（信号与信息处理专业论文）打印质量在线检测系统的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 打印品已成为人类生存和发展的重要组成部分。各种文件、单据、票 据、标签等，在人们的日常生活、工作和学习中占据着越来越重要的位置。 由于存在漏印、黑点、缺字、缺页等错误，打印品的打印质量也越来越受 到人们的关注。如何更快、更准确地评定打印品的打印质量是急需解决的 问题。由于受主观因素的影响，传统的利用人工来检测打印品表面质量的 方法不能保质保量地完成检测任务，而随着计算机软件硬件地发展，利用 机器视觉来进行打印品质量的自动检测已变得实际可行。 本文开展了基于机器视觉的打印品质量在线检测系统的研究。通过图 像摄取装置将图像实时抓取，然后对该图像数模转换后传送到处理单元， 进行图像预处理，提取特征要素，最后根据这些特征要素形成打印质量检 测结果。 本文针对高速打印设备的运行特点，确定了打印质量的检测方法和系 统体系结构，提出了四路c c d 图像数据的实时并行采集策略，满足不同打 印幅面和打印速度的检测要求。在比较分析数据采集和存储模式的基础上， 研究了基于数字信号处理器( d s p ) d m 6 4 2 的图像数据采集方法，设计并 实现了基于p c i 总线的图象采集卡，该采集卡由三部分组成：图像信号采集 与转换模块，完成模拟图像信号的接收和模拟数字信号转换；图像处理模 块，主要实现图像检测算法以及漏页和l o g o 图像质量的判断；接口模块， 通过p c i 总线实现与p c 机的数据和控制指令的交换。 论文设计和初步实现了系统的相关软件，包括：d s p 主程序、d s p 漏页 检测预处理程序、l o g o 图像检测程序、图像采集卡驱动程序以及p c 机的控 制和检测、识别程序。论文最后给出了区域匹配法和逐层检测方法应用到 打印品的漏页及其l o g o 的实现过程，验证了整个系统是有效和正确的。 关键词打印品，机器视觉，d s p ，p c i ，图像处理 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t p r i n t i n gp r o d u c t sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fh u m a nl i f e v a r i o u s d o c u m e n t s ，i n v o i c e s ，b i l l s ，l a b e l sa r et a k i n g am o r ea n dm o r ei m p o r t a n t p o s i t i o n si np e o p l e sd a i l yl i f e ，w o r ka n ds t u d y t h eq u a l i t yo ft h ep r i n t i n g p r o d u c t sh a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n sb e c a u s eo fm a n ye x i s t i n ge r r o r s ，i e t h el e a k i n gp r i n t ，s p o t s ，m i s s i n gw o r d sa n dm i s s i n gp a g ee r r o r s h o wt oa s s e s s t h eq u a l i t yo fp r i n t i n gp r o d u c t sm o r eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi st h ek e yp o i n t ， h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a l l ya r t i f i c i a lm e t h o dt od e t e c tt h ed e f e c t so ft h ep r i n t i n g p r o d u c t sc a n n o tc o m p l e t et h ed e t e c t i n gj o bs a t i s f a c t o r i l yd u et ot h es u b j e c t i v e f a c t o r s a st h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nc o m p u t e r ，a na u t o m a t i c m e t h o dw i t hm a c h i n ev i s i o nt od e t e c tt h ed e f e c t so ft h ep r i n t i n gp r o d u c t sw i t h t h ea i do fm a c h i n eh a sb e c o m ef e a s i b l e a s y s t e m a t i cr e s e a r c hf o rt h ep r