（机械工程专业论文）基于dsp的硬币识别系统研究.pdf

学位论文主要创新点 | i i i i | i f i | 删| | | | i 洲| | | i i 咖l y 18 7 910 0 一、本文设计了以d s p 为核心，具有视频图像实时采集和处理功 能的嵌入式实验平台，这个平台对于数字图像处理技术的应用具有很 大的实用性，而且体积小，成本低廉，效率高，通用性强。 二、研究出一种新的硬币图像识别算法，设计出一种简捷有效的 硬币图像识别处理程序，并在硬件平台上得以实现，这种新算法是构 建于多算法融合的基础上进行的。 摘要 从1 9 5 7 年我国发行硬币以来，它就和我们的日常生活紧密相连了，每天流 通中的硬币数量巨大，在金融部门内部硬币的整理工作是非常繁重的，同时，各 种假硬币也给生活带来了很大麻烦。银行、超市、公交公司和一些大型商品零售 企业等都受假硬币的困扰，开发出灵敏准确的硬币清分系统，使繁琐的硬币清分 工作变的简易、快捷和可靠是一项具有重要意义的工作。 硬币清分系统的核心技术是对硬币进行识别，鉴于当前的检测技术对实时性 要求越来越高，实时图像处理技术越来越受到人们的喜爱。要在图像处理中达到 实时性的要求，数据量十分庞大，通用p c 机和工业计算机在实际的生产应用中 已经不能满足要求了，这就对专用快速图像处理芯片产生了很大的需求。本课题 的意义就是用高速的数字信号处理芯片d s p 对硬币进行检测、识别，这样不仅 可以节省大量的人力，提高检测的准确性，而且还可以满足实时性的要求，也就 是说，将图像处理技术应用于硬币检测识别的d s p 系统中具有十分重要的意义。 本文以硬币为研究对象，对硬币的图像识别系统进行设计和分析，主要是从 硬件和软件两个方面展开研究的。硬件方面：以t i 公司的超高速图像处理芯片 d m 6 4 2 为主处理器件，结合各种外围元器件建立一个能对图像进行实时采集并 处理的硬件平台。对硬件各功能模块进行了分析设计，选取了器件的型号，对硬 件各部分进行配置，绘制了原理图，运用软件对四层p c b 板进行布局和铺设。 软件方面：熟悉d s p 的开发软件c c s ；分析硬币图像的特征，找出易于辨识的 特征量，运用m a t l a b 对算法进行仿真及验证；算法移植，在硬件平台上实现对 硬币的在线识别和分类。通过分析，本文提出了一种多算法融合的图像处理和图 像识别的新方法，应用此方法能够实现对硬币的高效率识别。 关键词：图像识别d s p 机器视觉b p 神经网络纹理 a b s t r a c t s i n c ec h i n as t a r t e dt oi s s u ec o i n si n 1 9 5 7 ，t h ec o i n sl i n k e dw i t ho u rl i v e s c l o s e l y , a n de v e r yd a yal a r g en u m b e ro fc o i n sa i nc i r c u l a t i o n ，t h ec o n s o l i d a t i o n w o r ko fc o i ni sv e r yh e a v yi nt h ef i n a n c i a ls e c t o r a tt h es a m et i m e ，av a r i e t yo ff a k e c o i n sa l s oh a v eb r o u g h tu sn e wp r o b l e m s b a n k s ，s u p e r m a r k e t s ，b u sc o m p a n i e sa n d l a r g er e t a i le n t e r p r i s e sa r et r o u b l e db yt h o s ef a k ec o i n s ，s ot h ew o r kt od e v e l o po f s e n s i t i v ea n da c c u r a t ec o i np r o c e s s i n gs y s t e m si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ，w h i c hm a k i n g t h ec o m p l i c a t e dd i v i s i o no fc o i n sb e c o m es i m p l e ，f a s ta n dr e l i a b l e t h ec o r et e c h n o l o g yo fc o i np r o c e s s i n gs y s t e m si st h ei d e n t i f i c a t i o no fc o i n s a s t h ei n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n do ft h er e a l - t i m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，r e