（机械电子工程专业论文）基于arm微处理器的玻璃缺陷在线检测系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 玻璃在生产过程中，会产生各种各样的缺陷，比如：气泡、条纹和结石。这 些缺陷都是在熔制过程中发生的。对于玻璃缺陷的允许程度，取决于该制品的 用途。一般来说，不允许玻璃中有大量的明显的缺陷，否则会影响玻璃的外观 质量，降低玻璃的透光性，机械强度和热稳定性，造成大量的废品和次品。 通过研究国内外现存的玻璃缺陷检测设备的工作原理，不难发现，这些产品 主要是由p c 机和视频图形采集卡构成，存在系统稳定性差、实时性不够、价格 高昂等缺点。 本文设计了一种基于d s p 和a r m 独立双核的嵌入式视频处理系统，该系统 采用t i 公司的高速数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 6 进行图像处理，p h i l i p s 公 司的a r m l p c 2 2 1 0 作为主控芯片，解码后的视频信号被放入帧缓存中，在d s p 的控制下进行信号采集、编码和模式识别，然后由l p c 2 2 1 0 将图像检测结果进 行传输，客户端也可以通过网络来访问本视频处理系统。这种设计可以解决基 于p c 机的视频采集系统所存在的稳定性差，价格高昂等问题，同时也弥补了现 有的单内核( 即基于d s p 或m c u ) 的嵌入式系统的不足。 为实现d s p + a r m 双内核体系结构，本文设计了d s p 与a r m 芯片之间的 软硬件接口，利用h p i 进行d s p 和a r m 芯片的数据交换；系统的微处理器部 分使用了a r m + u c l i n u x 的解决方案，针对我们的开发板设计并实现了 b o o t l o a d e r ；为了实现玻璃缺陷自动化在线识别，本文也研究并探讨了几种流行 的数字图形处理技术在工业领域中的应用。 关键字：嵌入式操作系统，璃缺陷检测，a r m ，d s p ，视频压缩 武汉理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t a nk i n d so fg l a s sd e f e c tw i l lo c c u rd u r i n gt h em e l t i n gp r o d u c t i o n s u c ha sa i r b l a d d e r 、s t r i aa n dc o n c r e t i o n 。n l ep r e c i s i o no fg l a s sd e p e n d so nw h e r ea n dh o wt h e p r o d u c t sa r eu s e d g e n e r a l l ys p e a k i n g ，l o t so fo b v i o u sg l a s sd e f e c ta r en o ta l l o w e d w h i c hw i l lr e d u c ea p p e a r a n c eq u a l i t y 、t r a n s p a r e n c e 、m e c h a n i c a li n t e n s i t ya n dh e a t s t a b i l i t y ，m a dc a nb r i n gp l e n t yo f w a s t e r s f r o mt h er e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo fe x i s t i n gg l a s sd e f e c ti n s p e c t i o nd e v i c e s ，i t i se a s yt of i n dt h a ta l lt h i sd e v i c e sa r ec o n s t r u c t e db yp e r s o n a lc o m p u t e ra n dv i d e o c a p t u r ec a r d ，a n dt h i ss y s t e mr e m a i n su n s t a b l ea n de x p e n s i v e t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nd e s i g no fa ne m b e d d e dv i d e op r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do nd s pa n da r m h i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 6 4 1 6o ft i c o m p a n yi sa d o p t e dt od oi m a g e - p r o c e s s i n g a n da r m l p c 2 2 1 0o fp h i l i p s c o m p a n yi st a k e na sc e n t e rc h i p d e c o d e dv i d e os i g n a li sp l a c e di n t of