【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 視頻信號(hào)采集模塊TVP51461) 概述TVP5146是高品質(zhì)的單芯片數(shù)字視頻解碼器。能將基帶模擬NTSC, PAL制式，和SECAM視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字分量視頻。支持復(fù)合視頻輸入（CVBS）和SVideo輸入。該設(shè)備包括兩個(gè)TVP5146 10bit采樣的A / D轉(zhuǎn)換器，線鎖定采樣方形像素。ITUR (27 MHz)的輸出格式，可與嵌入式20/16bit或10/8bit 4:2:2,或10/8bit ITUR 同步。該設(shè)備采用得克薩斯儀器公司的專(zhuān)利技術(shù)，能采集嘈雜，或不穩(wěn)定的信號(hào)，并輸出一個(gè)色度產(chǎn)生頻率控制下游同步視頻編碼器?；パa(bǔ)三線或四線自適應(yīng)梳狀濾波器是兩個(gè)luma和數(shù)據(jù)路徑提供色度旨在減少交叉亮度和跨色度文物。一色度陷波器也已經(jīng)推出。視頻特性包括亮度，色調(diào)，對(duì)比度和飽和度，支持I2C總線跟主機(jī)通信[14]。2) 供電模式和工作時(shí)鐘TVP5146采用雙電源供電。模擬電源用于模擬視頻接口部分。其工作時(shí)鐘可由芯片外接晶振提供，亦可由CPU提供，采取何種方式由芯片的工作模式?jīng)Q定。3) CPU接口傳感器跟CPU的接口主要分兩塊，當(dāng)接收來(lái)自CPU的控制信號(hào)時(shí)。跟CPU的接口有ITU 656，以及RAW格式。具體格式如下圖 TVP5146內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖所示。 核心控制芯片TMS320DM6437TMS320DM6437是TI(德州儀器)針對(duì)數(shù)字視頻領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的支持達(dá)芬奇技術(shù)的單核DSP處理器。它具備C64x+內(nèi)核。所配備的視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)極大的支持了前端預(yù)處理與后端顯示，減軒DSP核負(fù)擔(dān)，配備的10/100M EMAC,減少外圍電路，使硬件小型化成為可能。DM6437采用最高頻率600MHZ的C64x+內(nèi)核，配備相對(duì)多的Ll （112KB）和相對(duì)少的L2 （128KB）片內(nèi)存儲(chǔ)器。并不像同為達(dá)芬奇技術(shù)的6446有1個(gè)ARM核，1個(gè)DSP核，通過(guò)貫通兩核的DSPlink實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序調(diào)用運(yùn)行于DSPside的算法codec。 6437使用單核支持達(dá)芬奇技術(shù)，在虛擬機(jī)上運(yùn)行Linux,應(yīng)用程序運(yùn)行在Linux上，調(diào)用DSP上算法codec[15]。C64x+內(nèi)核有8個(gè)功能單元，M. S. L. ，分別主要負(fù)責(zé)乘法，加法，邏輯，地址運(yùn)算，同時(shí)也支持很多其他運(yùn)算。2組共64個(gè)32bit寄存器,2路連接片外的數(shù)據(jù)通路，分為對(duì)稱(chēng)的AB兩邊。交叉數(shù)據(jù)通路允許某側(cè)的單元在執(zhí)行指令時(shí)將另外一邊寄存器堆中寄存器作為操作數(shù)來(lái)源同時(shí)允許向另側(cè)通往片外的數(shù)據(jù)通路傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)功能單元均支持流水線，每周期都開(kāi)始1個(gè)新指令完成1個(gè)指令，8個(gè)單元可以并行，執(zhí)行打包在一起的8條指令。