a l - t i m ei m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r el o v e db yt h ep e o p l e t oa c h i e v et h e r e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n g ，v e r yl a r g ea m o u n to fd a t as h o u l db e p r o c e s s e d ，s on l a tt h eg e n e r a lp ca n di n d u s t r i a lp ch a sn ou s eo ff o r c e ，a n dt h i s r e q u i r e sf a s ti m a g ep r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s p e c i f i cc h i p s t h es i g n i f i c a n c eo ft h i s s t u d yi st ou s eh i g h s p e e dd s pd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc h i pf o rd e t e c t i o no f t h ec o i n ， s oy o uc a ns a v eal o to fm a n p o w e ra n di m p r o v et h ed e t e c t i o n a c c u r a c y ，b u ta l s om e e t t h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e ，t h a ti s ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb a s e do nd s p u s e di nc o i n so fg r e a ts i g n i f i c a n c et e s t i n g t h i sp a p e ri s m a i n l ya b o u tt h ec o i ni m a g er e c o g n i t i o ns y s t e md e s i g na n d a n a l y s i s ，a n di ti n c l u d e dt w oa s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o r w a r e f o rt h eh a r d w a r e ，t h e h i g h - s p e e di m a g ep r o c e s s i n gc h i pd m 6 4 2a st h em a i np r o c e s s i n gd e v i c e s ，c o m b i n e d w i t hav a r i e t yo fp e r i p h e r a ld e v i c e s ，ar e a l t i m ei m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sb u l i d t h em a i nj o bi n c l u d e da n a l y s i sa n dd e s i g nt h er u n i o n m o d u l e s ，s e l e c tt h eu s e dd e v i c et y p e ，m a k et h ec o n f i g u r a t i o no ft h ev a r i o u sp a r t s ， d r a wt h es c h e m a t i c ，u s es o f t w a r et ol a y o u tf o u r - l a y e rp c bb o a r d f o rt h es o f t w a r e ， s t u d yd s pd e v e l o p m e n ts o f t w a r ec c s ，s t u d yt h ec o i ni m a g ef e a t u r e st of m dt h e u s e f u lc h a r a c t e r i s t i c s , u s em a t l a bt os i m u l a t et h ei d e n t i f ya l g o r i t h ma n dt r a n s p l a n t a l g o r i t h mt oa c h i e v er e a l - t i m ei d e n t i f i c a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fc o i