i n tq u a l i t yo n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do n t h em a c h i n ev i s i o nh a sp e r f o r m e di nt h i s p a p e r i m a g e sw e r er e a l t i m e l y c a p t u r e db ym a c h i n ev i s i o ne q u i p m e n t ，a n dt h e nt r a n s m i t t e dt ot h ep r o c e s s i n g u n i t sf o ri m a g ep r e - p r o c e s st oa b s t r a c tt h e i rc h a r a c t e rf a c t o r sa f t e rd i g i t a lt o a n a l o gc o n v e r s i o n f i n a l l y ，t h ep r i n t i n gq u a l i t yd e t e c t e dr e s u l t sw e r ef o r m e d a c c o r d i n gt ot h o s ec h a r a c t e rf a c t o r s i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e h i g h s p e e dp r i n t i n ge q u i p m e n t o p e r a t i n g ，t h e d e t e c t i o nm e t h o do fp r i n t i n g p r o d u c t sq u a l i t ya n ds y s t e m a r c h i t e c t u r ew e r ed e t e r m i n e di nt h i sp a p e r ，a n daf o u r - c h a n n e lc c do n l i n e p a r a l l e lc o l l e c t i n ga l g o r i t h mo fi m a g ed a t af o r t h ed e t e c t i o no ft h ed i f f e r e n ts i z e o fp r i n t p r o d u c t sa n dp r i n t i n gs p e e dw a sp r o p o s e d o nt h e b a s i so ft h e c o m p a r i s o n sa n da n a l y s i so fd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g em o d e ，t h ei m a g ed a t a c o l l e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) d m 6 4 2w a s s t u d i e da n dp c ii m a g ea c q u i s i t i o nc a r dd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h ei m a g e a c q u i s i t i o nc a r dc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ，v i z t h ea n a l o gi m a g ed a t aa c q u i s i t i o n a n dc o n v e r s i o nm o d u l e ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h ei n t e r f a c em o d u l e t h em a i nf u n c t i o no ft h ef i r s tm o d u l ei st oa c q u i r ea n a l o gi m a g ed a t aa n d c o n v e r tt h ed a t at od i g i t a ls i g n a l s ；t h es e c o n dm o d u l ei sm a i n l yu t i l i z e dt oa p p l y i m a g ed e t e c t i n ga l g o r i t h m ，a sw e l la sm i s s i n gp a g ed e t e c t i n ga n dl o g oi m a g e q u a l i t ya l g o r i t h m ；a n dt h et h i r dm o d u l ei su s e dt oe x c h a n g ed a t ab e t w e e np c i a n dp c