r a n eb u f f e rt o c a p t u r ev i d e es i g n a l d e c o d eo rd e t e c tm o t i o nu n d e rt h ec e n t r e lo fd s p - t h e nd e t e c t e d i m a g ea n dm o t i o nr e s u l t sa r et r a n s m i t t e db yl p c 2 2 1 0 t og u a r a n t e ev i s i to fe m b e d d e d v i d e op r o c e s s i n gs y s t e mv i ai n l e m e tf r o mc l i e n t t h ed e s i g nc a nn o to n l ys o l v e p r o b l e m ss u c ha sl o ws t a b i l i t ya n dh i g hp r i c eo fp c - b a s e dv i d e op r o c e s s i n gs y s t e m s ， b u ta l s o p e r f e c t e x i s t e de m b e d d e dv i d e op r o c e s s i n gs y s t e m s ( d s p b a s e do r i u s c b a s e d ) i no r d e rt or e a l i z ed a t ao fd s pa n da r m ，t h i sp a p e rd e s i g nh a r da n ds o f to u t l e t t h a tm a k eu s eo fh p it ot r a n s f e rd a t ao fd s pa n da r mc h i p s a r m + u c l i n u xs o l u t i o n i sa d o p t e di nm i c r oc o n t m lp r o c e s s o rs u b s y s t e ma n dw ed e v e l o p e dt h eb o o tl o a d e rf o r o u rd e v e l o p m e n tb o a r d i no r d e rt or e a l i z et h eo n - l i n eg l a s sd e f e c ti n s p e c t i o n a u t o m a t i o n ，t h i sp a p e ra l s od oag r e a to fr e s e a r c ho nh o w t h es e v e r a lp o p u l a rd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e di ni n d u s t r i a lf i e l d k e yw o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，g l a s sd e f e c ti n s p e c t i o n ，a r m ，d s p v i d e oc o m p r e s s i o n i i 武汉理1 二大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及意义 “基于a r m 微处理器的玻璃缺陷在线检测系统”课题来源于一个企业合作 项目。 玻璃外观缺陷检测是玻璃质量检验的重要方面之一。在浮法玻璃的生产过 程中会产生一些缺陷，如气泡【1 】【2 l 、结石 2 1 、裂纹 2 、划痕川【2 】、麻点【1 j 2 1 以及表面形状尺寸偏差等。常见的玻璃缺陷主要有以下几种表现形式： ( 1 ) 气泡玻璃中的气体夹杂物，呈圆形、椭圆形和点状等。它是在玻璃融 化过程中及玻璃成型过程中形成的； ( 2 ) 裂纹、划痕和磕碰它是玻璃在生产线各工序的传输过程中因机械划伤、 磕碰等原因造成的； ( 3 ) 结石玻璃中的固体物质，有原料结石、耐火材料结石、析晶结石等，较小 的结石称砂粒； ( 4 ) 玻璃表面形状尺寸偏差玻璃尺寸不符合要求。 其中气泡在缺陷中出现的频率最高，其次是裂纹和结石。 目前国内生产厂家大多数采用人工检n t l 方法，即将待检测的玻璃放在一个 检测光源前，用人眼来观测玻璃，找出缺陷。该方法有如下缺点： ( 1 ) 容易受到人眼分辨能力和易疲劳等主观因素的影响； ( 2 ) 人工检测速度较慢，自动化程度很低，不能适应现代化大生产的要求， 且工人劳动强度比较大，长时间的操作人眼势必会产生疲劳，直接影响到检测 的准确性，无法保质保量地完成生产任务； f 3 ) 检测数据的保存及查询不太方便。 国外已经开发出相应的玻璃缺陷检测设备 2 1 ，但是价格比较昂贵，且技术资 料保密，售后维修的工作经常延迟，影响生产的正常进行，且维修费用过高。 国内目前也有少数几个厂家在进行玻璃制品在线检测设备的研制，但其开发出 的产品仅相当于与国外八十年代的水平，设备体积庞大、难于调试、功能过于 单一。 