n s0 1 1t h e h a r d w a r ep l a t f o r m t h r o u g ha n a l y s i s ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e wi m a g ep r o c e s s i n ga n d r e c o g n i t i o na l g o r i t h mw i t hf u s i o no fm u l t i p l ea l g o r i t h m s ，a p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o d c a na c h i e v eh i g he f f i c i e n c yo fi d e n t i f i c a t i o no f c o i n s k e yw o r d s ：i m a g er e c o g n i t i o n ；d s p ；m a c h i n ev i s i o n ；b pn e u r a ln e t w o r k ；t e x t u r e 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2d s p 与数字图像处理的应用及发展3 1 3 课题研究的内容：5 1 4 课题研究的意义6 1 5 论文组织结构7 第二章总体设计9 2 1 中国硬币j 9 2 2 图像及视频信号1 0 2 3 硬件系统总体设计1 2 2 4 软件系统总体设计1 4 第三章硬币识别系统的硬件设计方案1 7 3 1 系统硬件结构1 7 3 2 主要元器件1 8 3 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 1 9 3 2 2 视频编解码芯片2 1 3 2 3 电源芯片2 2 3 3 系统各部分接口的设计2 3 3 3 1 电压源及电压检测电路2 3 3 3 2 图像采集部分硬件实现2 5 3 3 3 图像输出部分硬件实现2 7 3 3 4 外扩存储器的硬件实现2 7 。3 3 5 系统时钟设计3 4 3 4j t a g 接口3 7 3 51 2 c 总线3 8 3 6p c b 制作4 0 第四章硬币识别系统软件设计4 3 4 1 软件开发工具c c s 4 3 4 2 程序设计4 6 4 2 1d s p 初始化4 7 4 2 2 初始化s a a 7 1 1 5 4 7 4 2 3 初始化s a a 7 1 2 1 4 8 4 2 4s d r a m 初始化4 8 4 3 图像识别4 9 4 3 1 预处理4 9 4 3 2 图像特征提取及特征匹配5 2 4 3 3 硬币识别5 6 第五章实验分析6 1 5 1 形状特征识别6 1 5 2 纹理特征识别6 3 5 3 多算法融合方法6 5 第六章总结及展望6 7 6 1 全文总结6 7 6 2 未来展望6 7 参考文献6 9 发表论文和参加科研情况7 3 致谢：7 5 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 所谓货币，指的是任何一种可以执行交换媒介、价值尺度、延期支付、进行 流通以及财富储藏等功能的商品，它是人类经济发展与贸易过程中的伴生物，它 见证着社会生产力的进步和发展。硬币在漫长的货币发展史中占据着极其重要的 地位，它的流通推广是一种国际潮流，在当代中国硬币的流通程度还远远不够广 泛。随着我国加入世界贸易组织后，对外开放的经济力度不断增强，加入世界经 济金融体系的进程日益加快，人民币最终将要成为自由兑换货币的。为了适应我 国金融发展的需要，小面额人民币硬币化是我国货币当前发展的方向之一，也是 发行工作的重点之一。 我国是在1 9 5 7 年第一次发行硬币的，从那时候开始由于硬币的不易损坏、交 易方便、便于携带等优点，使其在货币交换中得到了广泛的应用；然而由于硬币 的材料、外观等方面的原因，使其在银行、超市、公交公司、投币机及大型商品 零售企业等领域的清点识别工作中面临着巨大的困难。正是基于这些方面的考 虑，硬币识别系统应运而生，对于硬币的识别主要包括两方面：硬币币值的检测 和硬币真伪的识别。 随着改革开放以来我国机电产品加工的发展和深入，沿海地区从2 0 世纪9 0 年代起开始出现了一些硬币处理机具的生产厂家。这些机具生产厂家检测硬币的 方法主要有两种u j ：一种是利用称重检测的方法区分硬币并鉴别真伪币，具体点 讲就是称量每一枚硬币的重量，由重量鉴别该硬币是属于哪一种类以及是真是 假；另外一种方法就是根据硬币的材质进行检测，当前己开发出的清分机中主要 应用的就是这种方法。这两种方法各有利弊，前一种方法的准确率不高，因为要 分辨出每一种硬币和伪币的重量，这对于称重传感器的精度要求就非常高，这将 导致产品造价被提高，并且硬币在流通过程中其重量会有所改变，如不同程度的 磨损或沾染上污物，这些因素都导致称重检测方法的应用前景受限和应用效果的 不显著；与称重法相比较，第二种方法的实用性较强，因此运用的人较多。