【導(dǎo)讀】電腦交互處理和實(shí)時(shí)拍攝等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)風(fēng)靡了。整個(gè)世界成為最熱門的數(shù)字化產(chǎn)品之一。介紹了一種基于DSP的智能數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì)方案。提出了一種整機(jī)采用。并用其對(duì)鋼珠缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)該相機(jī)的性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的。測(cè)試和研究，提出了如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)和算法以提高性能。實(shí)驗(yàn)證明該相機(jī)的正確識(shí)。用于不同的工作場(chǎng)合。

　　

【正文】 CMOS 圖像傳感器 單電源+，分辨率像素 800*600，成像速度最大可達(dá) 120幀 /秒，信噪比大于 48db,有逐行和隔行兩種掃描方式并內(nèi)置伽馬校正功能，輸出為 16bit 色彩信號(hào)。 VSYNC 為垂直同步信號(hào)，即場(chǎng)同步信號(hào)， HREF 為行同步信號(hào)， PCLK 為像素輸出時(shí)鐘。當(dāng) DSP 接收到 VSYN 信號(hào)時(shí)，表示芯片開始采集第一幀圖像數(shù)據(jù)，隨后接收到 HREF 信號(hào)，芯片開始進(jìn)行第一行的數(shù)據(jù)采集，每來(lái)一個(gè) PCLK 信號(hào)，芯片就采集，直到采集 600 行 的數(shù)據(jù)，芯片停止采集。當(dāng) DSP 收到一個(gè) VSYN 信號(hào)時(shí)，芯片采集下一幀的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完畢后關(guān)閉中斷。 （ 2）復(fù)雜可編程器件（ CPLD） CMOS Sensor Intetface Memory Memory FPGA DSP Serial Ether .... AVR 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 31 頁(yè) 整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制由一片 XC9572XL,它單電源 +，有 72個(gè)宏單元，72 個(gè)用戶 I/O 引腳。將 VC5509 的數(shù)據(jù)程序空間、 IO 空間尋址的控制信號(hào)連入CPLD，有 CPLD 來(lái)完成譯碼，選通相應(yīng)的器件。使用 CPLD 可以給硬件實(shí)現(xiàn)帶來(lái)極大便利，我們可以將擴(kuò)展按鍵、 LCD 等外圍設(shè)備，有 CPLD 接入 DSP，并由 CPLD實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，這樣簡(jiǎn)化了 DSP 的軟件設(shè)計(jì)并增強(qiáng)了系 統(tǒng)的擴(kuò)展性。 （ 3） DSP 芯片相關(guān)參數(shù)如表 43 所示。 表 43芯片相關(guān)參數(shù) 頻率 (MHZ) 144 每秒執(zhí)行指令速度 MIPS 288 總共可尋址空間 (WORDS) 16KB ROM(WORKS) 64KB RAM(WORKS) 128KB 直接存儲(chǔ)訪問 DMA 6通道 int/ext MISC ADC,RTC,DPLL,WD 計(jì)時(shí)器 TIMER 2個(gè) 串口 全速 ,3 個(gè) MCBSP,IIC,MMC/SD 主機(jī)接口 HPI(bit) 增強(qiáng)型主機(jī)接口 EHPI(16) bootloader 可用 核心電壓 (V) 電壓 (V) 軟件設(shè)計(jì) 軟件部分包括系統(tǒng)軟件框架和各個(gè)軟件處理模塊，中斷服務(wù)程序等。 DSP作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，程序的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的處理都是由 DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。開始工作時(shí)， DSP 進(jìn)行芯片的設(shè)置，控制和配置所有的硬件和軟件資源，相機(jī)的控制參數(shù)的傳遞。為了保證圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，采用中斷方式傳感圖像數(shù)據(jù)，只要獲得一幀圖像數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生一次中斷時(shí) DSP 獲得控制權(quán)對(duì)捕獲的圖像進(jìn)行處理。系統(tǒng)初始化結(jié)束后，進(jìn)行任務(wù)查詢，根據(jù)查詢結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)得到任務(wù)處理（ CMOS標(biāo)定，自測(cè)試，圖像數(shù)據(jù)處理），進(jìn)入圖像處理模塊后，開始執(zhí)行圖像處理算法。