基于上述事实，本课题深入研究了玻璃缺陷检测的应用原理，力求设计出 武汉理上火学硕士学位论文 一套基于a r m 5 嘲和d s p 7 】1 8 独立双核结构的自动化在线检测系统，并结合目 前流行的数字图像处理技术对玻璃气泡和裂纹进行检测，为浮法玻璃生产线l 的优化切割系统和玻璃等级打标装置提供详实的数据。在解决传统人工检测难 题的同时，提高玻璃缺陷检测的准确性和自动化程度。 1 2 国内外研究现状及发展水平 国外在九十年代初就开始研制计算机视觉在线检测设备，他们凭借其雄厚 的经济实力和不断成熟的技术为基础，至现在已经开发出多种玻璃在线检测机 器。近些年来，由于建筑和汽车行业的高速增长，推动了相关玻璃的制造和使 用行业的快速发展，对于玻璃的质量要求也是越来越高，因此国内外许多科研 机构都在开展玻璃缺陷在线检测系统的研究，下面是其中的一些研究成果： f 1 1 德国l a s o r 公司浮法玻璃在线缺陷检测系统l a s o r 公司是第一家 推出浮法玻璃激光检测设备【3 】的公司，其产品在世界浮法玻璃生产线上安装的数 量最多。l a s o r 公司近年又推出了新型的采用数字照相技术的浮法玻璃检测设 备2 f 1 装置。该检测系统采用先进的成像技术和智能光源，检测精度大大超过 了激光检测系统，并且具有光学检测功能，可在同一台机器上实现对玻璃的疵 点和玻筋的检测。2 f 1 系统可以检测的玻璃缺陷包括气泡、结石、锡点、玻筋 等，它还可以对这些缺陷进行分类，以利于对玻璃质量的判别。所检测出的缺 陷信息可以实时地显示在操作屏幕上，并可以多种图表形式向用户提供缺陷的 统计信息，售价约3 0 万欧元。实物如图1 一l 所示。 图l 一1德国l a s o r 公司浮法玻璃在线缺陷检测系统 2 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 2 ) 丹麦制造的“结石检测器”； ( 3 ) 法国s g c c 公司制造的m l 型全自动多功能玻璃瓶罐在线检测机； ( 4 ) 国内研究开发的玻璃缺陷在线检测系统大多是参考了国外相关行业的设 计结构，由长沙科创计算机集成有限公司研制的c g t - - d 玻璃缺陷在线自动检 测系统能在线自动检测玻璃熔化和成型过程中形成的缺陷，如气泡、砂粒、结 石、沾锡和光畸变点等，并能区分气泡和夹杂物。该系统首次采用了光学变换 技术和特殊的光阵布置，对细小缺陷进行了充分放大，而对玻璃表面附着的灰 尘、污渍因放大不足而被平滑掉。又由于采用数字像处理技术有效地消除了背 景干扰，实现了二维处理，可检测出小于0 2n l l t l 2 的点状缺陷，对o 3 。0 5n l l t l 2 点状缺陷的准确率高达9 0 以上。该系统对缺陷的最小分辨率和缺陷识别的准 确率都达到了国际先进水平。使用时，无需对被测玻璃带预先清洗和烘干，其 价格为国外同类产品的四分之一，该系统荣获国家科学发明奖。 从上述的各种玻璃缺陷检测应用系统中可以看出，在浮法玻璃【l 】的外观质量 缺陷检测中，国内外的研究机构均广泛的应用了图像处理技术。其中，国外在 玻璃缺陷在线检测方面已经取得的成熟应用，为我们提供了宝贵的参考。 1 3 论文主要工作及目标 通过研究以上国内外的几种玻璃缺陷检测设备的工作原理，不难发现，从 硬件设计的角度上来说，这些产品主要采用了p c 机+ 视频采集压缩卡的方法。 即：在外来芯片基础上开发视频采集压缩卡1 6 l ，或在现有的视频采集压缩卡 8 1 上 开发监控软件系统，然后组成监控系统。这些基于p c 机的图像处理系统由p c 机加上视频采集卡构成，在玻璃检测现场，由若干个摄像头_ ( 图像传感器) 、 照明光源与光学系统通过传输线路，汇接到终端机上，该终端可以是一台p c 机， 也可以是专用的工控机【7 】 8 。除了处理备种信息和完成本地所要求的各种功能 外，系统还可以利用视频采集压缩卡和通信接口卡，通过网络将信息传到一个 或多个远程监控中心。 基于p c 机的视频处理系统终端功能较强，便于现场操作。但价格高昂，稳 定性不好，视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯) 较为复杂，可 靠性不高；p c 机也需专人管理，操作较为繁琐，系统维护和升级等相关售后服 务的价格也很高。 武汉理1 人学硕士学位论文 从上面的叙述可以看出，虽然国内外已经有了不少成套的玻璃缺陷检测设 备，但还有许多需要改进的地方，本文的主要研究内容可以概括为以下几个方 面： 1 为了解决目前基于p c 机的玻璃缺陷检测系统存在的稳定性差，价格昂 贵等问题，本文设计了一种基于高速数字信号处理器( d s p ) 和嵌入式控制器双 内核的嵌入式视频采集压缩系统。系统采用t i 公司的高速数字信号处理器和 p h i l i p s 公司a r m 芯片，解码后的视频信号被放入帧缓存口】中，由d s p 进行信号 采集。 2 在双内核系统的实现中，d s p 模块和a r m 模块的接口是关键，本文通过 h p i 接口设计实现了该接口。 3 系统中的a r m 芯片p 】选用l p c 2 2 1 0 ，并在其上运行u c l i n u x 操作系统【1 0 i 。 针对本系统我们开发了相应的b o o tl o a d e rl 1 1 l ，这是本系统实现的关键之一。 4 为了实现视频处理中的自动化检测，探讨了几种目前流行的数字图形处 理技术1 1 2 】在玻璃缺陷识别中的应用。