基于STM32視覺識別的高精度激光控制系統設計＊

馬晨，韓團軍，潘玉樺，閔一

（陜西理工大學，陜西 漢中 723000）

由于激光具有亮度高、方向性好等優點已經被廣泛應用于高精度測量。激光測距技術在國防建設、工業自動化、智能識別及汽車工業等領域已經成為科研人員的研究重點。現有的激光測量系統集成度不高、體積較大而且在測量顯示會出現和真值有誤差等缺點[1-2]。設計一款零誤差，體積和功耗小的視覺識別的高精度激光控制系統顯得尤為重要。

本文提出一種視覺識別的高精度激光控制系統，系統由攝像頭模塊、激光傳感器模塊、串口模塊以及數據存儲模塊組成，通過攝像頭識別激光傳感器LED屏幕上的數字量再通過圖像采集、圖像識別與處理以及無線傳輸技術實現了一款測量控制系統關于距離的零誤差測量。利用單片機控制攝像頭，采集激光測距儀上的圖像數據，并將所采集到的圖像信息傳送到單片機內進行處理，單片機將采集回來的彩色圖像經過灰度化、二值化處理將圖像顏色變為黑白兩種顏色。之后通過圖像分割及圖像識別技術將圖像中的數字信息提取出來，利用無線傳輸模塊，將識別到的數字信息發送到PC或移動端。整個系統設計能夠充分利用攝像頭的識別功能，最終能精確得到測量的距離。系統適用于靜止、低速和中高速控制激光測距系統領域，具有很高的應用價值[3]。

1 系統硬件設計

整個系統硬件主要由攝像頭模塊、激光傳感器模塊、串口模塊以及數據存儲模塊組成。其中攝像頭用來識別激光傳感器上LED屏上的數字量，并通過串口模塊遠程傳輸到計算機客戶端實現測距信息的實時顯示，而數據存儲模塊負責保存程序代碼、攝像頭采集到的圖像。使用Python語言進行程序編寫，同時使用Openmv和一些圖像處理函數以此來提高系統工作效率。系統的整體框圖如圖1所示：

圖1 系統的整體框圖

1.1 圖像采集電路設計

采用0V7725進行圖像采集，0V7725具有小型化、耗能低等特點。其內部集成了數字圖像處理器，可對原始圖像先進行處理再輸出，同時擁有單片VGA攝像頭的全部功能。OV7725攝像頭可以通過IIC總線進行控制，通過設置攝像頭可以輸出整幀圖像、整幀圖像中的任意矩形區域、子采樣圖像等各種用戶所需的圖像數據，同時還可以對分辨率進行控制，在VGA格式下圖像最高幀數可達60幀秒。可以通過IIC總線進行設置。OV7725圖像傳感器模塊設計圖如圖2所示。

圖2 OV7725圖像傳感器模塊設計圖

1.2 圖像存儲電路設計

由于激光傳感器上數字圖像的數據量大，單片機內存無法完成對激光傳感器上圖像的識別、存儲和處理，因此要在外圍電路上拓展數據存儲模塊，通過數據存儲模塊實現對圖像的識別、存儲和處理。采用SD卡作為圖像數據存儲器，與單片機進行通信方面選擇SIO模式。其接口電路如圖3所示：

圖3 SD卡接口電路圖

2 系統軟件設計

整個系統軟件設計分為單片機采集激光器圖像、圖像識別及處理、無線傳輸這三大部分。系統軟件總體框架，程序運行是從系統的初始化開始的，系統初始化完成后，單片機圖像采集程序開始工作，采集完成后將圖像保存到SD卡中。之后單片機對圖像進行處理與識別，隨后將得到的數字通過藍牙模塊傳送到PC端。系統軟件總框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件總框圖

2.1 圖像采集程序設計

圖像采集部分子程序是攝像頭首先需要外接一個系統時鐘，通過IIC總線設置相關寄存器輸出分辨率為640*480的圖像數據，然后逐行逐列輸出像素灰度值。主控芯片根據同步信號讀取像素灰度值。OV7725攝像頭默認情況下，分辨率為640*480,為了在不降低圖像分辨率的情況且還能去掉大量無用信息，先將圖像中有數字的部分提取出來再進行處理。時序信號控制單片機對0V7725攝像頭進行信號采集。過程為場信號使用捕捉上升沿的方式讀取。單片機檢測到場同步信號的上升沿時,程序進入讀取像素值子程序；對行信號使用中斷方式讀取。單片機檢測到行同步信號時，產生外部中斷，進入中斷服務子程序，讀取本行的圖像信號；對像素信號采用捕捉下降沿的方式讀取。當單片機檢測到像素同步信號的下跳沿時，單片機開始讀取相應的像素值并將像素值存儲到SD卡中。

2.2 圖像處理

圖像識別具體可分為圖像預處理、數字區域分割、數字字符匹配三大部分。圖像預處理的作用是濾除噪聲增強圖像信息，數字區域分割的作用是將單個數字所在區域從圖像中分割出來，數字字符匹配的作用是將每個分割出來的矩形區域進行特征提取，將提取到的特征與已知數字特征進行對比，從而判斷圖像區域中的數字字符量。圖像預處理需要經過圖像矯正、高斯濾波、二值化以及濾波等步驟，得到質量較好的圖像。

3 實驗結果

整個系統通過軟硬件設計完成了產品設計，在測試過程中，首先攝像頭得到激光傳感器穩定時的圖像，用SD卡保存后利用圖像處理算法對其進行區域分割，得到每個數字的區域位置坐標帶入圖像識別算法中。然后，通過改變激光傳感器與被測物體間的距離，使激光傳感器上的數值不斷改變，經藍牙發送給計算機終端，終端利用上位機實時顯示激光傳感器的改變，達到系統零誤差距離測量的設計目的。顯示結果如圖5所示：

圖5 系統的顯示結果

4 結論

本文實現了一種視覺識別的高精度激光控制系統，通過攝像頭對圖像進行采集加上圖像處理、圖形分割、圖像識別等一系列數字圖像處理算法。并基于圖像特征引入“穿線匹配法”對7段數碼管進行識別，大大簡化了圖像識別算法的復雜性，同時又提高了圖像處理算法的時效性。設計所采用的方法打破了這樣的局限性，同時還提高了系統的實時性和準確性。通過測試，整個系統測量結果的穩定性和精確性非常高，因此具有一定的實用推廣價值。