（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的平网印花机自动对花检测系统的研究.pdf

摘要 纺织印染行业是我国国民经济的重要行业之一，对我国的现代化进程起着至 关重要的作用。平网印花机以其大花回、高精度的特点在我国印花领域广泛使用。 平网印花机在生产过程中不可避免的会产生“错花”和“跑花”现象，而现今工 业现场只能通过工人用肉眼观察和手工调整。这种人工方式不仅效率不够高，而 且不能够实时调整，造成了织物的浪费。现有的印花技术急需要一种全自动的对 花检测装置，来改善现有状况。机器视觉由于具有高精度、高可靠性、自动化程 度高，非接触性检测，不易产生疲劳等优点，在工业检测中得到了广泛的应用。 机器视觉技术的不断发展和成熟，为平网印花机实现全自动对花检测，提供了解 决的方法和契机。 本文提出了一种用d s p 作为硬件平台，将机器视觉技术应用在平网印花机对 花检测的解决方案，实现平网印花机的全自动对花检测。设计开发了以 t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片为核心处理器的检测系统硬件平台，针对于硬件平台开 发了基于d s p b i o s 嵌入式操作系统的多任务系统软件。 在本文中首先介绍了平网印花机的发展现状，以及机器视觉技术的发展及其 应用。提出了机器视觉检测系统的方案，然后分析介绍了整个检测系统的总体设 计方案和工作原理，以及各个功能模块的设计思想，并根据系统需要分析选取了 摄像机和现场照明方式。 本文以模块为单位，着重介绍了d m 6 4 2 各接口的硬件设计，并给出了各部 分具体的硬件电路，同时介绍了些在p c b 设计中应该注意的一些问题和解决 方法，针对检测系统的需要，研究了系统中应用的数字图像处理理论以及算法， 并给出了部分实验结果，最后详细分析了t i 公司的d s p b i o s 操作系统内核的 组成结构和多任务参考架构，以及使用其内核进行应用程序设计的整个流程，介 绍了多任务系统软件的设计思想。 关键词：平网印花机、机器视觉、数字图像处理、t m s 3 2 0 d m 6 4 2 、d s p b i o s t h er e s e a r c ho ff l a ts c r e e np r i n t i n gm a c h i n e s a u t or e g i s t e r i n g d e t e c t i n gs y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t w e a v i n g & d y d n gi n d u s t r yw h i c hp l a y sai m p o r t a n tp a r ti no u rp r o c e s so f m o d e r n i z a t i o ni sa l li m p o r t a n tp a r to fo u rc o u n t r y se c o n o m y f 1 a ts c r g 鹭np r i n t e r m a c h i n ew i t hi t ss p e c i a l t yo nb i gr e p e a ta n dh i g hp r e c i s i o ni sw i d e l yu s e di no u r p r i n t i n gf i e l d h o w e v e rt h ep h e n o m e n o no fm i s r e g i s t c r a t o n i si n e v i t a b l ei nt h e p m c e s s ，w h i c hc a l lb eo n l yo b s e r v e db yt h ee y e so f t h e w o r k e r sa n da d j u s t e dm a n u a l l y 1 1 l i sm e t h o di sn o to n l yi n e f f i c i e n tb u ta l s oaw a s t eo ft h et e x t i l ed u et ot h e u n r e a l - t i m ed e t e c t i n g , a na u t o m a t i cr e g i s t e r i n ga n dd e t e c t i n gd e v i c ei su r g e n t l y n e e d e dt oi m p r o v et h es t a t u sq u o m a c h i n ev i s i o nw h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h p r e c i s i o n , h i g hd e p e n d a b i l i t y , h i g h - l e v e la u t o m a t i o n ，u n t o u c h e