【文章內(nèi)容簡介】 視頻信號采集模塊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。支持復合視頻輸入（CVBS）和SVideo輸入。該設備包括兩個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。該設備采用得克薩斯儀器公司的專利技術(shù)，能采集嘈雜，或不穩(wěn)定的信號，并輸出一個色度產(chǎn)生頻率控制下游同步視頻編碼器?；パa三線或四線自適應梳狀濾波器是兩個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)，對比度和飽和度，支持I2C總線跟主機通信[14]。2) 供電模式和工作時鐘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，當接收來自CPU的控制信號時。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)針對數(shù)字視頻領域開發(fā)的支持達芬奇技術(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處理與后端顯示，減軒DSP核負擔，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，配備相對多的Ll （112KB）和相對少的L2 （128KB）片內(nèi)存儲器。并不像同為達芬奇技術(shù)的6446有1個ARM核，1個DSP核，通過貫通兩核的DSPlink實現(xiàn)應用程序調(diào)用運行于DSPside的算法codec。 6437使用單核支持達芬奇技術(shù)，在虛擬機上運行Linux,應用程序運行在Linux上，調(diào)用DSP上算法codec[15]。C64x+內(nèi)核有8個功能單元，M. S. L. ，分別主要負責乘法，加法，邏輯，地址運算，同時也支持很多其他運算。2組共64個32bit寄存器,2路連接片外的數(shù)據(jù)通路，分為對稱的AB兩邊。交叉數(shù)據(jù)通路允許某側(cè)的單元在執(zhí)行指令時將另外一邊寄存器堆中寄存器作為操作數(shù)來源同時允許向另側(cè)通往片外的數(shù)據(jù)通路傳輸數(shù)據(jù)。每個功能單元均支持流水線，每周期都開始1個新指令完成1個指令，8個單元可以并行，執(zhí)行打包在一起的8條指令。采用數(shù)據(jù)與代碼分開的哈佛總線結(jié)構(gòu)，同時取指令與數(shù)據(jù)，最佳狀況下，每時鐘周期可以執(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的分級存儲結(jié)構(gòu)。CPU可直接訪問L1，在L1D miss情況下stall等待L2數(shù)據(jù)或代碼通過DMA刷新到L1 cache，如果L2 cache miss、則消耗更多的時間等待數(shù)據(jù)或代碼從片外SRAM通過DMA刷新到L1 cache。系統(tǒng)框圖如下圖 DM6437功能框圖所示。DSP/BIOS是一個用戶可剪裁的實時操作系統(tǒng)，主要由三部分組成：多線程實時內(nèi)核；實時分析工具；芯片支持庫。利用實時操作系統(tǒng)開發(fā)程序，可以方便快速的開發(fā)復雜的DSP程序。操作系統(tǒng)維護調(diào)度多線程的運行，只需將定制的數(shù)字信號算法作為一個線程嵌入系統(tǒng)即可；芯片支持庫幫助管理外設資源，復雜的外設寄存器初始化可以利用直接圖形工具配置；實時分析工具可以幫助分析算法實時運行情況。 DSP/BIOS以模塊化方式提供給用戶對線程、中斷、定時器、內(nèi)存資源、所有外設資源的管理能力都可以根據(jù)需要剪裁。實際應用中需要的定制算法作為一個線程插入DSP/BIOS的調(diào)度隊列，由DSP/BIOS進行調(diào)度。DSP/BIOS在一個主機/目標機環(huán)境中的組件如下圖 。其主要由三部分組成：1) DSP/BIOS API：用戶設計的程序可通過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分析工具可以對運行與目標設備上的程序進行檢測，包括CPU負載、時間、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)品的人機接口主要是按鍵或者旋鈕等，在密封圈瑕疵檢測領域，實際環(huán)境較好，因此本系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機接口，并用鼠標輔助，按鍵則作為應急處理時的輔助手段。在非WINDOWS、LINUX系列的操作系統(tǒng)中，極少有同時支持觸摸屏和鼠標，這是本軟件系統(tǒng)的一大特點。 圖像采集設備圖像采集設備主要有光源、相機、傳輸線、接口等。當前我們采用的是沃特克的WAT902B型號的模擬相機，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[16]?？紤]到不同種類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，一個是紅色同軸光源，另一個是紅色低角度環(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)部的光學鏡片經(jīng)過特殊的位置設置，使得光源的發(fā)光光路可以與相機成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，密封圈上比較細的裂紋可以清晰可見。