u s o m es y s t e ms o f t w a r er e l a t e dt od s pm a i np r o g r a m ，d s pm i s s i n gp a g e d e t e c t i o np r o g r a m ，l o g oi m a g ed e t e c t i o np r o g r a m ，i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d d r i v e rp r o g r a m ，a n dp cc o n t r o l ，d e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o np r o g r a m a r ed e s i g n e d a n dp r e l i m i n a r i l yr e a l i z e di nt h i sp a p e r i nt h ef i n a lp a p e r ，w eg i v et h e a p p l i c a t i o no fr e g i o n a lm a t c h i n gm e t h o da n dl a y e r sd e t e c t i o nm e t h o di nl o g o i m a g ed e t e c t i o n w h i c hv a l i d a t et h a tt h ee n t i r es y s t e mi se f f e c t i v ea n dc o r r e c t k e yw o r d s p r i n t i n gp r o d u c t s ，m a c h i n ev i s i o n ，d s p ，p c i ，i m a g e p r o c e s s i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 潍 日期 砬年月五日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 飙必如尹日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百v 匕 随着现代科技和信息的发展，在人们的日常生活和工作中越来越离不开各种打印品 和印刷品，例如文件、邮件、银行票据、报纸和杂志等，但是由于印品技术的不完善以 及不可避免的随机因素，印品表面经常会出现各种缺陷，常见的印品表面质量问题有纤 维落在纸上造成的斑点；油墨未干前纸张之间有相对运动在图案上产生的痕迹；由于纸 张未放平整，纸张和喷墨头之间接触不良或喷墨头未接触上使图案缺版或发白；另外还 有漏印、黑点、缺页等h 1 ；所有这些都会造成印品质量的下降，因此，在高速打印、 印刷中，印品质量是操作者必须随时了解的情况，必须积极采取措施加以控制，保证生 产的顺利进行并提高产品的质量曙1 。 传统的印品质量检测控制是由操作者以一定的时间间隔抽样口1 ，通过主观和客观的 方法将印品和标准样张进行比较，找出差异并分析原因，进而对打印机、印刷机的参数 进行调整，控制刷机的状态，使印品与标准样张尽可能一致。这种检测控制流程存在两 方面的问题：第一，印品和标品的比较是由人的主观来判断，印机的参数由手动调整， 这中间存在人为因素的影响，同一机器不同操作者得到的印品质量不尽相同，而且产品 质量前后不一致。第二，传统印品质量检测控制系统是非在线的，检测控制周期长，已 不能满足和保证打印工业高质量、高效率、低成本的要求。本文针对高速连续打印机提 出了打印质量在线检测系统，利用机器视觉技术，分析和检测在高速打印过程中出现的 相关印品质量问题，系统具有自动化高、检测控制周期短、人为因素干扰少等优点，在 打印工业自动化中起到很重要的作用，有着很好的发展前景。 打印质量在线检测系统是一种基于视觉的机器检测系统口羽，机器视觉检测系统是利 用视觉手段获取被测物体图像与预先已知标准进行比较，从而确定被测物体的质量状 况，视觉检测是一项综合技术，包括光源照明、光学成像、机械工程控制、传感器、信 号处理、数字图像处理、模式识别、认知科学等。 机器视觉检测系统有如下特点： 1 ) 机器视觉检测系统以图像处理为基础。机器视觉检测系统区别于普通视觉系统， 在于图像处理的方法、实现技术。典型的机器视觉检测系统具有如下特点：工作于生产 流水线中；被测物体是运动的，因而图像获取必须与之同步；被测物体处于杂乱背景中， 必须将其提取出来：检测结果必须及时报告或通讯给其他执行系统。这就决定了机器视 觉检测系统包括有更多的子系统：光源和光学成像；摄像与图像采集；用于图像处理、 图像分析的计算机；与生产线的同步通讯，如：测距、测速等；输出检测结果如：标记、 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 报警或通讯。 2 ) 机器视觉检测系统另一个重要的方面，是图像的处理能力和速度。在典型的机 器视觉检测系统中，图像处理应当完成如下任务瞄3 ：抑制无用信号，增强有用信号；检 测特征的尺寸、位置和形状；识别特定表征的物体、标号或缺陷等；确定位置、方向并 决策。 