dd e t e c t , a n dn o te a s y t or e a c hf a t i g n eh a sb e e ng r e a t l yu s e di ni n d u s t r yd e t e c t i n g w i t ht h ep r e c e s sa n d m a t u r i t yo f 廿l em a c h i n ev i s i o n , t h er e s o l u t i o na n dc h a n c ew i l lb ep r o m o t e df o rt h e a c c o m p l i s h m e n to f t h et o t a l l ya u t o m a t i o no nt h ef l a ts c r e 吼p r i n t e rm a c h i n e as o l u t i o nb a s e do nt h ed s ph a r d w a l 弓h a sb e e np r o m o t e dt oa c c o m p l i s ht h e t o t a l l ya u t o m a t i cr e g i s t e r i n g t h eh a r d w a r eu s e st h et m s 3 2 0 d m 6 4 2d s pa st h e c e n t r a lp r o c 踟, t o w a r dw h i c ht h em u l t i - t a s ks y s t e ms o f t w a r et h a li sb a s e do nt h e d s p b i o se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h ep r o c e s ss t a t u sq u oo ft h ef l a ts c f 啪p r i n t e rm a c h i n ea n dt h ea p p l i c a t i o no f t h em a c h i n ev i s i o n & d s ph a v eb e e ni n t r o d u c e df n s t l y , t h e nas c h e m eo f t h em a c h i n e v i s i o nd e t e c t i n gs y s t e mh a sb e e np r o m o t e d l a s t l y , t h ew h o l l yd e s i g ns c h e m e & f u n c t i o np r i n c i p l e & d e s i g nt h o u g h t so fa l lt h em o d e l sa r ea n a l y z e d ；t h ev i d i c o na n d t h el o c a l ei l l u m i n a t i n gm e t h o dh a v eb e e ns e l e c t e da n da n a l y z e da c c o r d i n gt o t h e n e e d so f t h es y s t e m n eh a r d w a r e d e s i g n o ft h ed m 6 4 2 si n t e r f a c e sh a v eb e e ni n t r o d u c e d e m p h a t i c a l l y , t h ec o n c r e t eh a r d w a l 弓c i r c u i ta l ep r e s e n t e d a n da tt h es a m et i m es o m e p r o b l e m si nt h ep c bd e s i g na n d i t ss o l u t i o n sa r ei n t r o d u c e d ；a c c o r d i n gt ot h es y s t e _ a l s n e e d s ，s o m em a c h i n ep r o c e s s i n gp r i n c i t l ea n da r i t h m e t i ch a v eb e e nr e s e a r c h e d ，a n d c a m eo u tp a r t i a lt e s tr e s u l t s ；a tl a s t 1 a b o r st h ed s p m i o so p e r a t i n gs y s t e m sk e r n e l s c o m p o s i n gs t r u c t u r ea n d m u l t i - t a s kr e f e r e n c ef r a m e , a n dt h ee n t i r ef l o wo f d e