这种 根据材质进行检测的方法其核心是电涡流传感器，检测主要是通过监测硬币的材 质、厚度、直径、重量等参数的变化来进行，通过对这些参数进行对比分析，从 而达到辨识硬币种类和真伪的目的。这种方法是非接触测量，结构简单、成本低、 测量准确，这些特点使得其应用较为广泛。集美大学轮机工程学院的王春芳 2 1 天津工业大学硕士学位论文 等研发出的硬币高速检伪机就是基于a t 8 9 c 5 1 单片机而做的，目前已投放市场进 行批量生产，市场前景较好。然而这种方法也有不足之处，那就是不同硬币的各 参数值相差不大，这导致对处理电路的抗干扰性能要求较高，这也就制约着此种 检测方法的有效使用。 在国内，像清华大学、北京科技大学、上海交通大学、杭州电子科技大学、 苏州大学、福州大学等【3 。0 】一批高校，这些高校都对硬币的正确识别做过深入的 研究，并且普遍采用的是利用涡流传感器的方法。1 9 9 4 年清华大学精密仪器系在 当时的硬币系统下( 无d x l 角和铁5 角硬币) 取得了分辨率为3 的效果；2 0 0 4 年上海 交通大学在新的币制下对面值l 角以上的硬币做区分，取得的分辨率为0 5 。总 体上来说，国内的研究在一定范围内取得了较好的效果，但不足之处就是局限于 项目本身。目前国内也常引进国外一些新产品、新技术，如：瑞典著名的，专业 生产银行器具的s c a nc o i na b 公司就有专业的产品在国内使用，误判率如5 ， 但是其价格昂贵并且对技术进行垄断，同时针对材质相近甚至一致的伪币进行检 测就显得无能为力了。 纵观当前已有的这些鉴别装置要么缺乏系统性，识别周期较长，要么设计原 理简单、检测手段单一，抗震动、抗电磁干扰能力不高，识别伪币、残币能力差； 要么制造复杂、价格昂贵、缺少使用价值。为了改善这些不足之处，人们一直都 努力地专研着，因此关于硬币识别方法的研究成为一大热点，下面对当前国内部 分高校在硬币检测这块的研究现状和取得的一些成就做个简单介绍。 四川托普信息技术职业学院的莫磊等【l l 】在电涡流检测的基础上，利用f p g a 的快速处理特性和高可靠特性，对硬币的厚度、直径、材质、电导率、磁导率等 进行了准确的检测，达到了准确识别硬币的目的。在运用电涡流传感器识别硬币 时，测量硬币通过磁场时磁导率产生的频率峰值受环境因素的影响必然存在一些 误差，为了尽量减少误差导致的影响，上海交通大学的胡朝晖e 1 2 1 开发出了基于 二级互补算法的硬币鉴别系统。在这种算法中考虑了误差矽，这样测得的实际厂 有了一个范围，即： 六一a f f 无+ a f 其中z 为每一币值的样本频率，若厂不在此范围，就可以认为是伪币。 哈尔滨工程大学的毕晓君 1 3 1 提出了基于蚁群算法的硬币识别系统，通过对 硬币图像的特征函数值进行蚁群聚类，可有效实现对各类硬币图像的识别，在硬 币识别这块是较为先进的优化算法。还有就是湖南大学控制理论与控制工程实验 室一直致力于智能投币器的研发，如李继飞等【1 4 l 提出了引入神经网络模式识别 技术对自动售货机中的硬币进行研究，任琪等【1 5 】提出基于两级网络的智能投币 器的开发，这些都为推动硬币识别方法的进步做出了突出贡献。 第一章绪论 随着现代科学技术的飞速发展，硬币识别技术的应用越来越广，要求也越来 越高，例如，我们周围方便快捷的自动售检票设施、自动售货机、自动报刊出 售机、方便快捷的投币电话机等。这些不仅为人们节省了宝贵的时间，而且还给 社会增添了一丝现代化的气息，所有这些都反应了硬币识别技术所具有的社会及 市场价值所在。国内外一些公司也一直坚持致力于硬币识别系统的研究，主要产 品为硬币清分机。在国内，目前在这一领域做的较好的企业有苏州日宝科技有限 公司，浙江国邦和上海古鳌等，其中日宝公司的清分机已达到出口国外的水平； 国外在货币识别这一领域做的比较好的是日本的光荣，英国的得利来和德国的捷 得等，不足之处是这些产品针对的识别对象主要是纸币【1 6 1 。不论是国内还是国 外，硬币识别这块的研究还是一个亟待发展的领域，就目前的识别装置及技术来 看，这一领域的发展开拓前景尚佳，那么硬币识别检测的一个发展趋势是什么 昵? 我想应该是检测的高准确性、方便性、快速性和实时性。 通过对前人成果和相关领域的研究分析，本文立足于运用数字图像处理技术 对硬币进行检测识别，克服原有机械检测方式的缺点，建立一个较优的通用检测 识别系统。为了满足实时性和数据处理量大的要求，选择运用嵌入式d s p 芯片代 替传统的单片机来作为硬件开发工具。希望通过嵌入式处理平台和数字图像处理 技术的结合，实现对硬币进行在线的实时检测。 1 2d s p 与数字图像处理的应用及发展 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种高速专用的独特微处理器，是以数字信 号的形式处理大量信息的器件。d s p 的工作原理是接收模拟信号转换为数字信 号，再对数字信号进行修改、删除、强化，然后通过其他系统芯片把数字数据编 译回模拟数据或实际环境所需的格式。d s p 与微处理器的主要区别在于它特殊的 结构设计，d s p 的主要特点是：数学运算功能强大、资源丰富、高速的输入输出、 高速率传输数据及专门处理以运算为主的实时信号，它的强大数据处理能力和高 运行速度是最值得称道的两大特色，这使得它更适合于数字信号的实时处理。 