3 ) 机器视觉检测系统强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，有通用 的工业接口，操作方便，安全性和可移植性。 显然，完成上述任务需要巨大的计算量，这不是通用计算机在给定时间内所能完成 的，需要专用实时图像处理系统。所幸的是现在已有许多通用化的硬件模块，可以组合 选用。这些硬件模块为快速实时图像处理提供了可能，当前图像处理硬件模块的功能比 较全面，如选择感兴趣区处理，逐行扫描图像输入与逐行图像处理实时双缓冲同步等。 实时图像处理系统提供的常规算法有盯1 ：算术逻辑运算( 两图相减去背景) 、邻域或线中 值滤波( 可作最大或最小值滤波) 、数学形态学滤波( 侵蚀和扩张) 、直方图( 可求平均、 最大、最小值) 、二值相关滤波( 二值模板匹配) 、特征提取( 获取图像特征坐标信息) 、 感兴趣区处理( 在帧存中开矩形窗并进行实时小图像处理) 。 机器视觉检测系统在工业制造领域得到较好的应用，如计算机视觉系统应用于工业 印刷品质量检测h 、玻璃表面气泡检测、印刷电路板的自动检测，照相掩膜的检测，芯 片表面焊接定位检测，印钞质量检测n 羽。 1 2 印品质量检测技术国内外研究现状 1 2 1 国际研究进展 近十年来，德国、意大利、美国、英国、瑞士等国家在印品在线质量检测与控制方 面，进行了多产品、多层次的研究，尤其是包含多种防伪标志的特殊印品，针对其各种 新型的防伪标记，不断开展相应的在线实时检测方面的研究。需要指出的是，这些特种 印品的印刷速度高，印刷精度的要求更高，因此要设计出工艺性、抗干扰性、稳定性都 很好的在线质量检测系统，具有相当的难度和挑战性。 在算法研究方面，国外很多学者对印品质量检测系统也进行了大量的实验研究和理 论研究1 ，并逐步提出各种质量检测方法和图像处理算法。比如印品表面缺陷索引空间 法盯1 、n - t u p l e 方法和逐像素比较法相结合的方法啊1 、人工神经网络法、形态图像处理法 阻3 、傅旱叶变换法、阈值比较法及模板比较法口0 1 。 产品方面，比如瑞士基奥利公司的n o t as a v e 大张在线检测机口、n o t ac h e c k 大张 离线检测机、德国海德堡公司的计算机印刷控制系统且l j c p c 系统n 砌等，我国都进行了引 进，通过这些年来的使用，在降低消耗，提高产品质量方面，降低工人劳动强度方面， 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 发挥了不小的作用，坚定了我国利用机器视觉技术，进行印品行业高科技改造的决心。 然而，引进国外设备有很多不足之处： 1 ) 目前引进的国外进口机器视觉检测设备，有些并不是国外最新的设备，在关键技术 和最新技术方面，国外公司对我们进行了技术保密； 2 ) 就引进设备本身来说，并没有达到预期效果，也没有达到机器设计的效果，因为我 国具体印品的变化，需要相应的软件支持，而国外在软件升级方面做的非常不及时、 不充分： 3 ) 由于某些产品本身的特殊性，涉及保密问题，有些参数不能完全告之国外公司，也 影响了检测系统的使用； 4 ) 我国在生产工艺方面有自己的特殊性，国外检测系统适应性较差； 5 ) 国外公司在机器视觉技术领域，特别是其中的软件算法的设计方面，并不是最领先， 国内的研究所和公司可以做得更好； 1 2 2 国内研究进展 虽然国外对于自动检测印品表而质量的研究已历经多年，得到了飞速的发展，并已 经有自动质量检测系统应用在现代化生产线上，但国内对此课题的研究还刚刚起步，仍 处于研究的初级阶段。 清华大学的章毓晋教授对算法进行了初步研究n 钔n 引，他采用逐像素匹配和分区域匹 配相结合的方法进行印品的质量检测；另外还有北方交通大学的阮秋琦教授也进行了相 关算法的研究n 引，他提出了一种基于动态阈值和逐层检测的图像缺陷识别算法进行高精 度印品图像的质量检测； 目前，国内也有不少的公司和厂家致力于开发和推出自己的针对不同印品的印品质 量自动检测系统，例如北京大恒图像视觉有限公司，其具代表性的产品为d h c h e c k - c 印品质量在线实时检测系统，检测速度最高可达6 米秒，检测分辨率最高可达0 0 1 m m 0 o l m m ，系统可以对各种印品图案的完整性进行检测，可检测印品图案的墨色浓淡、 线条断线、文字残缺等，可对微缩文字的完整性进行判断，包括微缩文字缺字、糊版等； 洛阳圣瑞机电技术有限公司的产品有e 8 8 0 0 印品质量在线视频监控系统，渭南科赛机电 设各有限公司开发的k s 2 0 0 0 印品图像检测系统。这两家公司开发的产品功能基本相同， 都是利用高速的而阵相机和高频闪光灯，在高速印刷的状态下，拍摄局部印品图像，然 后操作人员根据显示的图像来分析印品质量的好坏。这些系统为抽样检杳，对于过程性 缺陷( 如套印不准、大面积漏印等) 的检杳有一定的作用。但这种系统的缺点是：对于飞 墨、色差，刀丝、漏印、白点等突发性缺陷的检查并不十分理想。 在我国还没有专门研究高速打印过程中印品质量的检测问题，对于大规模打印来 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 说，其每页的内容一般是不一样的，所以打印的品质检测不但包括了上述印刷质量检测 的相关内容，特别还需要漏页、缺页( 一般是原始数据的原因) 检测，而这一检测过程 对于高速大批量打印来说更加重要。 