v e l o p i n g t h ea p p l i c a t i o n , i n t r o d u c e st h ed e s i g nt h o u g h t l ip e n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t1 d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ip e n g - f e i k e yw o r d s ：f l a ts c r e e n p r i n t e rm a c h i n e ，m a c h i n e v i s i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g , t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，d s p b i o s 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大 学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：耋砌喀 指导老师签名： 陵狮：扣叮弓。i 午 r 蜀 i 精霉3 鬯幽 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与忧良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 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，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，不包括本人己申请学位或他人己申请学位或其它用途使用过的成果。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 感谢。 学位论文与资科若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：珍m 蝗 日期：d “7 ，4 l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 众所周知，纺织业在我国国民经济收入中占有较大的比例，是我国主要产业之一 随着社会的不断发展，人们生活水平的提高，人们对衣着、装饰用布提出了更高的质 量要求，对纺织品的整体质量，花色品种，复现性等要求越来越高。根据英国莱切斯 特的d em o n t f o r t 大学对从8 家印花厂收集来的印花疵病资料的分析报告显示，印花 疵病是影响纺织品质量的关键问题之一，最常见的疵病包括对花不准和定线不准【1 l 。 印染作为纺织品的重要处理阶段，对纺织品的整体质量有着重要的作用。如何减少印 花疵病成为纺织印染行业的热点话题，也是提高纺织品的质量，增强我国纺织品的国 际竞争力，预待解决的问题。 印花设备作为印染后整理的关键设备，对于纺织品质量起着关键性作用。印花机 可以分为平网印花机和圆网印花机。由于平网印花机加工产品的适应性广、花回尺寸 大、制网费用低、花样精细度高、能获得清晰丽精细的花纹，小批量生产成本低于圆 网印花，因而被广泛采用。现今平网印花机的对花装置大都采用按照平网的花回长度， 精确控制橡胶导带的运行距离和静止状态，以此来保证对花精度。导带控制驱动大致 可分为两类：一类是液压驱动，如瑞士布塞公司的5 v 型平网印花机印花导带，就是 采用液压中置式单缸驱动。一类是伺服电机驱动。如：f s m 一 b 系列新型数控全伺服 高速平网印花机的印花导带主驱动，就是采用双伺服电机驱动模式，在有效台板范围 内定位精度可达士0 1 毫米i m l 。 虽然平网印花杌对花精度误差，可以通过控制导带的定位精度达到一定的范围， 但是在实际生产中，由于传动机构零部件产生的机械磨损、对花齿轮松动、导带与花 网速度不协调，以及织物在印花导带上的变形、电气传动等众多因素造成的“错花”、 “跑花”现象，平网印花机并不能自动检测出来，更不用说及时做出调整。现有传统 对花调整方法只是依靠人工目测观察、判断，并停机对机械装置进行调节。这种方式 不仅误差大、效率低，而且由于需要停机调整，因此造成了织物的大量浪费。 目前平网印花机的印花单元，对花精度的提高策略始终是围绕机械结构的改进和 电气执行机构的更新来完成的。从机械传动链到印花丝网独立传动的过渡、以及步迸 电机控制方案到伺服电机控制方案的过渡就是围绕这样的策略进行的。我国自主生产 的平网印花机对花精度远远低于国外先进水平，在国际市场上缺乏竞争力，最为主要 的原因之一也是我们的机械加工水平相对较低。由此可以看出平网印花机在自动对花 环节还存在一定的缺陷。 i 绪论 1 、全自动对花控制系统没有实现 国内外各种型号的乎网印花机在生产运行过程中，初始花色的定位都需要人工参 与；而在高速运行时，累计精度误差造成的对花误差也要通过人工停机之后进行调整， 系统控制方案属于开环或半闭环控制。人工定位不仅对花精度不高而且大大影响了生 产效率。 