d s p 微处理器( 芯片) 一般具有如下几个主要特点【l 刀： ( 1 ) 包含硬件乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 具备哈佛结构，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 含有片上存储器，片内设置有快速r a m ，可减少对外部存储器程序数 据的访问次数，能够充分发挥d s p 核的高性能； ( 4 ) 零消耗循环控制，大部分d s p 具有低开销或无开销循环和跳转的硬件支 持： 天津工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 支持快速的中断处理和硬件i o 支持等操作； ( 6 ) 它具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 包含多个并行处理单元，可以在同一个周期内并行执行多个操作； ( 8 ) 流水线技术，支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可重叠执行； ( 9 ) 程序的加载引导，上电复位后执行一段引导程序，从异步串口、i o n 、 主机接口等端口或外部e p r o m f l a s h 存储器中加载程序到高速r a m 中运行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 微处理器( 芯片) 的其他通用功能相对较弱 些，d s p 在未来的发展将朝如下几个方向进行【1 8 】： ( 1 ) 缩小d s p 芯片尺寸，实现系统级集成d s p ； ( 2 ) 将来的主导产品必定是可编程d s p ，因为它能够给生产商提供足够大的 灵活性。它不仅使得生产商能够根据不同的客户需求在同一d s p 平台上开发出 各种系列不同型号的产品，而且还能够为客户提供良好的升级途径和空间； ( 3 ) 定点d s p 是主流产品，尽管定点d s p 的动态范围不如浮点d s p 大，但 是它的成本比浮点d s p 低，并且它对存储器的要求较低，耗电量小。有资料显 示，目前销售的d s p 器件中8 0 以上是1 6 位定点可编程d s p 器件，估计今后 的销售比重还将不断增长； ( 4 ) 追求更高的运算速度是发展目标，当前常见d s p 的运算速度是 1 0 0 m i p s ，也就是每秒钟能够运算1 亿条指令，这远远超过通用微处理器，已经 成为数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。然而，因为电子设备一直朝着个人 化和客户化的方向发展，如此速度的d s p 仍被认为不够快，为了跟上时代发展 趋势，d s p 将朝着运算速度更高更快的方向发展。d s p 运算速度要提高，靠的 是运用新工艺改进芯片结构。一方面，因为采用了v e l o c i t l 2 设计( v l i w ( v c r y l o n gi n s t r u c t i o nw o r d ，超长指令字) 结构的延伸) ，t i 的t m 3 2 0 c 6 x 系列芯片的 时钟频率可以高达1 1 g h z ，即每秒大约运行9 0 亿条指令( 9 0 0 0 m i p s ) ；另一方面， 如今的大部分d s p 器件采用0 3 5 p r o - - 0 5 9 mc m o s 工艺，根据c m o s 的发展趋 势来看，把d s p 的运算速度提高1 0 0 倍( 达到1 6 0 0 g i p s ) 是完全可行的。 以d s p 芯片为基础的数字信号处理技术已经成为当代电子、通信和信息处 理技术中不可或缺的重要手段，因此d s p 发展的前景是非常可观的。未来1 0 年 全球d s p 产品将向着高性能、低功耗、加强融合以及拓展多方面应用的趋势发 展，d s p 芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中去。 数字图像处理( d i g i 协li m a g ep r o c e s s i n g ) 又称为计算机图像处理，指的就是用 数字计算机及其他相关的数字技术，对数字图像施加某种或某些运算和处理，从 而达到预期处理要求的一门技术【1 9 】。这一过程中所施加的运算或处理方法主要 有去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等，能够影响数字图像处理应用和发 第一章绪论 展的因素主要有：( 1 ) 计算机技术的发展；( 2 ) 数学理论的进步，对它影响较大的 主要是离散数学的创建和进步：( 3 ) 各领域的应用需求不断增长，如农牧业、林 业、环境、军事、工业和医学等领域。数字图像处理的发展历程主要分为以下几 个时期 2 0 - 2 5 ： ( 1 ) 2 0 世纪2 0 年代，第一次把图像处理技术运用于改善伦敦与纽约之间海 底电缆所发送图片的质量。 ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代，那时的电子计算机水平已经发展到了一定的程度，所 以计算机开始被运用在图形和图像信息的处理当中。 ( 3 ) 2 0 世纪6 0 年代，数字图像处理技术作为一门学科基本形成，第一次成 功的应用是在美国喷气推进实验室( j p l ) 。他们对航天探测器( 徘徊者7 号) 于1 9 6 4 年发回的月球照片进行了图像处理，通过这些被处理的照片 成功地绘制出月球表面地形图。为了进一步获得月球的地形图、彩色图 及全景镶嵌图，他们又对探测飞船发回的照片进行了更为复杂的图像处 理，他们的这一创举为人类登月奠定了坚实的基础，同时也推动了数字 图像处理这门学科的诞生。对于火星、土星等星球的探测研究来说，数 字图像处理技术为宇航空间技术的发展做出了巨大的贡献。 ( 4 ) 2 0 世纪7 0 年代中期，因为计算机技术、人工智能、思维科学研究的快 速发展，数字图像处理技术开始朝着更高、更深层次的方向发展。人们 开始利用计算机系统解释图像，通过相似于人类视觉的系统去理解外部 世界，人们把这叫做图像理解或计算机视觉。 ( 5 ) 2 0 世纪8 0 年代末期，人们逐步将图像处理技术应用于地理信息系统的 研究，海图的自动读入和生成等领域。 ( 6 ) 2 0 世纪9 0 年代初，数字图像处理技术进入了快速发展时期。自1 9 8 6 年以来，小波理论和变换方法迅速发展，它克服了傅立叶分析不能用于 局部分析等方面的不足之处，被认为是调和分析半个世纪工作的结晶。 ( 7 ) 从2 l 世纪开始，数字图像处理技术在众多应用领域中都受到广泛重视 并取得一些开拓性的成就，这主要得益于计算机技术的飞速发展和相关 理论的逐渐完善。这些领域包括文化艺术、航空航天、生物工程、医学、 工业检测、机器人视觉、公安司法等。数字图像处理技术已从一个专门 的研究领域变成为科学研究和人机界面研究中的一种普遍应用的工具。 1 3 课题研究的内容 本课题研究的是基于d s p 的硬币币值和真伪识别，主要是运用d m 6 4 2 为主 天津工业大学硕士学位论文 处理芯片，设计出一个能够对实时采集的图像进行实时处理的硬件平台，在此平 台实现对硬币的检测识别，课题的主要研究内容如下： 1 ) 硬件方面：运用d s p 芯片d m 6 4 2 为主处理器，结合各种外围器件，建 立一个能对实时采集的图像进行实时处理的通用实验平台。在基于d s p 的嵌入 式硬币图像识别系统中，可按功能将硬件系统划分为电源管理模块、图像采集模 块、d m 6 4 2 外围存储模块、d s p 实时图像处理模块和图像显示五个功能模块。 围绕d s p 芯片的外围电路展开硬件电路设计是本课题硬件部分的研究重点之一， 主要包括对硬件各功能模块进行分析设计，选取所用器件的型号，对硬件各功能 部分进行相应配置，确定原理图后，运用软件对电路板进行绘制和布局，掌握四 层p c b 板的制作。 2 ) 软件方面：熟悉d s p 的开发软件c c s ，能够运用其进行d s p 的软件开 发；分析硬币图像的特性，找出有利于对其进行识别的特征量并构建相应的算法； 运用m a t l a b 对算法进行仿真，然后进行算法移植，在d s p 硬件平台上实现对硬 币的实时检测、识别及分类。基于硬币的图像处理，在软件这方面做的主要工作 是： ( 1 ) 预处理：对于模糊、失真或者不理想的图像，通过图像增强等方法剔除 无用信息，提取有用信息，获得轮廓清晰、细节明显的图像，在不考虑图像降质 原因的基础上突出图像中所感兴趣的部分，从而增强图像的视觉效果。 ( 2 ) 特征提取：将图像中有意义的特征提取出来，如图像中的边缘、区域等， 图像分割是从图像处理到图像分析的关键步骤，可以说，图像分割结果的好坏直 接影响着对图像的理解和识别。 ( 3 ) 图像的识别：这是一门利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识 别各种不同样式目标和对像的技术，图像识别的一种有效方法就是模版匹配。经 过对硬币特性的分析，确定以其形状特征和纹理特征为目标特征，然后通过构建 一定的识别分类器对其进行币值识别和伪币鉴别。 1 4 课题研究的意义 图像是人类获取、交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉 及到人类生活和工作的方方面面，随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应 用领域也将随之不断扩大。数字图像处理技术在航空航天、工业生产、医疗诊断、 资源环境、气象和交通监测、文化教育等领域有着广泛的应用，创造了巨额的社 会价值。然而，这还远不能满足社会发展需求，并且由于这门技术自身也在不断 完善和发展当中，有很多新的方面需要探索，它必将向着更深入、更完善的方向 第一章绪论 发展，如：处理算法更优化，处理速度更快，实现图形的智能生成、处理、识别 和理解等。 本课题是以d s p 为核心对硬币图像进行处理，拟在实现更高更快处理速度 的基础上，开发出一个具有通用性的系统，从而实现对不同币值及朝向的硬币进 行识别，对图像处理算法进行优化使得识别效率更高。