǒng)采集頻率，最大誤差為0.007%。同步采集的力值數(shù)據(jù)與試驗機所記錄的力值間最大誤差為2.89%。

Labview；數(shù)據(jù)采集卡；同步控制；CCD；試驗機

雙目立體視覺測量系統(tǒng)通過模仿人眼視覺原理，獲取物體的三維信息。近年來，以Sutton[1-3]等為代表的學者將立體視覺測量技術(shù)與數(shù)字圖像相關(guān)方法相結(jié)合形成三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，以獲取物體表面全場三維位移及應變等。在土木工程監(jiān)測、材料力學性能檢測等應用領(lǐng)域，需要在連續(xù)受力情況下實時測量被測物的位移、應變等信息，因此，需同步采集CCD圖像與試驗機力值數(shù)據(jù)。

常用的多CCD同步采集控制，分為軟件控制和硬件控制兩種方法。軟件控制方法主要是利用Windows系統(tǒng)下的多線程技術(shù)開發(fā)CCD控制程序，除了對編程能力要求較高外，由于相機連接方法等原因，相機間同步精度不高[4-5]，且不能同步獲得試驗機的力值數(shù)據(jù)。硬件控制方法[6-10]主要分為三類：第一類是基于多PCI數(shù)據(jù)采集卡的CCD同步方法[6]，該方法通過給PCI數(shù)據(jù)采集卡編寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)多PCI卡之間的同步，從而控制CCD同步采集，驅(qū)動程序的編寫對硬件知識和編程能力要求較高；第二類是基于多路圖像數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)CCD同步控制[7]，大多數(shù)多路圖像采集卡不是基于分時操作就是基于多路視頻切換，顯然不能滿足動態(tài)測量的精度要求，且圖像數(shù)據(jù)采集卡之間還需通過同一外部觸發(fā)源觸發(fā)實現(xiàn)同步工作；第三類是基于外觸發(fā)信號源的CCD同步方法[8-9]，外觸發(fā)信號源通常是高精度的信號發(fā)生器，只需信號發(fā)生器發(fā)出多路同步觸發(fā)信號，便可使多臺CCD以高精度同步方式工作，且同步誤差僅取決于CCD的觸發(fā)延遲時間（一般是微秒量級），對于幾十到幾百米的傳輸距離而言，傳輸過程引起的時間誤差可以忽略不計。通過外觸發(fā)信號源觸發(fā)帶外觸發(fā)功能的數(shù)據(jù)采集模塊，即可實現(xiàn)力值數(shù)據(jù)的同步獲取。

考慮到CCD圖像與試驗機力值數(shù)據(jù)的同步采集控制及同步精度，筆者采用帶外觸發(fā)功能的PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡作為同步觸發(fā)信號發(fā)生器和同步數(shù)據(jù)接收器。以圖形化的Labview軟件為控制平臺，編寫數(shù)據(jù)采集卡的控制程序，使其發(fā)出TTL數(shù)字觸發(fā)信號的同時接收模擬信號，實現(xiàn)兩個CCD圖像與試驗機力值數(shù)據(jù)的同步采集，并通過調(diào)整觸發(fā)信號的周期控制同步采集頻率。

1 同步采集控制與實現(xiàn)

1.1 硬件組成及同步控制

同步采集系統(tǒng)的目標是實時觸發(fā)兩臺工業(yè)攝像機（CCD）采集圖像，并同步獲取電子萬能試驗機的力值數(shù)據(jù)。圖1為實現(xiàn)同步采集控制的硬件組成示意圖，其中PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡[11]是一款帶外觸發(fā)功能的多功能內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡，是實現(xiàn)同步采集控制的核心硬件。CCD的型號為Pike-F505b，最大分辨率為2 452×2 054像素，機身上有一個通用輸入輸出（GPIO）接口接收TTL脈沖信號并觸發(fā)曝光拍攝圖像，每臺CCD通過1 394 b接口與計算機相連，實現(xiàn)圖像傳輸及存儲。電子萬能試驗機中的力值數(shù)據(jù)由試驗機的力值傳感器產(chǎn)生，經(jīng)采集開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，由PCI8932數(shù)據(jù)采集卡采集這一數(shù)字信號，并經(jīng)板卡上的放大電路和變送電路轉(zhuǎn)換為電壓信號通過DA端輸出，將PCI8932的DA端與PCIE8620的AD端相連，即可通過PCIE8620采集力值數(shù)據(jù)。

PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡的16路TTL數(shù)字輸出端可以輸出16路TTL同步信號，取其中的任意兩路數(shù)字輸出端，控制接收TTL脈沖信號的2個CCD同時曝光采集圖像。Pike-F505B機身的GPIO接口包含12個插針，其中4號插針為默認的觸發(fā)端。CCD在同步信號觸發(fā)下的一個工作周期的時序如圖2所示[12]，其中觸發(fā)信號為下降沿，CCD在接收到TTL數(shù)字脈沖觸發(fā)信號中的下降沿時便開始曝光拍攝圖像，為了給CCD曝光積分器充足的響應時間，需通過觸發(fā)延時寄存器設置觸發(fā)延遲時間，一般可設置成0～10 μs之間任意數(shù)值。當曝光積分完成后即可傳送數(shù)據(jù)，傳送延遲的時間為1 ms，通過傳送延遲寄存器設置。觸發(fā)信號的周期必須大于CCD曝光及傳輸數(shù)據(jù)的工作周期，否則將導致“丟幀”現(xiàn)象。觸發(fā)信號也可以是上升沿，可通過攝像機的控制軟件設置。CCD在外觸發(fā)工作模式下的采集幀率由觸發(fā)信號的頻率決定。

圖1 硬件組成示意圖

圖2 攝像機外部觸發(fā)工作時序圖

帶外觸發(fā)功能的PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡可以在輸出TTL同步信號的同時采集外部數(shù)據(jù)。PCIE8620的DTR數(shù)字量脈沖電平觸發(fā)AD采集數(shù)據(jù)功能，通過捕獲觸發(fā)源信號相對于觸發(fā)電平信號的以上或以下位置作為條件來觸發(fā)AD采集，該功能可連續(xù)觸發(fā)AD采集數(shù)據(jù)。將一個TTL數(shù)字脈沖信號接入DTR端，在脈沖電平觸發(fā)模式下，DTR端每接收一個TTL脈沖AD便開始按事先設定好的采樣頻率采集數(shù)據(jù)。PCIE8620讀取AD數(shù)據(jù)的方式分為非空查詢方式、半滿查詢方式和DMA方式，這三種讀取方式下AD存儲數(shù)據(jù)的速率都與采樣頻率相等，但其中只有非空查詢方式可以一次只讀取一個或幾個數(shù)據(jù)，滿足高實時性的采集需要，AD在非空查詢方式下讀取數(shù)據(jù)的頻率由接入DTR端的脈沖信號的頻率決定。將PCIE8620的工作模式設置為DTR脈沖電平觸發(fā),讀取AD數(shù)據(jù)的方式設置為非空查詢方式，即可實現(xiàn)CCD每曝光采集一個圖像，PCIE8620的AD端同步采集一個數(shù)據(jù)。在外觸發(fā)模式下CCD采集圖像的幀率、圖像與力值同步采集的頻率相等且都等于TTL脈沖信號的頻率，調(diào)整TTL脈沖信號的周期，即可實現(xiàn)對同步采集頻率的控制。

1.2 Labview控制平臺

兩臺工業(yè)CCD之間的同步及電子萬能試驗機的力值數(shù)據(jù)與CCD圖像的同步采集均以Labview軟件為平臺編寫控制程序，利用Labview DAQ控件調(diào)用PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡的適合自己應用程序的驅(qū)動VI，實現(xiàn)特定的信號輸出、數(shù)據(jù)同步采集控制及顯示。圖3為Labview總控制的前面板設計，前面板主要由三個模塊組成：（1）調(diào)用CCD控制軟件模塊；（2）輸出TTL數(shù)字同步觸發(fā)信號模塊；（3）同步采集力值數(shù)據(jù)模塊。每個模塊都有各自的啟動和結(jié)束按鈕控制運行程序。

1.2.1 調(diào)用CCD控制軟件模塊

調(diào)用CCD軟件的后面板程序如圖4所示。通過Labview“庫與可執(zhí)行程序”模板中的執(zhí)行系統(tǒng)命令節(jié)點調(diào)用CCD控制軟件，并利用一個開始按鈕和一個文件路徑顯示控件輔助調(diào)用。當調(diào)用CCD控制軟件模塊運行之后由文件路徑輸入需調(diào)用CCD控制軟件的文件位置，按下開始按鈕，控制CCD的軟件即可立刻運行。CCD的工作模式、觸發(fā)延遲時間、圖片存儲路徑等由CCD控制軟件設置。