2 、缺乏在线质量检测监测的保证 在印花过程中对各种质量问题( 例如对色不准、缺色、糊色、布匹纹理放反等) 缺乏直观的、全面的、高水平的检测和监控手段，难以降低次品率、提高产品的档次、 产量和质量。 综合以上的分析，为了解决以上的问题，平网印花机需要安装一个机械眼睛，能 够对平网印花机对花情况实时监测，并且将检测结果及时反馈给控制结构，进而印花 机可以根据检测报告及时做出相对应的控制动作，实现平网印花机的全自动对花。机 器视觉正是研究用计算机来模拟人类宏观视觉功能的科学与技术，此技术已经广泛的 应用于位置检测、质量检测、智能机器人等很多需要监测定位的领域。 美国制造工程师协会( s m es o i c e t yo fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ) 机器视觉 分会和美国机器人工业协会( r i ar o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 的自动化视觉 分会对机器视觉下的定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地 接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需要信息或用于控制机器人运动的装置”。 简言之，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器 视觉产品( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 将被摄取目标转换成图像信号， 传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号； 图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现 场的设备动作。 机器视觉将计算机的高速度、高精度、高可靠性、结果的可重复性与人类视觉的 智能化抽象能力相结合，具有柔性和自动化程度高，非接触性检测，不易产生疲劳等 优点。在一些不适合与人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常 用机器视觉来代替人工视觉。同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检测产量效 率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的生产自动化程 度也正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同 设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中。人们将机器视觉 系统广泛应用于工矿监视、成品检验和质量控制等领域。 机器视觉技术在国外已经广泛应用于很多领域。主要体现在半导体及电子行业， 其中大概4 0 一5 0 9 6 都集中在半导体行业。在国内，机器视觉在以上行业中应用为数不 多，即便有也只是低端方面的应用，主要涉及制药、印刷、矿泉水瓶盖等检测领域。 2 i 绪论 在纺织印染行业也开始有所涉及，在织物疵点检测和圆网印花机对花检测中已经开始 应用。机器视觉技术的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水 平，改善了人类生活现状，有着极为广阔的应用前景【6 棚。 在这种技术背景下，本文提出了一种用d s p 作为硬件平台，将机器视觉技术应用 在平网印花机对花检测的解决方案。 1 2 对花技术国内外现状 国内外印花机生产厂家为了提高印花机印花性能在对花环节上不断地进行改进。 早期的瑞士布塞( b u s e r ) 公司生产的3 v 、4 v 、5 v 平网印花机和国产的4 v 、5 v 平网 印花机均采用电动液压方式推动导带。此传动方式由导带夹持器夹持印花导带，依靠 液压油缸，从进布端定位挡块移动到按花回长度所确定的出布端定位挡块，来保证每 个花回长度的重复精度。新型的f s m 系列平网印花机印花导带主传动采用双伺服电机 数控同步传动，定位精度已经相当高。以及郑州纺机l m l 5 6 系列平网印花机设备的导 带也是采用先进的双伺服电机同步驱动。此种传动方式主要靠伺服电机经过减速器和 齿轮传动来驱动传动辊，并靠传动辊面和导带之间的摩擦力来驱动印花导带。 圆网印花机在自动对花方面的研究走在前面，在国外，d em o n t f o r t 大学为印花 机配备一个智能的录象监测和疵病识辨系统，已经可以应用e v $ 摄像系统来检测圆网 印花织物并报告疵病。在国内，常州宏大电气有限公司采用高速图像检测、数字化处 理，实现印花过程中的“对花”在线自动监测，如果印花过程中，一旦出现擘错花” 现象，该系统可自动识别，并且根据错花的具体位置自动调整，从而达到印花过程自 动检测、自动纠错的目的，实现真正意义上的印花过程全自动“对花”控制【9 】。该项 技术已经申请了专利。 小 平网印花机自动对花方面的研究一直以来只是存在于理论构想，还尚未出现一种 具体平网印花机自动监测的解决方案，更不用说应用于现实生产中。