【文章內(nèi)容簡介】 塊 TVP5146 1) 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 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。 互補(bǔ)三線或四線自適應(yīng)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(jī)通信 [14]。 2) 供電模式和工作時鐘 TVP5146 采用雙電源供電，模擬 和數(shù)字 ，數(shù)字 和模擬 。模擬電源用于模擬視頻接口部分， 數(shù)字電源則給數(shù)字 IO 電路供電， 數(shù)字電源給內(nèi)核供電。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(dāng)接收來自 CPU 的控制信號時，用 的 I2C 接口。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 TMS320DM6437 TMS320DM6437 是 TI(德州儀器 )針對數(shù)字視頻領(lǐng)域 開發(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，配備相對多的 Ll （ 112KB）和相對少的 L2 （ 128KB）片內(nèi)存儲器。并不像同為達(dá)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(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，同時也支持很多其他運(yùn)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 10 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(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(shí)時操作系統(tǒng)，主要由三部分組成：多線程實(shí)時內(nèi)核；實(shí)時分析工具；芯片支持庫。利用實(shí)時操作系統(tǒng)開發(fā)程序，可以方便快速的開發(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(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)時分析工具可以幫助分析算法實(shí)時運(yùn)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(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 在一個主機(jī) /目標(biāo)機(jī)環(huán)境中的組件如下 圖 所示。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 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(yùn)行與目標(biāo)設(shè)備上的程序進(jìn)行檢測，包括 CPU 負(fù)載、時間、日志、線程執(zhí)行狀態(tài)等。 11 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，在密封圈瑕疵檢測領(lǐng)域，實(shí)際環(huán)境 12 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(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 [16]。 考慮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(xué)鏡片經(jīng)過特殊的位置設(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 所示： 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。 圖 便是密封圈在 13 該同軸光源下的成像效果 [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 低角度環(huán)形光源 所示的光源型號是上海維郎光源提供的 HXA90D56R1X: 圖 低角度環(huán)形光源 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： 14 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(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^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(jī)。如 圖 WAT902B 工業(yè)相機(jī) 。 15 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系統(tǒng)平臺的搭建，以及系統(tǒng)中所應(yīng)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(shè)計(jì)的同時，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 所示的幾個步驟 [18]： 捕 捉 源 圖 像 預(yù) 處 理 二 值 化 目 標(biāo) 提 取目 標(biāo) 特 征 參數(shù) 計(jì) 算 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。對于大部分的模擬相機(jī)，單位像素是以 2 像素 4 個數(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(lán)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 []P im age H eight W idth?；設(shè)相機(jī)內(nèi)存數(shù)組為 [ 4 ]cur H eight W idth??；則利用公式 [ ] [ 2 2 1 ]P im a g e i W id th j c u r i W id th j? ? ? ? ? ? ? ? 公式 () 可將相機(jī)內(nèi)存中有用的圖像灰度信息提取出來，放入內(nèi)存空間 []P im age H eight W idth?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。 16 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候不可避免會出現(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(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)，在二維的滑動窗口中，過中心點(diǎn)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(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)造一個二維滑動窗口 M ， M 的大小為 (2 1) (2 1)nn? ? ?，中心點(diǎn)為 (, )ij ，即圖中紅色部分。窗口內(nèi)像素位置用 ( , )Xef 表示，則 4 個一維子窗口依次表示為： 0 { ( , ) 。 }45 { ( , ) 。 }90 { ( , ) 。 }135 { ( , ) 。 }m X i d j n d nm X i d j d n d nm X i j d n d nm X i d j d n d n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 公式 () 對于每個子窗口分別進(jìn)行一維中值濾波，即對子窗口所有元素進(jìn)行排序取中值，設(shè)分別 17 為 1P ， 2P ， 3P ， 4P ，則最后輸出： 1 2 3 4( , ) m in[ , , , ]Y i j P P P P? 公式 () 則 (, )Yi j 便是中心點(diǎn) (, )ij 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(biāo)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 SUN ，對 []P im age H eight W idth?里的各個成員進(jìn)行遍歷求和 []SU N P im age i SU N?? 公式 () i 的值從 0 到 1Height Width??，遍歷求和結(jié)束后利用公式： ()M e a n S U N H e ig h t W id th? ? ? 公式 () 可以再定義調(diào)整值 TempMean ，取二值基準(zhǔn)灰度值 threshold 為 th resh o ld M ea n T em p M ea n?? 公式 () 再次遍歷灰度內(nèi)存 []P im age H eight W idth?，當(dāng)發(fā)現(xiàn)灰度值小于 threshold 時，便將該點(diǎn)的灰度值設(shè)為 0；當(dāng)發(fā)現(xiàn)灰度值大于 threshold 時，便將該點(diǎn)的值設(shè)為 255，得到一個二值圖的內(nèi)存 []P im a g eB in a ry H eig h t W id th?，由于密封圈表面顏色較亮，所以灰度值