采用數(shù)據(jù)與代碼分開(kāi)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，同時(shí)取指令與數(shù)據(jù)，最佳狀況下，每時(shí)鐘周期可以執(zhí)行8條指令。圖 TVP5146內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片內(nèi)配備32KB L1P(ram/cache) ,80KB L1D(ram/cache),128KB L2 D/P (ram/cache),L1Dcache最大設(shè)置為32KB。片外搭配128M KB DDR2 SRAM。形成片外SRAM，片內(nèi)L2 ram/cache，片內(nèi)L1 ram/cache的分級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。CPU可直接訪問(wèn)L1，在L1D miss情況下stall等待L2數(shù)據(jù)或代碼通過(guò)DMA刷新到L1 cache，如果L2 cache miss、則消耗更多的時(shí)間等待數(shù)據(jù)或代碼從片外SRAM通過(guò)DMA刷新到L1 cache。系統(tǒng)框圖如下圖 DM6437功能框圖所示。DSP/BIOS是一個(gè)用戶可剪裁的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要由三部分組成：多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核；實(shí)時(shí)分析工具；芯片支持庫(kù)。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)程序，可以方便快速的開(kāi)發(fā)復(fù)雜的DSP程序。操作系統(tǒng)維護(hù)調(diào)度多線程的運(yùn)行，只需將定制的數(shù)字信號(hào)算法作為一個(gè)線程嵌入系統(tǒng)即可；芯片支持庫(kù)幫助管理外設(shè)資源，復(fù)雜的外設(shè)寄存器初始化可以利用直接圖形工具配置；實(shí)時(shí)分析工具可以幫助分析算法實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。 DSP/BIOS以模塊化方式提供給用戶對(duì)線程、中斷、定時(shí)器、內(nèi)存資源、所有外設(shè)資源的管理能力都可以根據(jù)需要剪裁。實(shí)際應(yīng)用中需要的定制算法作為一個(gè)線程插入DSP/BIOS的調(diào)度隊(duì)列，由DSP/BIOS進(jìn)行調(diào)度。DSP/BIOS在一個(gè)主機(jī)/目標(biāo)機(jī)環(huán)境中的組件如下圖 。其主要由三部分組成：1) DSP/BIOS API：用戶設(shè)計(jì)的程序可通過(guò)API調(diào)用DSP/BIOS接口函數(shù)；2) DSP/BIOS 配置：創(chuàng)建的配置文件定義了程序使用的靜態(tài)BIOS對(duì)象；3) DSP/BIOS分析工具：集成在CCS上的一些DSP/BIOS分析工具可以對(duì)運(yùn)行與目標(biāo)設(shè)備上的程序進(jìn)行檢測(cè)，包括CPU負(fù)載、時(shí)間、日志、線程執(zhí)行狀態(tài)等。圖 DM6437功能框圖圖 DSP/BIOS在系統(tǒng)中的組成示意圖 觸摸顯示屏LILLIPUT一般工業(yè)產(chǎn)品的人機(jī)接口主要是按鍵或者旋鈕等，在密封圈瑕疵檢測(cè)領(lǐng)域，實(shí)際環(huán)境較好，因此本系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機(jī)接口，并用鼠標(biāo)輔助，按鍵則作為應(yīng)急處理時(shí)的輔助手段。在非WINDOWS、LINUX系列的操作系統(tǒng)中，極少有同時(shí)支持觸摸屏和鼠標(biāo)，這是本軟件系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。 圖像采集設(shè)備圖像采集設(shè)備主要有光源、相機(jī)、傳輸線、接口等。