【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采用 4 11 的 N 溝道 MOs 工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米CMOS 工藝。 DSP 芯片的引腳數(shù)量從 1980 年的最多 64 個(gè)增加到現(xiàn)在的 200 個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加。此外， DSP 芯片的發(fā) 展， 使 DSP 系統(tǒng)的成本，體積，重量和功耗都有很大程度的下降。近二十年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了 DSP 技術(shù)和器件的迅速發(fā)展，使實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)成為可能并蓬勃發(fā)展。近幾年來(lái)， DSP 的性價(jià)比越來(lái)越高，同時(shí) DSP 的開(kāi)發(fā)環(huán)境不斷改善，開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越低，己經(jīng)能被普通的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程師所接受。在通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制、軍事、航空、儀器儀表和辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì) DSP 開(kāi)發(fā)應(yīng)用己經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究課題。 DSP 芯片按照所支持的數(shù)據(jù)類型不同分為定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩大類。定點(diǎn) DSP 在硬件結(jié)構(gòu)上比浮 點(diǎn)器件簡(jiǎn)單，具有價(jià)格低，速度快的特點(diǎn)，因而用的最多。浮點(diǎn) DSP 的優(yōu)點(diǎn)是精度高，不需要進(jìn)行定標(biāo)和考慮有限字長(zhǎng)效應(yīng)，但其成本和功耗相對(duì)較高，速度較慢，適合于數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍和精度要求高的特殊應(yīng)用 [7]。 DSP 的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn) ： (1).采用哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各自具有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，允許取指令和執(zhí)行指令重疊執(zhí)行，允許對(duì)數(shù)據(jù)和程序同時(shí)尋址，允許直接在程序和數(shù)據(jù)之間有兩套或兩套以上的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。因此哈佛結(jié)構(gòu)與馮 .諾依曼結(jié)構(gòu)相比，更適合處理具有高度實(shí)時(shí)性要 求的數(shù)字信號(hào)。 (2).特殊的指令系統(tǒng) DSP 芯片通常都有一套自己的特殊指令，這些指令都是專門為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，這對(duì)提高 DSP 的運(yùn)算效率非常有效。 (3).流水線技術(shù) 流水線技術(shù)是提高 DSP 程序執(zhí)行效率的重要手段，取指令和執(zhí)行指令可以同時(shí)執(zhí)行，從而減少指令執(zhí)行時(shí)間，進(jìn)一步增強(qiáng)處理器的數(shù)據(jù)處理能力。 (4).高速的時(shí)鐘周期和強(qiáng)大的處理能力 DSP 芯片的主頻和處理能力不斷提高， TMS320C5000, 6000 系列 DSP 的主頻已經(jīng)達(dá) 4 到 200MHZ。 TMS320C6713 的主頻達(dá)到 225MHZ，處理能力達(dá)到 1800MIPS。 (5).采用硬件乘法器 在信號(hào)處理中，用到大量的乘法運(yùn)算，乘法運(yùn)算很費(fèi)時(shí)間，為此，在 DSP 中都有專門的硬件乘法器，現(xiàn)代高性能的 DSP 芯片甚至具有兩個(gè)以上的硬件乘法器用以提高運(yùn)算速度。 (6).設(shè)有片內(nèi)存儲(chǔ)器 外部存儲(chǔ)器一般不能適應(yīng)高性能 DSP 核的處理速度，因此在片上設(shè)置較大的程序 /數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以減少對(duì)外部存儲(chǔ)器中程序，數(shù)據(jù)的訪問(wèn)次數(shù)，充分發(fā)揮 DSP 核的高性能。