1 3 主要研究内容和章节安排 本课题在深入分析国内外印品质量检测理论和技术的基础上，并针对高速大批量打 印过程中打印品质量的检测要求而提出的。课题的研究可以提高生产效率，又能降低生 产成本，避免由于漏打、缺打等造成的各种损失。本课题的目的是研究一种高效的在线 实时检测打印质量的系统，利用机器视觉技术，通过高性能的d s p 处理器将采集到的图 像信号，经图像预处理，然后将数字图像由p c i 总线送入n p c 机，在p c 机端进行图像的 识别和图像匹配等操作，获得印品质量评价所需的相关信息。最后可以利用这些缺陷信 息数据转化为打印机的控制信号，对机械部件进行控制及其它参数的调整。使整个系统 一直处于最佳状态，提高生产效率和生产自动化程度。 对于大规模打印来说，其每页的内容一般是不一样的。如果采用印刷品的传统检测 方案，一个c c d 相机对整幅印刷品进行采样，然后与模板进行比对判断，那么需要每幅 图像的内容相同。然而对打印品其内容的不确定性，导致检测的内容也不相同，所以本 课题采用了四路c c d 相机来检测打印品可能出错的原因。通过四路c c d 午f l 机检测打印品缺 陷如：缺页问题、l o g o 图像打印不清或有污点问题、条行码是否正确、汉字错误等。由 于篇幅及时问的原因，本文只论述缺页问题和l o g o 图像质量问题。 由于本系统是一个复杂的机器视觉系统。构建适合于打印质量检测的系统是本课题 主要的研究内容，从系统的整体结构、各模块的方案选择、系统硬件设计、到系统的软 件设计。在实际的研制过程中主要研究内容包括： 1 ) 分析高速打印机的运行特征、确定系统质量检测方法，完成系统的整体规划和 结构设计，保证系统的应用和实现方便，研究系统的硬件检测平台，使平台具有较好的 开放性。 2 ) 研究基于p c i 总线的多路视频图像采集卡：主要包括c c d 的采集、s a a 7 1 1 3 h 的控 制、视频接口设计、d s p 、c p l d 、p c i 接口设计。 3 ) 打印品检测算法的研究。主要针对缺页问题、l o g o 图像打印不清或有污点问题。 4 ) 采集卡驱动程序的实现。 文章共分为六个章节，具体安排如下： 第一章为绪论，主要指出了课题的提出背景和研究动机，概述了印品质量检测技术 国内外研究现状。 第二章介绍系统整体的比较与设计及功能规划，给出系统的整体构架及系统工作原 理；然后对系统的| j 端部分：光源、c c d 进行简单的论述及方案的确定；最后分析比较 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 了图像采集各个模块的方案以及各个方案的确定，芯片的选择，系统硬件框图的规划。 第三章介绍图像采集卡硬件设计的图像采集部分和d s p s | _ , 围电路设计部分。图像数 据的采集包括：视频解码芯片的选择及介绍、四路视频解码芯片的主控方式及c p l d 时序 控制。d s p 的控制单元主要包括：d s p 的选型及其与外围电路的设计。外围电路主要包括 采集模块输出缓冲f i f o 与d s p 接口设计、d s p 与s d r a m 接口设计、d s p 与f l a s h 接口设计、 d s p 电源电路设计、d s p 时钟电路设计等。 第四章介绍图像采集卡的p c i 接口设计部分。首先对p c i 总线特点、信号定义、配置 空间以及p c i 协议芯片进行了概述。然后设计了p c i 的接口电路和p c i 空间的配置。最后 对硬件电路设计进行了总结。 第五章讲述软件系统与检测方法的研究。系统软件主要包括：d s p 主程序、d s p 漏页 检测预处理程序、l o g o 图像检测程序、图像采集卡驱动程序以及上位机的控制和检测、 判断部分。d s p 主程序包括d s p 程序的初始化、外围电路的映射、解码芯片的配置等；d s p 漏页检测预处理程序包括对数字图像的去噪、二值化、数字切割、归一化、细化、数字 特征提取以及漏页检测；l o g o 图像检测包括模板匹配法、逐像素匹配法、分层检测法以 及l o g o 图像检测的实现；p c i 采集卡驱动程序提供了获取p c i 卡的配置空间信息、响应p c i 中断、总线d m a 数据传输等功能； 第六章对本文进行了总结。本课题完成的工作及今后的改进与完善。 中南人学硕十学位论文 第二章系统整体的比较与设计 第二章系统整体的比较与设计 本章主要介绍系统的整体设计与功能规划。首先给出系统的整体构架及系统工作原 理；然后对系统的前端部分：光源、c c d 进行简单的论述及方案的确定；最后分析比较 了图像采集各个模块的方案以及各个方案的确定，芯片的选择，系统硬件框图的规划。 2 1 整体结构 在打印品质量缺陷中，出现频率比较高的是字迹画面不清、缺字、断页等，因此本 检测设计也是围绕着这几种缺陷展开。整个打印品质量检测系统主要由照明装置( 光 源) 、光学系统、高速c c d , 柞t 机、图像采集卡、图像处理单元、采集卡驱动程序和人机交 互部分组成。其整体结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 整体结构框图 6 中南大学硕+ 学位论文第二章系统整体的比较与设计 本系统中，光源在印品上方并平行于印品，将图像采集卡插于微机主机的p c i 插槽 中，并打开微机，此时采集卡处于准备状态。