當(dāng)前我們采用的是沃特克的WAT902B型號(hào)的模擬相機(jī)，模擬的數(shù)據(jù)傳輸屏蔽線，捕捉到的圖像經(jīng)由VGA接口傳遞到觸摸屏上顯示出來(lái)[16]?？紤]到不同種類(lèi)的瑕疵在不同的光源下的清晰度不同，所以該系統(tǒng)用的是兩套不同的光源，一個(gè)是紅色同軸光源，另一個(gè)是紅色低角度環(huán)形光源。前者我們選用的是維郎TZD18X，后者我們選用的是維郎HXA90D56R1X。 同軸光源維郎TZD18X圖 同軸光源所示的光源型號(hào)是上海維郎光源提供的TZD18X。圖 同軸光源該光源有內(nèi)部的光學(xué)鏡片經(jīng)過(guò)特殊的位置設(shè)置，使得光源的發(fā)光光路可以與相機(jī)成90176。直角。間接的起到了棱鏡的使用效果。如圖 ：圖 同軸光源幾何原理在該同軸光源的照射下，密封圈上比較細(xì)的裂紋可以清晰可見(jiàn)。圖 [17]:圖 同軸光源下的密封圈 環(huán)形90度水平低角度光源維郎HXA90D56R1X如圖 :圖 該光源LED后部基板與水平面成90度，因此LED顆粒變成水平方向，光源通常為1排LED顆粒，水平照射后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于光滑表面的裂痕等由于凹凸造成的細(xì)微缺陷行程很好的反光效果。如圖 低角度環(huán)形光源幾何原理所示：圖 低角度環(huán)形光源幾何原理在該環(huán)形光源的照射下，密封圈上的暗紋可以清晰可見(jiàn)。圖 低角度環(huán)形光源下的密封圈便是密封圈在該環(huán)形光源下的成像效果:圖 低角度環(huán)形光源下的密封圈 相機(jī)WAT902B該工業(yè)相機(jī)的特點(diǎn)就是抗噪性良好。由于密封圈表面的瑕疵往往都很細(xì)小，容易受到圖像噪聲的干擾。如果圖像傳輸?shù)倪^(guò)程中參雜了過(guò)多的噪聲因素，無(wú)疑增加了識(shí)別算法的困難程度。所以為了避免產(chǎn)生過(guò)多的噪聲。我們選用了該相機(jī)。如圖 WAT902B工業(yè)相機(jī)。圖 WAT902B工業(yè)相機(jī) 本章小結(jié)本章主要交代了密封圈瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，以及系統(tǒng)中所應(yīng)用到的各部分硬件的名稱(chēng)和作用。第4章 密封圈表面瑕疵檢測(cè)算法 算法處理流程先今圖像處理已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多巧妙的算法，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的同時(shí)，也參考了當(dāng)前比較先進(jìn)的算法。圖像處理一般分為如下圖 圖像處理流程所示的幾個(gè)步驟[18]：圖 圖像處理流程 捕捉源圖像首先直接在相機(jī)里直接采集到的數(shù)組信息并不是灰度圖信息。因?yàn)橄鄼C(jī)除了灰度信息外，還帶有顏色上的分量。在圖像處理中，顏色分量起不到太大的作用，我們可以將它去掉。直接保留圖像的灰度信息。對(duì)于大部分的模擬相機(jī)，單位像素是以2像素4個(gè)數(shù)字保存的，如圖 相機(jī)中圖像灰度值保存的位置所示，表示相機(jī)捕捉到的圖像的8個(gè)像素，每個(gè)像素包含的信息都是用黑色的粗框圍成的，每個(gè)2像素包含4個(gè)數(shù)據(jù)，以橫向2像素為1單位，其中藍(lán)色和綠色數(shù)據(jù)表示顏色信息，每個(gè)像素的紅色數(shù)據(jù)為灰度信息。我們可以申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存空間；設(shè)相機(jī)內(nèi)存數(shù)組為；則利用公式 公式 ()可將相機(jī)內(nèi)存中有用的圖像灰度信息提取出來(lái)，放入內(nèi)存空間當(dāng)中，如上圖 密封圈8比特BMP位圖數(shù)據(jù)所示，便是在相機(jī)中提取出的灰度值。