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统工作原理及视频处理原理简介 2 1 玻璃缺陷识别原理 在玻璃外观质量缺陷中，出现频率比较高的主要有气泡、结石和裂纹。因 此我们的检测设计也是围绕着这几种缺陷展开。由于玻璃是透明制品，无缺陷 的玻璃样本质地均匀，表面光滑、洁净，图像整体灰度的均匀性较好，相邻象 素点间的灰度值变化也较小。而存在气泡缺陷的玻璃，由于内部气泡是在压模 过程中形成的，其内部是残留的空气，透射光在其边缘处发生折射，在灰度图 像中气泡边缘处的灰度值低于周围背景的灰度值【l “0 3 1 。表面缺陷( 裂纹、划痕、 破损等) 是由外力造成的损伤，它使破损处光洁度降低，光线透射率下降，同时， 在缺陷边缘也会发生光线的折射，使得在灰度图像中局部灰度值与其周围背景 相比有较大变化，破损处边缘及内部各点的灰度值均低于背景灰度值。因此， 基于玻璃缺陷的以上图像特征，利用图像处理技术识别玻璃缺陷是可行的。 2 2 视频处理原理 视频信号包括模拟视频信号和数字视频信号 圩】0 6 1 1 7 1 。模拟视频信号有三种 信号类型，复合视频信号是包含亮度信号、色差信号和所有同步信号的单一信 号，分量视频信号是指每个基色分量作为独立的视频信号，分离视频信号s v i d e o 是亮度和色差分离的一种视频信号，是分量模拟视频信号和复合模拟视 频信号的一种折中方案。而对这些模拟视频信号进行信号处理时，一般需要将 其转换为数字视频信号。模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具 有不同的制式而且采用复合的y u v 信号方式，而计算机工作在r g b 空间： 电视机是隔行扫描，计算机显示器大多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器 的分辨率也不尽相同等等。因此，模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、 光栅扫描的转换以及分辨率的统一。 模拟视频的数字化一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度 和色度分离，得到y u v 或y i q 分量，然后用三个模数转换器对三个分量分别 武汉理工大学硕士学位论文 进行数字化得到数字的y u v 信号，如果是计算机处理或有需要再进一步转换 成r g b 空间 1 4 【1 7 1 1 8 1 。 根据模拟视频信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此 其数字化时可采用幅色采样法，即对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量 的采样率。用y ：u ：v 来表示y 【三分量的采样比例，则数字视频的采样格式 分别有4 ：1 ：l 、4 ：2 ：2 和4 ：4 ：4 三种。模拟视频信号既是空间的函数， 也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的 方式要复杂得多。分量采样时采到的是隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行 样本，然后进行样本点的量化，y u v 到r g b 色彩空间的转换等等，最后才能 得到数字视频数据。 为了在p a l 、n t s c 和s e c a m 电视制式之间确定共同的数字化参数，美 国国家无线电咨询委员会( c c i r ) 制定了广播级质量的数字电视编码标准，称 为c c i r 6 0 1 标准( 即现在的i t u rb t 6 0 1 标准) 。对于模拟分量电视信号， 应按c c i r 6 0 1 标准进行数字化，取样结构为4 ：2 ：2 ，亮度信号y 抽样频率 选为5 2 5 6 0 和6 2 5 5 0 三大制式行频的公倍数2 2 5 m h z 的6 倍即 1 3 5 m h z 。接口标准为s m p t e 2 5 9 m 串行数字接口s d i 格式( d l 格式) ， 输出码率为2 7 0 m h z ( 4 ：3 ) 或3 6 0 m h z ( 1 6 ：9 ) 。对于模拟复合电视信号， 从抽样所形成的样点结构图考虑，抽样频率取彩色副载波的4 倍更为合适，量 化后输出码率为1 4 2m h z ( 8 b i tp a l 制) 和1 1 4 m h z ( 8 b i tn t s c 制) 。对 于高清晰信号，数字化后变换成h d s d i 信号，传输率为1 5 g m h z ( s m p t e 2 9 2 m ) 。 这种未压缩的数字视频数据量对于目前的计算机和网络来说无论是存储或 传输都是不现实的，因此应用数字视频的关键问题是数字视频的编码压缩技术。 视频编码一般来说分为三个阶段：第一是信号处理阶段，它是把视频图像 信号进行变换、处理，使数据处于容易压缩、量化的状态；第二是量化阶段， 量化简单说是用少量值表示多量值的过程，压缩过程主要是在这里，信号的失 真也在这里产生。第三是无失真编码，即产生输出数据流。对视频图像采用不 同的处理、量化和熵编码方法，就产生了不同的视频图像压缩方法f 1 9 l 2 0 】 2 h 。 视频编码方法从信息损失的角度可分为无损压缩和有损压缩。无损压缩指 压缩后的数据经解压缩还原得到的数据与原始数据完全相同；而有损压缩后的 数据经解压缩还原得到的数据与原始数据不完全相同。