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，水平照射后可以實現(xiàn)對于光滑表面的裂痕等由于凹凸造成的細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。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WAT902B該工業(yè)相機的特點就是抗噪性良好。由于密封圈表面的瑕疵往往都很細小，容易受到圖像噪聲的干擾。如果圖像傳輸?shù)倪^程中參雜了過多的噪聲因素，無疑增加了識別算法的困難程度。所以為了避免產(chǎn)生過多的噪聲。我們選用了該相機。如圖 WAT902B工業(yè)相機。圖 WAT902B工業(yè)相機 本章小結(jié)本章主要交代了密封圈瑕疵檢測系統(tǒng)平臺的搭建，以及系統(tǒng)中所應用到的各部分硬件的名稱和作用。第4章 密封圈表面瑕疵檢測算法 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)在設計的同時，也參考了當前比較先進的算法。圖像處理一般分為如下圖 圖像處理流程所示的幾個步驟[18]：圖 圖像處理流程 捕捉源圖像首先直接在相機里直接采集到的數(shù)組信息并不是灰度圖信息。因為相機除了灰度信息外，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。對于大部分的模擬相機，單位像素是以2像素4個數(shù)字保存的，如圖 相機中圖像灰度值保存的位置所示，表示相機捕捉到的圖像的8個像素，每個像素包含的信息都是用黑色的粗框圍成的，每個2像素包含4個數(shù)據(jù)，以橫向2像素為1單位，其中藍色和綠色數(shù)據(jù)表示顏色信息，每個像素的紅色數(shù)據(jù)為灰度信息。我們可以申請一個內(nèi)存空間；設相機內(nèi)存數(shù)組為；則利用公式 公式 ()可將相機內(nèi)存中有用的圖像灰度信息提取出來，放入內(nèi)存空間當中，如上圖 密封圈8比特BMP位圖數(shù)據(jù)所示，便是在相機中提取出的灰度值。圖 相機中圖像灰度值保存的位置 圖片預處理由于圖像在傳輸線中傳輸?shù)臅r候不可避免會出現(xiàn)干擾，所以提取出的灰度圖像要進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)典方法確實不同程度的減少了噪聲干擾，但是這些方法也存在一些問題，可以看到這些噪聲的特點和瑕疵邊緣的特點近似，在進行去噪的操作中，同時也模糊了瑕疵的邊緣。這不利于對瑕疵的識別。因此要克服這個問題，對這兩種經(jīng)典方法進行了改進，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。為了適應瑕疵具有線性特征的特點，在二維的滑動窗口中，過中心點分別在0度，45度，90度，135度方向形成4個一維子窗口，分別對4個子窗口求中值，然后取其最小值作為中心點的值。具體算法如圖 分角度中值濾波示意圖所示，分別統(tǒng)計二維滑動窗口中綠色、藍色、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)造一個二維滑動窗口，的大小為，中心點為，即圖中紅色部分。窗口內(nèi)像素位置用表示，則4個一維子窗口依次表示為： 公式 ()對于每個子窗口分別進行一維中值濾波，即對子窗口所有元素進行排序取中值，設分別為，，則最后輸出： 公式 ()則便是中心點的灰度值。這種濾波法可以較好的避免非線性平滑對瑕疵所造成的傷害[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的目標區(qū)域。粗略二值化時可以采用全局二值化法。首先定義變量，對里的各個成員進行遍歷求和 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，取二值基準灰度值為 公式 ()再次遍歷灰度內(nèi)存，當發(fā)現(xiàn)灰度值小于時，便將該點的灰度值設為0；當發(fā)現(xiàn)灰度值大于時，便將該點的值設為255，得到一個二值圖的內(nèi)存，由于密封圈表面顏色較亮，所以灰度值會大于平均值，因此在二值圖中會顯示為白色[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上可以繼續(xù)進行目標提取過程。對于該系統(tǒng)，目標提取實際上就是提取密封圈的圓環(huán)的過程。傳統(tǒng)的找圓算法是哈弗圓檢測法找圓。但是哈弗圓檢測法找圓的速度很慢，我們在哈弗圓檢測法上進行了優(yōu)化。具體算法步驟如下： 圖像縮小由于哈弗圓檢測法要遍歷整張圖像，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 圖像縮小過程本系統(tǒng)采用縮小16倍圖像（長寬各縮短4倍），再在縮小的圖像上進行哈弗圓檢測法找圓，為了竟可能保留原圖的信息，縮小時先申請一個縮小圖像內(nèi)存；遍歷二值化圖片內(nèi)存，構(gòu)建一個的二維活動窗，當窗里的灰度值為0的個數(shù)等于或超過8個時，縮小圖像相對應的點的灰度值為0，反之，縮小圖像想對應的點的灰度值為255。如圖