對(duì)該相機(jī)性能測(cè)試是所有實(shí)驗(yàn)都是基于對(duì)鋼珠的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 31 頁(yè) 圖像處理算法：圖像處理算法分為低級(jí)的處理算法與高級(jí)的處理算法：低級(jí)的處理算法完成產(chǎn)品是否存在缺陷的檢測(cè)，高級(jí)算法完成對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分類。 低級(jí)檢測(cè)算法包括圖像預(yù)處理，二值化，圖像相減，邊緣檢測(cè)等。具體算法的實(shí)現(xiàn)如下： 圖像預(yù)處理：考慮到拍攝到的鋼珠圖像中的噪聲大多是椒鹽噪聲和一些孤立的噪聲點(diǎn)，并要克制圖像平滑后的細(xì)節(jié)模糊，預(yù)處理采用了中值濾波器來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，考慮到算法的執(zhí)行 速度，并沒有采用通用的 9點(diǎn)中值濾波算法，而是采用了 5點(diǎn)中值濾波，這樣可以提高算法的執(zhí)行速度。 二值化：二值化處理的閾值的選擇極為重要，無(wú)論閾值選的過大或者過小，都易產(chǎn)生前景和背景的混淆，實(shí)驗(yàn)中采用了基本的全局門限法萊自動(dòng)的得到閾值T。 圖像相減： DSP 讀取位于 SRAM 中經(jīng)過濾波與二值化后的圖像數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在FLASH 中的標(biāo)準(zhǔn)模板圖像進(jìn)行相減運(yùn)算，如果結(jié)果在誤差允許的范圍之內(nèi)，則說(shuō)明產(chǎn)品無(wú)缺陷，可以不經(jīng)過下一步的缺陷分析處理，這樣能夠提高檢測(cè)的處理速度，如果產(chǎn)品是存在缺陷，就進(jìn)行下一步處理，以判斷產(chǎn)品的缺陷種類 ，此時(shí)就要對(duì)二值化圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理。 邊緣檢測(cè)：由于圖像噪聲的影響和鋼珠缺陷的不同，二值化的圖像可能有一些小的孔洞和毛刺，這可以通過采用二值形態(tài)學(xué)來(lái)處理。通過先開運(yùn)算去掉區(qū)域邊界的由里向外的毛刺，然后采用閉運(yùn)算填充區(qū)域的小孔和消除邊界的缺口，然后通過邊緣提取和邊緣跟蹤來(lái)獲得圖像的邊界點(diǎn)。 高級(jí)檢測(cè)算法：高級(jí)檢測(cè)算法是為了確定缺陷的類別而設(shè)計(jì)的，由于缺陷的種類和特征不同，我們應(yīng)采用盡可能少的計(jì)算量來(lái)將缺陷鑒別出來(lái)。這涉及到對(duì)缺陷的特征進(jìn)行抽取式特征向量的選擇，圖像經(jīng)過預(yù)處理后可以提取一些相對(duì)比較穩(wěn)定的特征作 為識(shí)別缺陷的依據(jù)。 從 CMOS 圖像傳感器來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過 FPGA 的控制，通過 FPGA 開關(guān)切換可以將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在兩片 SRAM 中。這里兩片 SRAM 組成了一個(gè)乒乓結(jié)構(gòu)，其中一片 SRAM 存儲(chǔ)完畢后可以通 DSP對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)另一片 SRAM 可以存儲(chǔ)另一幅圖像數(shù)據(jù)，這樣可以加速處理速度。 DSP用來(lái)讀取 SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)，數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 共 31 頁(yè) 進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果以控制信號(hào)的形式給出驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)的控制措施。通信模塊用來(lái)和遠(yuǎn)程的主控制器進(jìn)行通信用以對(duì)相機(jī)進(jìn)行控制和配置。其中 CPLD/FPGA的多路開關(guān)轉(zhuǎn)換工作過程如下：當(dāng)開始采樣式， CPLD/FPGA 在此后到來(lái)的第一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)啟動(dòng)采樣，并將這幀數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)按順序存儲(chǔ)在 SRAM 中，采樣結(jié)束后開始處理過程， FPGA 要將該片 SRAM 的控制切換到 DSP，由 DSP 對(duì)圖像進(jìn)行處理，同時(shí)開始采集下一幀圖像并存儲(chǔ)在另一塊 SRAM 中。這一過程是通過 DSP 的中控制來(lái)切換的。其系統(tǒng)流程如圖 44 所示。 