下面对几种常用的编码 武汉理工大学硕士学位论文 方法进行介绍。 信息是以不确定性的量度定义的。一个消息的可能性愈小，其信息量愈大。 一一个信源x 的符号集为x i ( i - 1an ) ，x i 出现的概率为p ( x i ) ，则信息量的定义 为： i ( x i ) 2 一l o g xp i ( x i ) l 0 9 2 p i ( x i ) 如果将信源所有可能事件的信息量进行平均就得到了信息的熵。熵就是平均信 息量。信源x 的熵定义为： h ( x ) 2 一p ( x 。) l o g p ( x ，) 1 编码原理【1 9 】【2 0 】 2 1 1 香农于1 9 4 8 年创立的信息论中定义了一个信息容量c ，并证明只要符号 速率不超过信息容量c ，符号可以任意小的差错概率在该信道中传输。这就给 出了数据压缩的理论极限，即信源所含有的平均信息量( 熵) 就是进行无失真 编码的理论极限。换言之，只要不低于此极限，总能找到某种适宜的编码方法 任意地逼近熵。根据香农信息论信源中含有的冗余度源于信源本身的相关性 和信源概率分布的不均匀性，只要能去除相关性或改变概率分布的不均匀性， 也就找到了信源熵编码的方法，利用信息熵的编码方法主要有h u f f m a n 编码、 行程编码和算术编码。 2 h u f f m a n 编码1 1 9 】【2 0 】1 2 l 】 h u f f m a n 编码的原则是：对于出现概率大的信息符号以短字长编码，对于 出现概率小的信息符号以长字长编码，码长的长度严格按照符号概率大小的相 反顺序排列。把信源符号按概率大小顺序排列，首先将概率最小的两个符号的 概率相加，合成一个概率，把这个合成概率看成是一个新符号的概率，然后与 其它符号概率一起再按从大到小的顺序排列，重复上述步骤，直到概率的和为1 为止。编码时，每一步有二个分支，各赋予一个二进制码，如可对概率大的赋 予码0 ，概率小的赋予码1 。 h u f f m a n 编码对每一个符号都给定了一个码字，形成一个编码表。接收端 要有同样的编码表，在译码时须参照它才能正确译码。然而，h u f f m a n 编码构 造出来的码并不是唯一的，而且码字长度参差不齐。对于不同的信源其编码效 率是不同的，当信源概率分布很不均匀时，h u f f m a n 码才会有显著的效果。 3 行程编码( r l e ) 1 9 】 2 1 1 计算机生成的图形往往有许多颜色相同的图块。在这些图块中，许多连续 武汉理工大学硕士学位论文 的扫描都具有同一种颜色，或者同一扫描行上有许多连续的像素都具有相同的 颜色值。这种情况下，只需要存储一个像素及知道具有相同颜色像素的数目即 可。这种编码即行程编码r l e ( r u n - - l e n g t he n c o d i n g ) 。具有同一颜色的连续 像素的数目称为行程长度。例如在一行图像中，关于像素的像素值为 1 1 1 1 1 0 0 0 5 5 5 5 3 3 3 3 0 2 2 2 2 2 2 2 ，用r l e 对它编码后彳导到的码为5 1 3 0 4 5 4 3 1 0 7 2 。 码中前两位表示连续5 个像素的像素值为1 ，依此类推。译码时按这些规则可 以还原得到原来的图像数据。 对比r l e 编码前后的代码数可以发现，只用1 2 个码就表示了2 4 个图像 数据，压缩比为2 ：l 。r l e 压缩率的大小取决于图像本身的特点。如果图像中 具有相同颜色的图像块越大，这样的图像块数目越多，压缩率就越，反之就越 小。因此，r l e 尤其适用于计算机生成的图形，对减少存储容量很有效。 4 算术编码【1 9 1 2 0 l1 2 1 1 算术编码是将被编码的信息表示成实数0 和1 之间的一个间隔。信息越 长，编码表示它的间隔就越小，表示这一间隔所需的二进制位数就越多。在传 输任何信息之前，信息的完整范围是 0 ，1 ，表示为0 x l 。当一个符号 被处理时，这一范围就依分配给这一符号的部分而变窄。例如：假设传输的数 据串为e a i i l ，范围r = h i g h - l o w 。初始h i g h = l ，l o w = 0 ，下一个l o w ，h i g h 按下 式计算： l o w = l o w + r xr l o w h i g h = h i g h + r r h i 曲 编码器和译码器都知道初始范围 o ，l 】，在第一个字符e 被编码时，e 的r l o w = 0 2 ， r h i i g h = o 5 。因此，l o w = 1 + 1 0 2 = 02 , h i 曲= o + l o 5 ，r = h i g h l o w = 0 3 ，此时 分配给e 的范围为【o 2 ，o 5 】。接收到e 之后，范围由 0 ，1 变为 0 2 ，0 5 3 。 因此，a 被编码时，需使用新生成的范围 o 2 ，0 5 。按上式计算，l o w = 0 2 + 0 r 3 0 = 0 2 ，h i 曲= 0 2 + o - 3 0 2 = 0 2 6 ，r = 0 2 6 一o 2 = o 0 6 ，即范围变为 0 2 ， o 6 1 。依此类推，最终范围为 o 2 3 3 5 4 ，o 2 3 3 3 6 。实际上，编码器只要传输范 围 0 2 3 3 5 4 ，0 2 3 3 3 6 内的一个数例如0 2 3 3 5 7 即可。译码器接收到这一数据 o 2 3 3 5 7 后，去查找按公式计算的各字符的产生范围表，便可以唯一地译码出这 串字符。