目前高性能 DSP 芯片上的可配置程序，數(shù)據(jù) RAM 高達(dá) 7MB。采用大的片上存儲(chǔ)器可以減少外部存儲(chǔ)器接口的引腳，甚至省略外部存儲(chǔ)器接口，而 且也減小了芯片的封裝體積。 本課題研究的內(nèi)容 本課題將結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，選用蘋果圖像作為研究對(duì)象，對(duì)蘋果按大小、形狀分級(jí)進(jìn)行實(shí)用性主要研究。主要內(nèi)容有 ： (1)對(duì) 蘋果 圖像 的低層信息處理及算法研究 ： 根據(jù)已有的圖像處理的經(jīng)典算法進(jìn)行改進(jìn)，提出圖像處理算法， 包括 圖像濾波、 圖像增強(qiáng)，圖像二值化、邊緣檢測(cè)、圖像細(xì)化等方面 。 運(yùn)用于蘋果圖像處理，分析、研究、比較 后 選擇出對(duì)蘋果圖像進(jìn)行處理的實(shí)用性算法 。 (2)蘋果 識(shí)別 研究 ： 提取圖像中的蘋果大小、形狀等特征參數(shù) ， 實(shí)現(xiàn)正確的識(shí)別。 (3)編程。 熟悉 TMS320C6713DSP 芯片及相關(guān)硬件，建立基于 TechVC6713DSK 平臺(tái)的蘋果識(shí)別系統(tǒng)，利用 CCS 開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)圖像處理算法在 DSP 中運(yùn)行 ， 完成了本課題的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 。 (4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 及 進(jìn)一步研究的設(shè)想和展望。 2 圖像處理 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 所示，按功能可分為 3 個(gè)部分 ： 成像單元、圖像采集與處理單元、 識(shí)別分類 單元 。 圖 系統(tǒng)總體框圖 Figure Overall system block diagram 圖像處理單元 成像 單元 圖像采集單元 識(shí)別分類單元 5 成像 單元由 CCD 攝像機(jī)、 LED 光源構(gòu)成，負(fù)責(zé)原始圖像數(shù)據(jù)的 捕獲， 圖像采集與處理單元 是對(duì)捕獲來(lái)的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取等，最后進(jìn)行分類識(shí)別。 3 成像單元 成像單元負(fù)責(zé)原始圖像數(shù)據(jù)的采集， CCD 攝像機(jī)向圖像處理子系統(tǒng)輸出模擬視頻信號(hào)。對(duì)于不同 蘋果 的檢測(cè)項(xiàng)目，需要設(shè)置不的 CCD 攝像機(jī)與 LED 光源進(jìn)行檢測(cè)。 CCD 攝像機(jī)與鏡頭的選取 目前的圖像傳感器主要有 CMOS 面陣傳感器， CCD(電荷藕合器件 )面陣傳感器和CCD 線陣傳感器等， CCD 攝像機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)），以便于進(jìn)一步的處 理或顯示。 CCD 傳感器具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。 CCD 攝像頭的選擇主要考慮以下幾點(diǎn) ： (1)分辨率的選擇 它決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。 (2)快門速度 快門速度是指攝像機(jī)獲取一幅圖像的曝光時(shí)間，曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成嚴(yán)重的圖像拖尾現(xiàn)象。但是快門速度越高對(duì)光源照明強(qiáng)度的要求成幾何級(jí)數(shù)上升，因此綜合考慮，選擇的快門速度為 1/2021s 以上。 (3)掃描方式的選擇 一般掃描方式有兩種 ： 隔行掃描方式和逐行掃描方式。隔行掃描是指一幀圖像的顯示由偶場(chǎng)和奇場(chǎng) 組成。 (4)異步重置外觸發(fā)功能 為了精確控制拍照時(shí)間，需要具有異步重置功能，在系統(tǒng)控制器發(fā)出拍照信號(hào)時(shí)，攝像機(jī)能夠立即啟動(dòng)曝光。 本文根據(jù)以上幾點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求， 選用 UP610 系列的數(shù)字黑白攝像頭。 UP610是一款分辨率為 659494? 的數(shù)字式攝像頭，它使用了逐行掃描隔行傳輸?shù)募夹g(shù)，具有外部異步采集功能，能夠很容易的抓拍高速運(yùn)動(dòng)物體的圖像。