圖3 Labview總控制的前面板設計

圖4 調(diào)用CCD控制軟件后面板

1.2.2 輸出TTL數(shù)字同步觸發(fā)信號模塊

利用PCIE8620驅(qū)動程序中的CreateDevice函數(shù)創(chuàng)建設備對象句柄hDevice，然后將此句柄作為參數(shù)傳遞給SetDeviceDO函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字量的輸出操作，數(shù)字輸出端的輸出狀態(tài)由PCIE8620_PARA_DO函數(shù)決定。當PCIE8620_PARA_DO函數(shù)的三個輸入節(jié)點連接的函數(shù)控件完全相同時，即能控制PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡輸出三路同步數(shù)字信號。以上過程均是在定時結(jié)構(gòu)框架下完成的，定時結(jié)構(gòu)與移位寄存器結(jié)合既能控制三路同步數(shù)字信號以一定的頻率循環(huán)輸出形成同步TTL數(shù)字脈沖信號直至按下停止按鈕。定時結(jié)構(gòu)中dt變量的值即為脈沖信號的周期，通過改變dt的大小改變同步脈沖信號的頻率，實現(xiàn)對同步采集頻率的控制。輸出的三路同步TTL數(shù)字脈沖信號，其中兩路用來觸發(fā)兩CCD同步曝光采集圖像，另一路觸發(fā)PCIE8620的AD端同步采集力值數(shù)據(jù)，其后面板程序框圖如圖5所示。

圖5 輸出三路同步TTL脈沖信號后面板

1.2.3 同步采集力值數(shù)據(jù)模塊

力值數(shù)據(jù)由電子萬能試驗機的力值傳感器產(chǎn)生，經(jīng)PCI8932數(shù)據(jù)采集卡采集并轉(zhuǎn)換成電壓信號通過DA端輸出。編程控制PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡在接收到TTL脈沖之后同步采集這一電壓信號，實現(xiàn)過程為先通過參數(shù)結(jié)構(gòu)體設置AD采集的模式、采樣頻率、觸發(fā)方式、觸發(fā)源、觸發(fā)類型等，再用StartDeviceAD函數(shù)啟動AD部件，采集到的數(shù)據(jù)以“先進先存”的方式暫時存儲在板卡的FIFO存儲器里，采樣頻率越大，單位時間內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)越多，而存儲一個數(shù)據(jù)的時間就越短。在存儲數(shù)據(jù)的同時，采用以非空方式從第一個存儲的數(shù)據(jù)開始逐個向后讀取數(shù)據(jù)，每次讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)由nReadSizeWords參數(shù)的值決定。當nReadSizeWords參數(shù)的值等于1時，一次只讀取一個數(shù)據(jù)，且是最先存在FIFO存儲器的那個數(shù)據(jù)。每次讀取的數(shù)據(jù)均以LSB原碼的形式緩存在由用戶定義的數(shù)組ADBuffer中。當ADBuffer存儲完一次讀取的數(shù)據(jù)后，F(xiàn)IFO存儲器自動清零，等待下一個觸發(fā)脈沖信號來臨再開始按采樣頻率存儲數(shù)據(jù)。LSB原碼數(shù)據(jù)換算成電壓值的換算方法視AD所采集的電壓量程而定。以±10 V為例，換算的公式為：Volt=（20000/8192）*（ADBuffer[0]&oxFFF）-10000。再根據(jù)試驗機量程將電壓值按比例轉(zhuǎn)換為力值。同步采集力值數(shù)據(jù)的后面板程序框圖如圖6所示。

圖6 同步采集力值數(shù)據(jù)

1.3 同步誤差分析

TTL脈沖信號的同步精度直接影響到系統(tǒng)同步采集的誤差。為檢測TTL同步脈沖信號的同步性能，在輸出三路同步TTL脈沖信號的程序框圖中加入了四個波形圖表顯示控件，其中三個顯示三路同步TTL脈沖信號的波形，另一個用來顯示三路信號中任意兩路的減法波形。四個波形圖表在輸出TTL數(shù)字同步觸發(fā)信號模塊運行后在前面板上的顯示結(jié)果如圖7所示，任意兩路信號的減法波形為一條直線，所以TTL脈沖信號間幾乎沒有誤差。這是因為PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡的讀寫速度快，且控制DO端輸出狀態(tài)的PCIE8620_PARA_DO函數(shù)的三個輸入節(jié)點所連接的函數(shù)控件完全相同，幾乎不存在信號延遲。