其中，! 为结束标志，标志信息传输的结束。当译码器见到这一字符时， 就停止译码。 算术编码除了有基于概率统计的固定模式外，还有自适应模式。自适应模 武汉理j 二大学硕士学位论文 式各个符号的概率初始值相同，它们依据出现的符号而相应地改变。只要编码 器和译码器使用相同的初始值和改变值方法，它们的概率模型将保持一致。算 术编码的自适应模式可以不必预先定义概率模型。因为在实际应用中，彳i 可能 对全部大量的信息进行概率统计，所以使用自适应模式的算术编码效率很高。 当信源符号概率比较接近时，算术编码优于h u f f m a n 编码。 5 变换编码【1 9 】【2 0 】 2 1 1 变换编码的基本原理可以这样解释。若把相邻两个像素值x ，x 2 作为一组， 记作( x l ，x 2 ) ，每组内x 1 ，x 2 的出现频度对应于x l x 2 直角平面上的点( 。l ，x 2 ) ，取 值不同的x 。，x 2 对应于平面上不同的点。所谓相邻像素间的相关性很强，就是相 当于相邻两个像素值组成的点( x l ，x 2 ) 主要分布在x l = x 2 这条直线的两旁，它也相 当于在预测编码中的预测误差e = ( x l - - x 2 ) 集中分布在0 值附近。如果将x i , x 2 组成的直角坐标旋转4 5 度，得到新的坐标系统y l y 2 ，那么在x l x 2 坐标 中分布范围很广的像素组( x b x 2 ) 在新的坐标系中就集中分布在y l 轴的两侧，得 到的分布范围就很窄。换句话说，就是减少了相关性。因此，只需对某些相对 小的区域进行编码，就可以得到图像信息的主部，从而实现压缩。 9 武汉理工大学硕十学位论文 3 1 引言 第3 章系统总体设计 本系统对硬件的计算能力和网络性能要求很高。一方面视频压缩处理算法 和图像特征识别算法都需要强大的计算能力，另一方面，这种安装在现场的玻 璃缺陷自动检测设备往往需要进行远程的访问，所以，本嵌入式系统必须具备 相应的网络能力。数字信号处理( d s p ) 因其强大的计算能力广泛应用于通信、 控制、信号分析等领域。但作为一种专用处理器，通常不能完成一些通用微处 理器所完成的工作，也就不能有效地支持各种网络协议如t c p i p 或者 u d p i p 。而运行嵌入式操作系统的3 2 位微处理器能够有效支持各种网络协议， 但是在处理一些运算量较大的任务( 如图像视频数字信号的压缩和解压缩、数 据通信中的加鳃密算法等) 有时就不能够胜任。本系统就是将两者结合起来， 共同实现对生产线上的玻璃缺陷进行自动识别的任务。 3 2 系统的功能定义 1 ) 支持p a l n t s c 视频的捕捉和采集，可以接受c c d 摄像头输出的模拟 视频信号，将其采样量化为复合c c i r 6 0 1 标准的数字视频信号 2 ) 能够对数字视频数据进行压缩和编码处理，可以采用的多媒体压缩标准 如h 2 6 3 、m j p e g 2 0 0 0 、m p e g l 、m p e g 2 等 3 ) 视频亮度、对比度、饱和度、色度、灰度可调，具有静态b m p ，j p g ， g i f ，t i f 等格式图像捕捉功能 4 ) 系统可对镜头进行光圈、焦距、景深的控制操作 5 ) 能无接触的自动对被测玻璃进行缺陷检测、识别及分类，根据所得到的 检测结果对缺陷标记电路和玻璃优化切裁机构发出控制信号，对缺陷处进行打 标并优化切割，从而得到符合生产标准的优质玻璃 6 ) 通过局域网或者因特网提供在线监控，也可以在远程工作站监控 0 武汉理工人学硕士学位论文 7 ) 系统留有进一步完善和：二次开发的余地，具有良好的软硬件接口，可以 方便的集成到其他图像视频处理之中 3 3 系统总体设计 3 3 1 系统总体设计方案 总体来说，本系统是由照明光源与光学系统、线阵c c d 图像传感器及其驱 动电路、基于a r m 和d s p 的嵌入式视频采集和压缩卡系统、缺陷标记电路及 标记机构、玻璃优化切裁机构组成的。其中，嵌入式视频采集压缩卡是本系统 的核心部分，它是以p h i l i p s 公司的嵌入式a r m - - l p c 2 2 1 0 芯片技术和t i 公 司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 芯片技术为基础，基于以太网络【冽 2 3 】【2 4 】( e t h e m e t ) 接 口结构的嵌入式视频图像采集压缩卡。 在生产过程中，通过c c d 摄像头来检测流水线上的平板玻璃，捕获的图像 信号经过放大器和采样保持电路后为模拟视频信号( p a l 或者n t s c 制式) ，它 经过a d 转换为数字视频信号，视频信号通过高速t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 压缩成 各种符合不同压缩标准的数据码流，压缩后的数据码流通过d s p 的h p i 接h t 2 5 1 传输到嵌入式微处理芯片a r m - - l p c 2 2 1 0 上，通过嵌入式微处理器的操作系统 l - tcl i n u x 的t c p i p 或者u d p i p 协议栈1 2 6 】1 2 7 l 2 8 】将数据打包。 数字化后的图像信息将依次进行预处理、图像分割、缺陷特征提取、判断 决策等处理，自动对被测玻璃进行缺陷检测、识别及分类，根据所得到的检测 结果对缺陷标记电路和玻璃优化切裁机构发出控制信号，对缺陷处进行打标并 优化切割，从而得到符合生产标准的优质玻璃。