其 CCD 的方形像素更適合用于處理，測(cè)量和分析方面的應(yīng)用。本產(chǎn)品體積小，重量輕，其數(shù)字和模擬輸出，快門選擇其后面板上的許多其它 功能使用起來(lái)都十分簡(jiǎn)便。主要參數(shù)如下 ： 有效像素 (HV? ) 659494? ，傳感器芯片尺寸 4 4mm mm? ，幀速 110 FPS，電子快門 1/1101/62,000秒， 16 檔可選，整幀快門狀態(tài)下異步復(fù)位。掃描速度為 110 幀 /秒。 光源與照明方式的設(shè)計(jì) 光源照明的主要目標(biāo)是以合適的方式將光線投射到被測(cè)物體上，突出被測(cè)特征部分的對(duì)比度。不合適的照明，會(huì)引起許多問(wèn)題，如花點(diǎn)和過(guò)度曝光會(huì) 隱藏許多重要信息，陰影會(huì)引起邊緣的誤檢，信噪比的降低以及不均勻會(huì)導(dǎo)致圖像閥值選擇的困難。 (1).光源種類的選擇 6 對(duì)于 蘋果 在線檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣庠匆猿Ａ琳彰鞣绞竭B續(xù)工作，它必須具有很長(zhǎng)的壽命，且發(fā)光穩(wěn)定，功耗較低，因此需要選擇 LED 光源。由于檢測(cè)系統(tǒng)使用黑白攝像機(jī)，對(duì)被測(cè)物體的顏色選擇沒(méi)有特殊要求，而紅色 LED 的發(fā)光波長(zhǎng)最為接近 CCD 的靈敏度峰值，所以選用紅色 LED 光源。 (2).照明方式的選擇 CCD 圖像傳感器從不同角度攝取現(xiàn)場(chǎng)反射或透射的圖像信息，需要多路 CCD 攝像機(jī)來(lái)共同完成圖像的采集 [8]。 光電 感應(yīng)開(kāi)關(guān)，會(huì)在 蘋果 位于最佳攝像位置時(shí)發(fā)送信號(hào)給控制單元和圖像采集與處理單元，作為采樣觸發(fā)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)空瓶的精確定位。采集到的圖像的清晰度在很大程度上取決于光源的好壞，為保證對(duì)各種不同透明或半透明的空瓶都能產(chǎn)生同一亮度和穩(wěn)定的圖像質(zhì)量， LED 光源照明方式的設(shè)計(jì)不可忽視。應(yīng)選擇較好的光源，并且盡量使整個(gè)照明系統(tǒng)免受自然光或現(xiàn)場(chǎng)其他照明燈光的影響，保證采集的圖像質(zhì)量穩(wěn)定。 4 蘋果圖像采集與處理單元 系統(tǒng)用 CCD 攝像機(jī)將蘋果的圖像攝入并經(jīng)圖像采集卡進(jìn)行了 D 轉(zhuǎn)換、暫存后 通過(guò)DSP 芯片 進(jìn)行處理，得出蘋果個(gè)體的分類結(jié)果 。本系統(tǒng)啟動(dòng) CCD 攝像機(jī)將 蘋果 目標(biāo)灰度值圖像攝入，并依據(jù)相應(yīng)圖像處理原理在 DSP 芯片 內(nèi)進(jìn)行圖像的顯示、濾波、平滑、直方圖二值化、邊緣輪廓檢測(cè)與分析等處理過(guò)程，提取其形狀特征參數(shù)，如平均直徑 (粗度 )、長(zhǎng)度、面積大小等 。 蘋果的圖像采集 圖像采集就是將圖像通過(guò)數(shù)字化后輸入到計(jì)算機(jī)的過(guò)程。被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦到 CCD 芯片上， CCD 根據(jù) 光的強(qiáng)弱積累相應(yīng) 比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與 原始圖像相同的視頻圖像 [8,9]。如圖 41。 圖 41 采集到的蘋果圖像 Figure 41 Apple images collected 7 蘋果圖像的預(yù)處理 由于圖像在成像過(guò)程中會(huì)受各種條件的限制和許多隨機(jī)因素的影響，獲得的數(shù)字圖像必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理。 圖像處理就是對(duì)圖像中的像素點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，因此需要很多的運(yùn)算方法，而且根據(jù)不同的需要有不同的算法。而圖像處理功能的實(shí)現(xiàn)也在于算法的提出和實(shí)現(xiàn)。到目前為止，還是有很多圖像對(duì)于某些算法不適用，需要進(jìn)一步研究探索出新的成果。本節(jié)結(jié)合本課題對(duì)蘋果圖像處理的應(yīng)用 ，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)圖像按先后順序進(jìn)行了 圖像濾波 （ 中值濾波 ）、 圖像增強(qiáng) (直方圖修正法 )、 閾值分割（ 灰度直方圖二值化 ） 、邊緣檢測(cè) （ Sobel 算子） 、圖像細(xì)化處理，以及對(duì)蘋果圖像斑點(diǎn)的清除處理。 圖 42 是蘋果圖像的處理過(guò)程。 