当微机系统向采集卡发出开始采集命令时， 采集卡等待一帧信号的到来并在下一帧信号到来时开始采集工作。 采集工作通过工业现场夕b c c d 成像系统将光学信号转变为可以处理的模拟视频信 号，然后将图像信号传送到图像采集卡。图像采集卡将模拟信号转换为数字信号后，传 给d s p 芯片。d s p 根据不同的采集通道，用不同的处理算法对采集到的数据图像进行图像 预处理，处理完后的图像数据通过p c i 总线传送到上位机的处理程序和控制程序，上位 机接着量化这些数据并根据收到的数据判断打印品是否产生了缺陷。 下面就各个主要组成部分方案比较进行说明。 2 2 照明装置 光源是机器视觉系统中的重要组成部分，它直接影响输入数据的质量啪1 。光源引起 的误差很难在后期处理中消除，从而影响整个系统的识别精度。由于没有通用的光源设 备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的光源装置，以达到最佳效果。对于测 量精度要求高，测量点多，又要求以较高速度自动完成测量的高精度测量系统，照明光 源是满足测量系统精度要求的关键之一。 光源的基本特征参数包括：辐射效率和发光准备效率、光谱功率分布、空间光强分 布、光源的分布温度、色温、颜色等。 光源可分为自然光源和人造光源两类。自然光源使用不方便且其发光特性不容易控 制，一般不适合用作计算视觉系统中的照明光源。在工业检测应用中，常常使用人造光 源。人造光源有许多种，诸如卤素灯、日光灯、l e d 照明光源、高频荧光灯、放射性光 源n 力等。卤素灯光亮度强，适用于精细的小目标，使用寿命比较短。l e d 照明光源是一 种新型的照明光源，其使用寿命长，响应速度快，光强基本不变，但其价格比较昂贵。 不考虑整个系统的经济性能时候，可优先选择这种照明光源。日光灯为常用的照明光源， 其价格便宜，适合于工厂使用。在本设计中为了保证图像质量采用的是l e d 照明光源。 为了避免干扰光的影响，还在光源部分加上屏蔽罩。 目前，光源的照射方式有前光照、背光照、分光反照三种方式。其中，前光照指的 是从摄像机的角度看光源放在物体前面，光源和摄像机位于被物体的同侧面，这种方式 便于安装。背光照是指光源放在物体的后面，被测物体放在光源和摄像机之间，它的优 点是能获得高对比度的图像。分光反照指的是光源照射背景板，从背景板上漫反射的光 线照射物体。 在使用中，究竞选用何种方式，设计者可根据现场情况选定。本系统考虑到不适合 背光照，为了安装方便、图像处理效果，采用前光照方式。 7 中南人学硕十学位论文 第二章系统整体的比较与设计 2 3c o d 摄像机 c c d 概要h 训 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷藕合器件，突出特点是以电荷作为信号，而不 同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，是一种集光电转换、电荷储存、电荷转 移为一体的传感器件n8 1 。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器 光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号( 视频信号) 。它主 要由光敏元阵列，转移结构，输出结构等组成。 c c d 器件的特点 1 ) c c d 器件作为七十年代发展起来的物性型传感器，利用了材料的光电物理效应， 减少了转换环节，使敏感元件与转换元件合为一体，实现了固体化，具有结构牢固、体 积小、重量轻、寿命长、响应速度快、可靠性高等优点。 2 ) c c d 器件具有固定像元结构，像元的几何尺寸固定，几何位置精度高，因此c c d 用于测量或定位时可以获得很高的精度。 3 ) c c d 器件具有很高的光电灵敏度和大的动态范围，比较好的c c d 器件在特定的条 件下与微光像增强器的输出端相藕合，甚至可以测得一个光电子。 4 ) 此外，c c d 器件的工作电压和功耗都很低，输出信号易于传输和计算机处理。由 c c d 构成的测量系统操作容易，维护简便，成本低廉；作为光电传感器可用于对人体有 害的、危险的，或人和机器不能到达的地方进行非接触测量等特点。 c c d 类别 c c d 器件根据结构不同，分为线阵c c d 和面阵c c d 两类，二者的基本工作原理相同。 一般，线阵c c d 分辨率高，结构简单，价格便宜，输出视频信号处理简便，主要用于工 业检测、文字与图像识别、传感及空间遥感等领域。而面阵c c d 主要应用于广播电视、 可视电话等领域，在很多领域已经取代了电子扫描管。本课题选用的是线阵c c d 。 c c d 基本工作原理 电荷藕合器件的突出特点是以电荷作为信号，c c d 的工作过程主要就是信号电荷的 产生、存储、传输和检测剐。 一个c c d 芯片是由几百甚至上万个光敏微元组成，这些微元组合成线阵或面阵c c d 探测器，当被测目标的光信号通过光学系统在c c d 光敏元上成像时，c c d 器件便将光敏 元上的光信号转换成与光强成正比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对c c d 进行驱动， 在c c d 的输出端便可获得被测目标的视频信号。