此外，还可以运行嵌入式w e b 服务器，通过网卡芯片将数据通过网络接口传入到以太网。客户端可以通过以 太网的网桥或交换机来进行远程访问，如：实时监控、发出控制信号等。系统 体系结构示意图和系统实现的最终示意图分别见图3 1 、图3 2 。 武汉理工火学硕士学位论文 图3 - 1 系统体系结构示意图 图3 2 系统实现的最终示意图 3 3 。2a r m + d s p 独立双核结构设计方案 正如上文中所分析的，本系统对于计算和网络的能力都有较高的要求，所 以本系统采用了独立的双内核结构，一个用于图像处理，一个用于运行操作系 统。从功能上也可划分为d s p 和a r m 两大部分，分别见图3 3 和图3 - 4 。 系统设计中包括的主要部分功能如下： c c d 摄像头：用于摄取图像，送出模拟视频信号到视频解码器； 1 2 武汉理1 = 大学硕十学位论文 视频解码器：将模拟视频信号转化为数字视频信号，并为系统提供统一的时 间同步信号，其输出一路接先入先出存储器( f i f o ) ， 一路接视频压缩芯片： 先入先出存储器【2 9 1 【3 0 1 ( f i f o ) ：作为视频解码器和d s p 之间的数据缓冲器： 数字信号处理器：用于运行图像识别算法，判断是否有玻璃缺陷并提取： 专用图像压缩芯片：用于压缩视频解码器输出的数字图像，并根据d s p 的 指令存入i d e 硬盘中； 存储介质：即i d e 硬盘或存储卡，用于存储视频数字图像： 幽3 - 3d s p 子系统 复杂可编程逻辑器件【2 8 】 2 9 】：用于向d s p 的数据存储器、程序存储器以及 f i f o 提供逻辑控制信号； 计算机接口：在需要时，系统可通过d s p 的h p i 接口与外部计算机通信， 操作人员可通过计算机的用户程序对系统的各种参数加以配置或将图像发送给 远端的主控制台，实现远程监控。在本系统中，d s p 通过h p i 与a r m 芯片 相连，a r m 芯片运行u c l i n u x ，通过网络传输模块将图像传输到监控的客户端。 武汉理工人学硕士学位论文 在系统的总体设计中，视频解码电路、缓冲电路、d s p 电路和a r m 电路 及其接口是系统的基本部分，而考虑到实际工程需求，将压缩电路、存储模块 等作为系统的功能扩展部分，在软硬件设计时尽量予以考虑。 武汉理工大学硕十学位论文 第4 章系统硬件设计 4 1 硬件系统概述 d s p 处理器系统 整个用于图像处理的d s p 模块以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 为核心，在其外部总 线上挂接8 0 m h z 的同步视频f i f o ，以及1 5 0 m h z 工作频率的s d r a m ，足以 保证进行视频处理与压缩所需的处理能力和传输速率。 a r m 微控制系统 嵌入式微处理器的主要实现的功能是在芯片上运行嵌入式操作系统，运行 w e b 服务器，将压缩后的数据码流通过网络协议栈打包、传输。 4 2 硬件系统总体设计 该视频压缩系统采用c c d 模拟摄像头，其输出为复合电视信号c v b s ( p a l 或n t s c 制式) 或是s 一“d e o 信号。模拟信号经过专用视频a d 转换器( p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 4 h ) 处理可以得到符合c c i r 6 0 1 标准的数字电视图像信号，其 图像规格为7 2 0 5 7 6 ，2 5 帧秒( p a l 制式) 或7 2 0 4 8 0 ，3 0 帧秒( n t s c 制 式) ，然后采用t i 公司的高性能系列定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为主编解 码芯片，对该数字视频信号进行编码，压缩后的数据码流3 0 】 3 1 1 【3 2 1 通过d s p 的 h p i 接口将数据传输到p h i l i p s 的a r m - - l p c 2 2 1 0 上， 通过操作系统的网络 协议栈将数据打包，通过网卡芯片将数据通过网络接口传入到以太网。 整个视频压缩系统的原理框图如图4 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图4 1嵌入式视频压缩系统结构原理图 4 3 视频采集模块 该模块的主要功能是将从c c d 输入的模拟视频信号转换为数字信号。然后 通过t v 解码芯片s a a 7 1 1 4 h 将模拟信号解码并且模数转换为符合c c i r 6 0 1 标 准的数字视频信号，存储到专用的视频f i f o 芯片a i a 4 0 b 中，等待d s p 处理。 视频f i f o a l 4 4 0 b 的容量为5 1 2 k x8 b i t s ，系统中使用两片并联成1 6 b i t s 的接口 宽度。整个视频f i f o 3 3 】 3 4 l 可以一次存放一帧的视频数据。 c p l d ”】 3 6 1 通过a d 的输出状态信号以及d s p 的相应输出控制信号生成 f i f o 的控制信号。通过检测a d 输出的同步信号来生成d s p 中断，通知d s p 读取视频f i f o 中己满的一场图像数据，见图4 2 。 