圖 相機(jī)中圖像灰度值保存的位置 圖片預(yù)處理由于圖像在傳輸線中傳輸?shù)臅r(shí)候不可避免會(huì)出現(xiàn)干擾，所以提取出的灰度圖像要進(jìn)行濾波處理以便減小干擾。傳統(tǒng)的經(jīng)典濾波方法是中值濾波和均值濾波，但是這些經(jīng)典方法確實(shí)不同程度的減少了噪聲干擾，但是這些方法也存在一些問(wèn)題，可以看到這些噪聲的特點(diǎn)和瑕疵邊緣的特點(diǎn)近似，在進(jìn)行去噪的操作中，同時(shí)也模糊了瑕疵的邊緣。這不利于對(duì)瑕疵的識(shí)別。因此要克服這個(gè)問(wèn)題，對(duì)這兩種經(jīng)典方法進(jìn)行了改進(jìn)，把這種干擾降到最低[19]。本系統(tǒng)用的是分角度的中值濾波法。為了適應(yīng)瑕疵具有線性特征的特點(diǎn)，在二維的滑動(dòng)窗口中，過(guò)中心點(diǎn)分別在0度，45度，90度，135度方向形成4個(gè)一維子窗口，分別對(duì)4個(gè)子窗口求中值，然后取其最小值作為中心點(diǎn)的值。具體算法如圖 分角度中值濾波示意圖所示，分別統(tǒng)計(jì)二維滑動(dòng)窗口中綠色、藍(lán)色、灰色、紫色部分的灰度分布。圖 分角度中值濾波示意圖具體濾波算法是：構(gòu)造一個(gè)二維滑動(dòng)窗口，的大小為，中心點(diǎn)為，即圖中紅色部分。窗口內(nèi)像素位置用表示，則4個(gè)一維子窗口依次表示為： 公式 ()對(duì)于每個(gè)子窗口分別進(jìn)行一維中值濾波，即對(duì)子窗口所有元素進(jìn)行排序取中值，設(shè)分別為，，則最后輸出： 公式 ()則便是中心點(diǎn)的灰度值。這種濾波法可以較好的避免非線性平滑對(duì)瑕疵所造成的傷害[20]。 圖片二值化從圖 密封圈8比特BMP位圖數(shù)據(jù)中可以觀察到，密封圈表面的顏色是比周邊顏色要亮出許多的。為了要盡快找到要檢測(cè)的目標(biāo)區(qū)域。粗略二值化時(shí)可以采用全局二值化法。首先定義變量，對(duì)里的各個(gè)成員進(jìn)行遍歷求和 公式 ()的值從0到，遍歷求和結(jié)束后利用公式： 公式 ()可以再定義調(diào)整值，取二值基準(zhǔn)灰度值為 公式 ()再次遍歷灰度內(nèi)存，當(dāng)發(fā)現(xiàn)灰度值小于時(shí)，便將該點(diǎn)的灰度值設(shè)為0；當(dāng)發(fā)現(xiàn)灰度值大于時(shí)，便將該點(diǎn)的值設(shè)為255，得到一個(gè)二值圖的內(nèi)存，由于密封圈表面顏色較亮，所以灰度值會(huì)大于平均值，因此在二值圖中會(huì)顯示為白色[21]。如圖 密封圈二值圖所示。圖 密封圈二值圖 目標(biāo)提取圖像二值化后，已經(jīng)去掉了大部分背景的干擾，因此在圖 密封圈二值圖的基礎(chǔ)上可以繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)提取過(guò)程。對(duì)于該系統(tǒng)，目標(biāo)提取實(shí)際上就是提取密封圈的圓環(huán)的過(guò)程。傳統(tǒng)的找圓算法是哈弗圓檢測(cè)法找圓。但是哈弗圓檢測(cè)法找圓的速度很慢，我們?cè)诠A檢測(cè)法上進(jìn)行了優(yōu)化。具體算法步驟如下： 圖像縮小由于哈弗圓檢測(cè)法要遍歷整張圖像，所以圖像內(nèi)存越小，遍歷的速度越快，所以我們可以嘗試將圖像縮小后再處理。圖 圖像縮小過(guò)程本系統(tǒng)采用縮小16倍圖像（長(zhǎng)寬各縮短4倍），再在縮小的圖像上進(jìn)行哈弗圓檢測(cè)法找圓，為了竟可能保留原圖的信息，縮小時(shí)先申請(qǐng)一個(gè)縮小圖像內(nèi)存；遍歷二值化圖片內(nèi)存，構(gòu)建一個(gè)的二維活動(dòng)窗，當(dāng)窗里的灰度值為0的個(gè)數(shù)等于或超過(guò)8個(gè)時(shí)，縮小圖像相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的灰度值為0，反之，縮小圖像想對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的灰度值為255。如圖