视频信号中的每一个离散信号的大小对 应着一个光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应着c c d 光敏元位置的顺序。 这样，c c d 用自身扫描方式完成了信息从空间域到时间域的转换。 c c d 的选择 中南大学硕士学位论文第二章系统整体的比较与设计 c c d 器件是组成测量系统的关键部件，其性能优劣直接影响着系统的功能、测量精 度和使用效果，目前国内外市售的线阵c c d 器件，其灵敏度、分辨率、光谱响应和工作 速度等参数均能满足一般应用要求。 在实际应用中通常是根据不同用途选择不同性能的c c d 器件，例如美国仙童公司的 线阵c c d l 8 1 ，具有抗弥散、可积分控制、利用电压选择像元数、蓝光响应强、高灵敏度、 高速度和宽动态范围等特点，并具有2 5 9 2 个像元。通过电压选择可以得到2 5 9 2 ，2 0 4 8 ， 1 7 2 8 和1 0 2 4 四种不同像元数输出的器件，并可在2 0 m h z 速率下工作，适用于各种精密 光谱测量，空间遥感和弱信号检测等系统。又如日本东芝的t c d l 4 2 d 线阵c c d ，像元数 为2 0 4 8 位，像元尺寸为1 4 u m ，对蓝光灵敏，峰值响应为5 7 0 n m ，灵敏度为6 o v h s e c ， 两相时钟，驱动电路简单，价格便宜，适用于各种工件尺寸检测、复印等系统。对用于 尺寸检测和控制的c c d ，选用的主要原则是测量范围和测量精度的要求。 根据c c d 器件的种类以及所求得的像元尺寸和必须的像元数就可以确定需要的c c d 器件的型号。 c c d 方案的比较 目前，图像传感器应用系统的开发方式主要有两种： 一种是针对具体的图像传感器芯片开发其驱动器，如c c dt c d l 2 0 9 d 芯片。其要求 严格的在驱动脉冲作用下实现电荷的转换、存储、转移、和输出。驱动电路部分主要由 晶振、时序信号发生器、垂直驱动器等构成，为图像传感器芯片提供驱动脉冲、为信号 处理电路提供钳位、复合同步、复合消隐、采样保持等脉冲信号。这种时序匹配难度 高、调试困难、开发周期长。 另一种是直接利用公司提供的将芯片及驱动集成在一起的相机，如加拿大d a l s a 公 司提供的各种型号的线、面阵相机，可根据不同的需求选择使用，从而缩短研发周期， 降低开发难度。 考虑本课题开发的重点及为了缩短开发周期，我们直接选用加拿大d a l s a 公司提供 的黑白线阵c c d ：s p - 1 4 - 0 1 k 3 0 ( c d a l 0 1 4 ) ，主要性能参数： 1 ) 光敏像元数：1 0 2 4 2 ) 像元尺寸：1 4 u m 1 4 u m 3 ) 扫描线速度：3 6 1 k h z 4 ) 选择镜头：标准c - m o u n t 5 ) 供电电源：5 v ，1 5 v 6 ) 工作温度：0 6 0 0o c 图2 - 2 线阵c c d 图片 在生产中检测范围的有效宽度由公式2 1 决定： l = l 。o f( 2 1 ) 9 中南大学硕士学位论文第二章系统整体的比较与设计 其中f 是镜头焦距，k 为线扫描照相机光敏面的长度，d 为镜头至被测物实测距离。 在本设计中使用的线扫描照相机光敏元陈列长度k 为1 0 2 m m ，焦距为8 m m 。取d 为l o o m m ，则计算得有效检测宽度为l = 1 2 7 r a m ，如果检测宽度为1 2 m 的话，则需要采 用l o 个摄像机，由于d 的可调性，在本设计中只讨论四个摄像头问题。 2 4 采集卡方案的比较 图像采集卡，主要包括以下三个部分： 1 ) 图像采集部分：该模块的主要功能是将从c c d 摄像头输入的模拟视频信号转换为数字 信号。普通c c d 摄像头的输出是n t s c 制式( 或p a l 制式) 的复合全电视信号 c v b s ( e o m p o s i t ev i d e o ) 或是s v i d e o ( 分量视频) 信号，二者均为模拟信号。 2 ) 主控制模块：该模块的主要功能如何对输入的数字图像视频信号进行采样、何时采 样、并能配置对输入的数字信号采用何种方式的数字图像处理，比如对打印品中的 图案l o g o ，在其图案区域内进行采样并使用模块匹配方面进行图像的检测与判断； 而对字符、汉字、数字使用识别算法，在d s p 和p c 端共同完成。协调整个系统的运行。 3 ) 图像处理部分：该模块的主要功能是对图像数据进行图像处理，并进行数据的传送。 设计图像采集卡，在芯片和结构上有很多种选择。一般根据设计的需要进行选择， 就本设计的需要，下面对各个模块方案进行分析比较。 2 4 1 采集方案比较 图像采集有两种方案可供选择。 第一种方案n 州2 ：采用高速模数转换器对视频信号进行模数转换，把黑白参考电平 之间的模拟量进行分级。采用位数越高的模数转换器采样后的图像越精确，表现力越强， 但提高位数的同时也带来了数据量的大幅度增长。对于彩色视频信号进行采集时则需要 采用多个模数变换器，这使得电路的设计难度增加。