硬币不仅在日常生活中扮 演着重要的角色，而且在长久的货币史中占据着重要的地位，它和其它形式的货 币一起流通发展到现在并将没有终点。到了现今的社会，由于人口膨胀和社会文 明的提高，硬币的需求量变得非常巨大，因此各国的造币厂商都在加大各种面额 硬币的制造量，如美国每年要生产2 0 0 亿美元的硬币。我国的造币原则是小面额 货币硬币化，大面额货币纸币化，这主要是因为硬币制造成本高，但是它的使用 频率也高，而且不易损坏，这使得它的使用成本变低。因为硬币的大量使用和广 泛流通，所以对硬币进行高效检测已经成为了一项意义重大的工作，这主要可以 体现在以下几方面：第一，为了硬币的再流通，银行等特殊部门需要对其进行高 效的处理，如计数、分类、包装等；第二，一些公共场合需要对硬币进行在线识 别，如无人售票车、投币电话等；第三，一些场合除了识别功能之外，还需要具 有找零的能力，如自动售货机等；第四，随着假币的出现，在线识伪也成为一个 急需解决的问题。总之，对硬币进行实时识别具有非常重要的现实意义和市场前 景。 1 5 论文组织结构 本文主要是基于d s p 的硬币图像识别系统的设计研究，主要包括识别平台 的硬件设计和硬币图像识别的软件，整个论文的组织结构如下： 第一章为绪论，介绍了该课题的研究背景、研究意义和本文的研究内容。 第二章是系统的总体设计方案，主要是对硬件的总体设计和软件的总体思路 进行了整体的构建和设想。 第三章介绍了系统硬件部分的具体设计及各功能模块或接口的具体实现，最 后还对电路板的制作进行了分析研究。 第四章是系统软件部分的识别算法。 第五章是实验分析，主要是对硬币识别算法的效率进行了分析，对实验的结 果进行了探讨。 第六章为全文的总结及展望，对全文的工作进行总结，并为今后提出进一步 的研究方向。 天津工业大学硕士学位论文 第二章总体设计 第二章总体设计 本章主要对系统的总体设计做了简单的介绍，总体设计包括硬件和软件两方 面。硬件部分是对系统原理图的设计，软件部分是对算法及开发流程的设计。 2 1 中国硬币 由金属铸造的货币被称作硬币，3 0 0 0 多年前商代的“宝德铜贝”是我国最 早的金属铸币，它也就是我国最早的硬币【2 q 。硬币不仅使用方便，耐磨损，流 通寿命长，而且除了具有货币的职能外，还具有收藏保值和艺术欣赏等功能。硬 币不仅在漫长的货币史中占据着重要的地位，而且在日常生活中也扮演着极其重 要的角色。就目前国内外的流通状况来看，硬币在国外的流通率远远高于国内， 并且小面额硬币化已成为将来的一个发展趋势。 目前，我国共发行了五套人民币和四套硬币，伴随着这些货币的发行，辅币 硬币化成为一种新的发展趋势，因此今后硬币的投放量还将不断加大。到目前为 止，我国共发行了1 2 种面额的硬t 2 n ，具体情况如表2 1 所示。 表2 1 我国硬币发行情况 第一套第二套第三套第四套 年 1 9 5 7 1 2 1 1 9 8 0 4 1 5 1 9 9 2 6 12 0 0 0 1 0 1 6 份 面1 分，2 分l 角，2 角 。 l 角，5 角，l 元1 角，l 元 值5 分5 角，l 元 l 角：铝镁合金1 角：铝镁合金 材 角币：铜锌合金 铝合金 1 元：铜镍合金 5 角：铜锌合金1 元：钢芯镀镍 料 1 元：钢芯镀镍 形圆形圆形 圆形圆形 状带边齿外缘为圆柱面 天津工业大学硕士学位论文 国徽、国名、 中国人民银行、 正国名 角币：国徽和国名 l 角1 元、 汉语拼音国名、 面国徽1 元：国名和国徽y u 认o n j u a n 年号 年号 反 角币：齿轮、麦穗1 角：菊花 面值和年号 面额、年号5 角：梅花 l 角：兰花 面 1 元：八达岭长城1 元：牡丹花1 元：菊花 2 2 图像及视频信号 就需要对模拟图像进行离散化，2 - d 的数字图像( x ，力中 x 、y 都是取整数值。 字图像用f ( x ，力函数表示，此时x 和y 表示像素的空间位置，而厂表示像素的灰 f 任吲 第二章总体设计 单元就是图像，对于其中的每幅图像，在电视中被叫做一帧( f r a m e ) ，在电影中被 叫做一格。视频信号可分为模拟和数字两种类型，模拟视频是由模拟信号组成， 数字视频是由数字信号组成，数字视频一般是在计算机中以数字组成的编码进行 储存的，电影、录像及电视上的画面就是模拟视频。系统中通过c c d 所采集的 一般都是c v b s 信号，数据不能够直接进行存储，因此必须采用一个a d 转换 芯片对c v b s 信号进行数字化并输出标准的y u v 信号以便后面的处理。为了便 于理解，下面对一些概念名词加以解释。 ( 1 ) c v b s ：译成中文是复合电视广播信号，又叫复合视频信号。c v b s 是全 国电视系统委员会( n t s c ) 电视信号的传统图像数据传输方法，是一种利用频谱 间迭加的方法把亮度信号和色度信号加在一起的模拟信号。这种电视信号它包含 了色度、亮度、以及同步信号等。 ( 2 ) y u v ( y c r c b ) ：y u v 是欧洲电视系统采用的一种颜色编码方法，属于 p a l ，p a l 和s e c a m 就是通过利用这种颜色空间去模拟彩色电视制式。