武汉理丁：大学硕士学位论文 c c d 匿两 摄像头爹- 4 4a r l v i 微控制器 图4 - 2 视频采集模块 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装 配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大 幅度减少系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器 虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、成本、功耗、可 靠性、健壮性等方面和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重 量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线 接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单 板计算机，如s t d - - b u s 、p c i 0 4 等。嵌入式处理器目前主要有x 8 6 、d r a g o n b a l l 、 a r m 、s t r o n g a r m 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 系列等。 本系统选择p h l l i p s 公司的a r m - - l p c 2 2 1 0 芯片。该芯片是1 6 3 2 位精 简指令结构的处理器。它的性价比很高，是嵌入式系统中处理器的最佳选择之 一。该芯片中己经集成了以太网控制器，通过芯片的外设控制还可以增加网络 设备，因此特别适合做h u b 和低端路由器等网络产品的开发。 l p c 2 2 1 0 芯片处理器的内核是1 6 3 2 位a r m 7 t d m i 精简指令结构处理器， 由英国的a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 有限公司设计。a r m 7 t d m i 内核是一种低功 耗，通用微处理器内核，是业界公认的低成本，高性能最佳内核之一，特别适 合于对价格比较敏感产品的设计。该芯片除了微处理器内核外，在芯片中还集 武汉理t 大学硕士学位论文 成了许多外围设备，这样可以使设计者可以快速的开发产品，不用再考虑复杂 的外围时序电路了。该芯片中集成了2 个h d l c 通道，2 个通用串口通道【3 5 】 3 6 】， 2 个通用d m a ，2 个3 2 位计时器，1 8 个可编程的通用输入输出口。其他的外围 设备还包括1 个可编程的中断控制器，动态r a m 同步动态r a m 控制器，r o m s r a m 和f l a s h 控制器。在芯片中还有总线仲裁器和内存译码器。下面我们分 别介绍芯片中的内核和外围设备。详细介绍请参考l p c 2 2 1 0 芯片手册。 4 4 1a r m t t d i i i 内核 a r m 7 t d m i 处理器是a r m 7 处理器系列成员之一，是目前应用很广的3 2 位高性能嵌入式r j s c 处理器。a r m 7 t d m l 名字原义如下：a r m 7a r m 63 2 位整型核的3 v 兼容的版本； t1 6 位压缩指令集t h u m b 3 7 】p 8 3 9 1 d 在片调试( d e b u g ) 支持，允许处理器响应调试请求暂停； m 增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，与以前处理器相比性能更高，产生全6 4 位 结果； l 嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支持。 1 指令流水线3 8 】 3 9 1 4 0 l a r m 7 t d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操 作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。 a r m 7 t d m i 使用3 级流水线，因此，指令的执行分3 个阶段：取指、译码 和执行。指令流水线功能如图4 3 所示。 从存储器取指 指令所用的寄存器译码 从寄存器组中读寄存器 移位和a l u 操作 将寄存器写回到寄存器组 图4 - 3 指令流水线功能段划分 蚕 武汉理工人学硕士学位论文 a r m 7 t d m i 流水线操作如图4 - 4 所示。 2 3 指令- t 图4 4a r m 单周期指令3 级流水线操作 当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令译码，且第3 条 指令从存储器中取指。程序计数器指向正在取指的指令而不是正在执行的指令。 这点很重要，因为正在执行的指令使用的程序计数器( p c ) 值总是当前地址的2 条指令之前的地址。 2 存储器访问 a r m 7 t d m i 核是v o nn e u m a n n 体系结构，使用单一3 2 位数据总线传送指 令和数据。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。 数据可以是：8 位( 字节) 、1 6 位( 半字)