由于视频信号结构的特殊性，信号 中不仅含有图像数据还含有同步信息，而视频信号的传输是靠这些同步信号来保持信号 的准确性与一致性的，因此还需要把这些同步信号提取出来，这样才能保证图像数据的 准确性。由于同步信号幅度占全电视信号幅度2 5 的电平范围，可根据这一特征采用幅 度分离法将复合同步信号分离出来，不同同步信号再根据不同的脉冲宽度来识别，但这 种方法的设计与实现十分复杂，加上视频信号对时序的要求极为严格，行、场同步信号 之间要通过高可靠性的锁相环电路来保持同步。如果设计方法不合理引入了系统延时或 误差，那将严重影响视频信号的准确性。 第二种方案h 刁：采用视频解码芯片进行视频信号的解码和同步信号的提取。这种方 法最大的好处是设计简单，采用一个芯片即可完成视频信号的解码和同步信号的分离， 1 0 中南人学硕十学位论文 第二章系统整体的比较与设计 稳定性好，通用性强，但不适合非标准的视频信号。比较以上两种方案，明显后一种方 案比较稳定简单，所以我们选择了用视频解码芯片对图像信号进行采集。 使用专用的视频数字解码芯片，如p h i l i p s 公司生产的可编程数字图像解码芯片 s a a 7 11 0 、s a a 7 11 3 等，其外围电路简单，可将模拟视频信号实时转化为数字图像，其内 部包含两路模拟处理通道，能实现视频信号源的选择、抗混叠滤波、模数转换、自动嵌 位、自动增益控制、时钟产生、多制式( p a lb g h i ，p a l m ，p a l n ，n t s cm 和n t s c n ) 解码 及亮度、对比度和饱和度控制。为视频采集系统的设计与实现提供了极大的方便。 所以我们选用了s a a 7 1 1 3 h 作为图像采集芯片。 2 4 2 数据存储方案设计比较 图像信息的数据量大、实时性强，同步传输要占用大量的计算机资源，导致整个系 统性能的降低和资源的极大浪费，因此图像数据的传输要采取必要的缓冲措施，先采用 大容量的数据缓冲器将数据缓存，之后采用高效的方式进行传输，这样可以提高数据传 输的效率和整个系统的性能。数据缓冲区可以采用大容量的存储器件，存储器模块必须 有读和写同时进行的能力，满足这一要求的有d r a m ( d u a l p o r tr a m ) 和f i f o ( f i r s ti n f i r s to u tm e m o r y ) 。 下面比较一下d r a m 和f i f o 的优缺点。 d r a m 的优缺点： 1 ) 访问灵活：可以在任意时间访问任意存储空间。 2 ) 信号线复杂：每片d r a m 都有两套地址线和数据线，引脚过多。 3 ) 价格昂贵。 因为f i f o 的数据是依次存入和读出的，因此f i f o 的优缺点正好和d r a m 相反： 1 ) 信号线简单：没有地址线，只有两套数据线。 2 ) 顺次访问：只能按先进先出的顺序读写f i f o 中的数据。 3 ) 价格较便宜。 因为采集数据和处理数据应该是按照时间顺序的，因此没必要用d r a m 。为了能最大 限度的利用p c i 接口，选择的f i f o 的处理速度应小于1 5 n s ( 1 6 6 m ) ；为了能连续的采集信 号，要求f i f o 有f h 标志( 半满标志) ；为了检测采集卡是否有丢失数据的现象( 当计算机 的处理速度小于采集卡的采集速度，f i f 0 很快就存满了，再采集的数据就会丢失) ，还 要求f i f o 有f e 和f f 标志( 空标志和满标志) 。 根据上面的分析，我们选择了i d t 7 2 v 2 5 1 作为f i f o 缓存数据。 中南人学硕十学位论文第二章系统整体的比较与设计 2 4 3 逻辑控制及数据传输方案设计比较 基于现在流行的几种控制和数据传输方式，我们有以下几种方案可以考虑： 基于c p l d 和u s b 总线的采集方案 c p l d 规模一般较小，适合于简单的逻辑产生和逻辑控制，c p l d 控制c c d 相机的时序 逻辑、f i f o s r a b l 的时序、u s b 的时序。且u s b 总线只需要两根数据线即可，总线是高速、 易用、可靠、支持p n p ( 即插即用) 。这种方案增强了系统集成度，降低了系统开发成本 和开发周期，提高了系统的抗干扰能力，简化了系统的调试和维护。 其致命缺点就是u s b 传输速度达不到实时性的要求n 副，因为要进行四路c c d 图像数据 的传输。 基于p c i 总线和c p l d 控制采集方案 p c i 总线具有很多优异性能：工作频率为o - - 一3 3 m h z ，与c p u 时钟无关；总线宽度为3 2 位( 并且可以扩展至1 j 6 4 位) ，可访问4 g b 存储空间，其数据传输速率可达1 3 2 m b p s ( 或 2 6 4 m b p s ，对应6 4 位总线宽度) ；不受处理器限制，即p c i 总线元件及插件接口和处理 机相互独立，适合于多种处理机体系结构的要求。这使p c i 总线非常适于传输视频信号。 该方案规模一般也比较小，只需要简单的逻辑控制方式即可，通过c p l d 逻辑控制采集到 c c d 数字信号，直接送入至u p c i 总线以d m a 传输方式送入上位机的内存，由常住上位机里 面应用程序进行了数字图像处理，对处理后的数据进行比较。 与上一方案比较在传输速度上有了很大的改进，完全满足四路数据的传输。但由于