圖 42 蘋果圖像處理過(guò)程 Figure 42 Apple image processing 圖像濾波 考慮到系統(tǒng)在采集，傳輸圖像和量化圖像過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響圖像質(zhì)量。為了能夠正確的識(shí)別圖像，必須對(duì)圖像進(jìn)行消噪處理。圖 像噪聲主要有加性噪聲，乘性噪聲和量化噪聲等 [10]。 圖像中信號(hào)主要分布在低頻區(qū)域，而噪聲主要分布在高頻區(qū)域，但同時(shí)圖像的細(xì)節(jié)也分布在高頻區(qū)域。在傳統(tǒng)的基于傅氏變換的信號(hào)去噪方法，我們使得信號(hào)和噪聲的頻帶重疊部分盡可能較小，這樣就可以在頻域通過(guò)時(shí)不改變?yōu)V波，就將信號(hào)同噪聲區(qū)分開(kāi)。但是當(dāng)它們的頻域重疊區(qū)域很大時(shí)，這種方法就無(wú)能為力了。所以圖像降噪處理中的一個(gè)矛盾的問(wèn)題是如何在降低圖像噪聲和保留圖像細(xì)節(jié)保持平衡，傳統(tǒng)的低通濾波方法將圖像濾波： 中值濾波 邊緣檢測(cè)： Sobel 算子 閾值分割： 灰度直方圖二值化 圖像細(xì)化 圖像增強(qiáng)： 直方圖修正法 8 圖像的高頻成分濾除，雖然能夠達(dá)到降低噪聲的效果，但破壞了圖像細(xì)節(jié)?？梢岳眯〔ǚ?析的理論，可以構(gòu)造一種即能夠降低圖像噪聲，又能夠保持圖像細(xì)節(jié)信息的方法 [11]。但是其速度比較慢。本系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性要求很高 ，在考慮速度的同時(shí)處理后的圖像只要滿足特征提取得要求即可，因此經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們選用傳統(tǒng)的 低通濾波方法 。 一般常用的濾波方法主要有鄰域平均法，中值濾波等方法。 鄰域平均法 鄰域平均法是指圖像區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的灰度值是該點(diǎn)鄰域內(nèi)各點(diǎn)灰度值的平均值。該法是實(shí)域內(nèi)最為簡(jiǎn)單的方法。 以 33? 鄰 域?yàn)槔韵率莾煞N模板 ： 11111119111???????? 1 2 11 24216 1 2 1???????? 第二個(gè)模板是對(duì)第一個(gè)模板的修正，叫做加權(quán)平均模板，從權(quán)值上看，處于中心位置的像素比其他任何像素的權(quán)值要大，所以在均值計(jì)算中給定的這一像素最為重要。 但 此法的缺點(diǎn)是會(huì)造成高頻的圖像邊緣部分出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，且模糊程度與鄰域半徑的大小成正比。 中值濾波 本文采用 中值濾波法 對(duì)采集來(lái)的數(shù)字圖像進(jìn)行濾波，得到很好效果，同時(shí)中值濾波速度很快，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)速度的要求 [12]。 中值濾波是指把以某點(diǎn) (, )xy 為中心的小窗口內(nèi)的所有象素的灰度值按照從大到小的順序排列，將中間值作為 (, )xy 處的灰度值 (若窗口中有偶數(shù)個(gè)象素，則取兩個(gè)中間值的平均 )。 中值濾波采用模板增強(qiáng)的方法， 用一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口中各點(diǎn)灰度值的中值來(lái)替代指定點(diǎn) (一般是窗口的中心點(diǎn) )的灰度值。對(duì)于奇數(shù)元素，中值是指按大小排序后，中間的數(shù)值 ； 對(duì)于偶數(shù)元素，中值是指排序后中間兩個(gè)元素灰度值的平均值 [13]。 中值濾波對(duì)濾除脈沖干擾信號(hào)和圖像的掃描噪聲效果很 好 ，且 中值濾波在運(yùn)算過(guò)程中無(wú)需要圖像的統(tǒng)計(jì)特性，因此計(jì)算很方便。 中值濾波的步驟是 ： (1)將模板在圖像上漫游，并將模板中心與圖像的某個(gè)像素 (也可叫著基點(diǎn) )重合 ； (2)讀取模板下各對(duì)應(yīng)像素的灰度值 ； (3)將這些灰度值從小到大排成一列 ； (4)找出這些值里排在中間的一個(gè)值 ； (5)將這個(gè)中間值賦給對(duì)應(yīng)模板中心像素。 盡管中值濾波器是一種有效地濾除脈沖干擾如顆粒噪聲等、保持圖像邊緣的濾波器，但隨著窗口的增加，雖然濾波能力增強(qiáng)，但有細(xì)節(jié)損失，而且速度隨著窗口的增大而降低。因此我們選擇窗口時(shí)應(yīng)該根據(jù)圖像情況在保 持良好濾波的同時(shí)盡可能選擇小的窗口。本系統(tǒng)選擇 31? 的滑動(dòng)窗口。 9 中值濾波去除噪聲的原理如 圖 43 所示。 (a)原圖