彩色电 视系统中先运用三管彩色摄影机或彩色c c d 摄取图像，接着对得到的彩色图像 信号进行分色及放大校正得到r g b ，然后通过矩阵变换电路得到亮度信号y 和 两个色差信号u 和v ，最后由发送端分别对这三个信号进行编码，通过同一信 道发送出去。y 代表亮度，构成彩色的两个分量u 和v 代表色差，并且y 、u 、 v 三者是分离的。y u v 主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后能兼容黑 白电视，占用带宽很小。 ( 3 ) n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ) 是“美国国家电视标准委 员会的缩写，它属于同时制，场频为每秒6 0 场，帧频为每秒3 0 帧，扫描线为 5 2 5 行，逐行扫描，画面比例为4 ：3 ，分辨率为7 2 0 x 4 8 0 。这种制式的色度信号 调制包括了平衡调制和正交调制两种，解决了彩色黑白电视广播兼容问题，但存 在容易相位失真、色彩不稳定的缺点。目前采用这种制式的国家主要有美国、加 拿大、墨西哥等大部分美洲国家及台湾、日本、韩国、菲律宾等。 ( 4 ) p a l ( p h a s ea l t e r a t i o nl i n e ) 是“逐行倒相的意思，也属于同时制，它对 同时传送的两个色差信号中的一个色差信号采用逐行倒相，另一个色差信号进行 正交调制。正因为这样，在信号传输过程中如果发生相位失真，那么由于相邻两 行信号的相位相反就可以起到相互补偿的作用，从而能有效地克服因相位失真而 引起的色彩变化。因此，p a l 制对相位失真不敏感，图像彩色误差较小，与黑白 电视的兼容较好。p a l 制电视的供电频率为5 0 h z ，场频为每秒5 0 场，帧频为每 秒2 5 帧，扫描线为6 2 5 行( 奇场在前，偶场在后) 。标准的数字化p a l 电视标准 分辨率为7 2 0 x 5 7 6 ，2 4 比特的色彩位深，画而的宽高比为4 ：3 ，图像信号带宽分 别为4 2 m h z 、5 5 m h z 、5 6 m h z 等，采用p a l 电视标准的国家主要是中国及欧 天津工业大学硕士学位论文 洲各国等。 ( 5 ) s e c a m ( 法文s e q u e n t i e lc o u l e u ram e m o i r e 的缩写) 制式，又称塞康制， 意为“按顺序传送彩色与存储。这是一个首先用在法国的模拟彩色电视系统， 1 9 6 6 年由法国研制成功，属于同时顺序制，有三种形式的s e c a m ：法国 s e c a m ( s e c a m l ) ，用在法国和它的以前的群体上；s e c a m b ( 3 ，用在中东， 先前的东德和希腊；s e c a md k 用在俄罗斯和西欧。对于s e c a m 制式来说， 在信号传输中亮度信号按行传送，而两个色差信号用行错开传输时间的方法避免 同时传输时产生的串色和彩色失真。这种制式的特点是抗干扰能力强，彩色效果 好，兼容性差。s e c a m 制式的帧频为每秒2 5 帧，扫描线6 2 5 行，隔行扫描， 画面比例4 ：3 ，分辨率为7 2 0 x 5 7 6 ，约4 0 万像素，亮度带宽6 0 m h z ，彩色幅载 波4 2 5 m h z ，色度带宽1 0 m h z ( t 0 ，1 0h z ( v ) ；声音载波6 5 m h z 。 2 3 硬件系统总体设计 本系统是基于d s p 的硬币识别系统，硬件系统总体结构设计如图2 1 所示。 系统的主要工作流程是：c c d 摄像头从外部摄取视频图像，输出c v b s 视频信 号，经过a d 芯片将模拟视频信号转换为标准的数字视频信号，由c p l d 控制 写入片外高速大容量s d r a m 储存，直到一帧图像存储完毕，c p l d 交出总线， s d r a m 暂存视频数据，避免数字视频数据传输时长时间占用d s p 外部总线。 d s p 通过外部存储器接口从s d r a m 缓存中读取图像数据进行处理，经过处理 后的数据通过编码器编码后传送到显示屏显示。一方面，p c 机可以通过仿真器 接口j t a g 获取图像数据；另一方面，数据流经u a r t 接口传输到c d m a 、g p r s 等，对采集的视频资源进行分析。视频a d 及d a 芯片的初始化配置是由d s p 通过1 2 c 接1 3 实现的，其中i 2 c 接口是通过d s p 的m c b s p 串口资源实现的。f l a s h 主要是对d s p 进行上电及程序自举，用来导入装载信息和存储信息。为了协调 各部分的电源供应问题，系统中设有专门的电源模块。 第二章总体设计 图2 - 1 硬件系统总体设计框图 1 ) c c d 摄像机：本系统对c c d 没有特殊要求，只要能输出标准p a l 制模 拟视频信号即可，因此所采集图像的分辨率为7 2 0 x 5 7 6 。 2 ) 视频解码器：系统中采用p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 5 作为视频解码芯片，这是 一种支持多制式格式的9 位视频解码器，内部有自适应n t s c p a l 制式的梳 状滤波器