圖7 三路同步信號及任意兩路信號減法操作的波形圖

CCD間同步誤差的另一方面源于攝像機觸發(fā)延遲時間的誤差，Pike-F505b觸發(fā)延遲時間小于10 μs，因此CCD之間的同步誤差小于10 μs。而圖像與力值數(shù)據(jù)之間的同步誤差源于PCIE8620數(shù)據(jù)采集卡存儲數(shù)據(jù)的耗時誤差。由于PCIE8620存儲數(shù)據(jù)的頻率等于AD采樣頻率，所以當采樣頻率大于100 kHz時，AD在10 μs內(nèi)便能存儲一個數(shù)據(jù)。因此圖像與力值數(shù)據(jù)同步采集的誤差小于10 μs。文中的Pike-F505b相機在外觸發(fā)模式下的最大采集幀率為7 fps，相對于最大采集頻率，系統(tǒng)最大同步誤差為0.007%。

1.4 預制裂縫鋁合金板的三點彎實驗

將同步采集控制系統(tǒng)用于帶有預制0.5 mm裂縫鋁合金板的三點彎曲實驗，實驗環(huán)境如圖8所示。

試驗共拍攝了1 800對圖片，對應的采集了1 800個力值數(shù)據(jù)，采集頻率為5 Hz，耗時360 s。在實驗過程中，Labview總控前面板的運行狀況如圖9所示。為驗證同步采集控制系統(tǒng)采集力值數(shù)據(jù)的實時性，將PCIE8620采集到的1 800個力值數(shù)據(jù)與試驗機力值傳感器所記錄的力值做對比，最大誤差為2.89%，同步采集控制系統(tǒng)具有較高的實時性和穩(wěn)定性。圖10給出在實驗過程中兩者所記錄力值數(shù)據(jù)的對比曲線。

圖8 實驗環(huán)境圖

圖9 Labview總控運行狀況

圖10 力值對比曲線

2 結(jié)語

針對兩攝像機（CCD）圖像與外部力值數(shù)據(jù)同步采集問題進行了研究。將多功能數(shù)據(jù)采集卡PCIE8620作為同步信號發(fā)生及同步力值接收裝置，以Labview為控制平臺，設計了同步采集控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了CCD與試驗機力值的同步實時采集，相對系統(tǒng)采集頻率，同步采集誤差最大為0.007%，且同步采集的力值數(shù)據(jù)與試驗機所記錄的力值間最大誤差為2.89%，可用于立體視覺測量。另外，編程控制數(shù)據(jù)采集卡PCIE8620的16路電平數(shù)字輸出端輸出16路TTL同步數(shù)字脈沖信號，可同步控制多臺CCD及外部傳感器。

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Synchronous acquisition system of images and force value based on Labview

JIANG Fenling，JIANG Ming
（School of Mathematics and Physics，SUST，Suzhou 215009，China）

This article studied the issue of synchronization controlling and acquisition between two CCDs and external sensor.A synchronous acquisition system of images and force value based on Labview was designed. This system was developed on Labview platform.By programming,we made the data acquisition card PCIE8620, triggered the acquisition of images and the force value produced by electronic universal testing machine synchronously,and controlled the frequency of synchronization acquisition by changing the trigger signal's cycle.The error between images and force value acquisition was less than 10 μs,and related to the system's acquisition frequency,the maximum error of synchronization was 0.007%.The maximum error between the force value collected by PCIE8620 and the electronic universal testing machine was 2.89%.

Labview；PCIE8620；synchronous control；CCD；testing machine

TP206；TH744

A

1672－0687（2015）04－0024－06

責任編輯：李文杰

2015－04－30

國家自然科學基金資助項目（11172193）

蔣粉玲（1989-），女，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向：光學儀器與技術(shù)。

*通信聯(lián)系人：蔣明（1961-），女，教授，博士，碩士生導師，E-mail:cemjiang@sina.com。