圖 44 系統(tǒng)流程 為了對(duì)鋼珠的特征進(jìn)行提取，我們選擇了如下的特征向 量來(lái)描述： （ 1）極點(diǎn)描述的極軸長(zhǎng)度：因?yàn)橐粋€(gè)缺陷區(qū)域可以有多至八個(gè)的極點(diǎn)，且每個(gè)極點(diǎn)都在區(qū)域的邊界上，這樣很容易定義極軸的長(zhǎng)度 D(極點(diǎn) )到極點(diǎn)(r2,c2)： ? ? ? ?222 1 2 1D r r c c? ? ? ? D定義其中的最長(zhǎng)的極軸長(zhǎng)度 Dmax,最短的極軸長(zhǎng)度 Dmin。 （ 2）缺陷區(qū)域的面積 S： 初始化 CMOS 采集數(shù)據(jù) DSP 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和 JPEG壓縮 數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到 SDRAM 通過 USB與 PC通信 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 共 31 頁(yè) ? ?00 ,nmrcS C r c????? 即是所有缺陷區(qū)域的像素和。 （ 3）由于缺陷區(qū)域的紋理特征不同，為了把不同的缺陷正確的分類，有必要對(duì)紋理的特性進(jìn)行 分析，采用自相關(guān)函數(shù)即可以把不同的區(qū)域分別開來(lái)，也即 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?00001, , ,nmnmrcrcP dr dc I r c I r dr c dcI r c I dr dc????? ? ??? ?? 其中 I[r， c]是圖像函數(shù)，在此可以表示為改動(dòng)的灰度。由自相關(guān)函數(shù)可以看出如果紋理較粗糙，則自關(guān)函數(shù)下降緩慢，否則，下降迅速。對(duì)于規(guī)則的紋理，自相關(guān)函數(shù)將有波峰和波谷。 如上向量是對(duì)缺陷特征進(jìn)行分析得到的結(jié)果，通過這些向量我們可以把不同的缺陷種類很好的分離出來(lái)。考慮到分類的簡(jiǎn)單方便，可以采用基于二叉樹分類的方法。通過缺陷的極軸與面積之比可以將劃條與擦傷分為一類，而將點(diǎn)子和燒傷分為另一 類。而在每一類中可以通過缺陷的自相關(guān)函數(shù)將兩類缺陷分別開來(lái)，這樣就可以將鋼珠的缺陷歸為各自的類別并可以統(tǒng)計(jì)每一類缺陷產(chǎn)品的個(gè)數(shù)，以便對(duì)產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行分析，以改進(jìn)產(chǎn)生工藝，來(lái)提高產(chǎn)品合格率。 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 對(duì)鋼珠各類缺陷檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 45 所示： 表 45 鋼珠檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 檢測(cè)所需時(shí)間 正確識(shí)別率 無(wú)缺陷 % 存在缺陷 % 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 共 31 頁(yè) 謝辭 在畢業(yè)論文的完成過程中，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師吳靜霞老師的耐心指導(dǎo)！她為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。在閑聊 中她總是能像知心朋友一樣鼓勵(lì)你，在論文的寫作和措辭等方面她也總會(huì)以“專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”嚴(yán)格要求你，從選題、定題開始，一直到最后論文的反復(fù)修改、潤(rùn)色，吳老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致的指導(dǎo)，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。正是吳老師的無(wú)私幫助與熱忱鼓勵(lì)，我的畢業(yè)論文才能夠得以順利完成，謝謝吳老師。 感謝同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)知在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過程中還得到了實(shí)驗(yàn)室老師的幫助，在此一并表示感謝。 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 共 31 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 唐劍兵，光電技術(shù)基礎(chǔ)，西南交通大學(xué)出版社， 2021 年 [2] 顧生華，光纖通信技術(shù)，北京郵電大學(xué)出版社， 2021 年 [3] 沈任元，吳勇，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 年 [4] 吳強(qiáng)，光學(xué)，科學(xué)出版社， 2021 年 [5] 陳維鈞，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，中國(guó)電力出版社， 2021 年