国家“十一五” 规划对纺织印染机械也做了明确的说明：“在适应印染生产小批量、多品种、快交货 的市场需求的同时，广泛应用自动控制和在线检测技术，满足快速反应和印染企业信 息化要求，印花设备应用机器视觉技术开发印花机自动对花系统，使印花机在印花过 程中自动检测、自动纠错，具有精确的实时对花能力。为市场提供高精度的印花机， 解决印花过程中的“错花”和“跑花”现象，提高印花布匹质量”。随着国内机器 视觉技术的发展，以及在工业检测领域应用推广，为印染行业的自动化提供了很好的 技术平台，也为解决平网印花机印花过程中的“错花”和“跑花”现象，实现全自动 对花提供了解决方案。 l 绪论 1 3 课题来源及研究意义 3 1 课题来源 本课题来源于陕西省科技厅重点研究项目机器视觉在印花行业的研究与应用 ( 2 0 0 0 4 k 0 8 一g 1 8 ) 。 1 3 2 课题研究意义 印花过程中对花精度是影响布匹印花质量的关键因素，当今的平网印花机几乎都 是采用提高印花机自身定位精度来保证对花精度，而对于生产过程中出现的“错花 “跑花”现象，还停留在人工判断和调整，并没有实现全自动对花检测。在整个印染 行业生产自动化水平比较低，而机器视觉技术在工业自动化检测领域已经广泛采用， 采用机器视觉技术实现印花机全自动化也是大势所趋。国家十一五纺织机械的发展规 划也作了明确说明：“应用机器视觉技术开发印花机自动对花系统”。 本课题提出的平网印花机自动对花检测系统，不仅能够实时检测印花过程出现的 “错花”、“跑花”现象，并能够实时进行调整校正，当出现大的偏差时还能够及时报 警。这不仅大大降低劳动强度提高了生产效率，还能大幅度提高印花产品产品的合格 率；填补了平网印花机自动对花检测系统的空白；对平网印花机的技术进步将产生深 远的意义；契合了国家对于十一五纺织机械的发展规划，对于提升我国产业整体水平 和加快成为印花强国也具有重要的推动作用。 1 4 本文主要研究内容 本文提出来一种将机器视觉技术，应用到平网印花机自动对花检测的方案。这也 正是本课题的创新点。根据这一方案，本文将d s p 技术应用于视觉捡测领域，研究了 基于d s p 的图像处理技术，并在理论研究的技术上，开发了自动对花检测系统的图像 处理系统。本课题主要研究内容包括： ( 1 ) 为了设计合理且可行的平网印花机自动监测系统，首先研究了平网印花 机印花技术的现阶段的发展概况。 ( 2 ) 根据平网印花机的工作特点，设计了系统的整体方案，确定了检测原理和 检测流程，并根据系统方案的性能指标的要求，完成视觉图像处理系统各部分的硬件 电路的设计。 ( 3 ) 开发设计了基于d s p 硬件系统的系统软件。由于视觉检测需要进行大数据 量的图像处理，因此，开发了基于d s p b 1 0 s 操作系统的多任务程序。 ( 4 ) 根据视觉检测系统方案的特点。提出了图像处理的流程，研究了相关的图 像处理技术，以及各部分的算法实现。 4 2 视觉检测系统的总体设计 2 视觉检测系统的总体设计 2 1 方案的比较 典型机器视觉系统首先通过光学成像和图像采集装置获得产品的数字化图 像，再用计算机进行图像处理得到相关检测信息，形成对被测产品的判断决策， 最后将该决策信息发送到控制装置，由控制机构根据决策信息完成相应处理。如 下图2 1 所示： 、。l 一l _ j l _ j 图2 - 1 典型机器视觉系统框图 2 1 1 视觉系统硬件平台的分类 机器视觉系统根据其硬件平台，可以大致分为两类： 1 、基于p c 的机器视觉系统，采用通用p c 机加图像采集卡的硬件平台，由 图像采集卡进行视频捕捉，采集到的图像不作任何处理直接传送到p c 机上，在 p c 机上通过软件对图像或视频片断进行一系列处理，从而得到图像处理结果。 2 、基于嵌入式处理器的机器视觉系统，可以完全脱离通用p c 机工作，采 用专用或自行设计的视频捕获电路，通过嵌入式处理器完成图像处理的功能。 两类系统的对比： 基于p c 的机器视觉系统，具有以下两个优点： 最大限度的利用了通用计算机的主板、内存、硬盘等硬件资源，硬件平 台通过购买成熟的硬件就可以搭建起来。 针对通用计算机的软件及操作系统较为成熟，且p c 的内存及硬盘容量非 常大，因此软件设计的难度相对较小。 基于p c 的机器视觉系统配置灵活，开发周期短，开发成本较小。但是，基 于p c 的机器视觉系统在图像处理性能上存在瓶颈，使其不适合于对实时性要求 高的图形处理，这个瓶颈来自于： 通用的p c 机的c p u 使用传统的冯诺依曼结构，其数字信号处理能力有 限。 图像卡需要向p c 机传输大量的原始图像信息，传送的带宽受到p c 机接 口的传送能力限制。 通用p c 机上操作系统一般为非实时性的操作系统，在高速图像处理的情 况下，这会导致p c 不能及时的响应图像处理请求。 基于嵌入式处理器的机器视觉系统，可以很好的解决实时性问题，这表现在： 2 视觉检测系统的总体设计 使用专用的处理器，如d s p 处理器，其数字信号处理能力优越。 图像在采集后被实时的处理，基本不存在图像传输的带宽限制。 针对嵌入式处理器的软件是实时性的。 但是，基于嵌入式处理器的机器视觉系统也有其缺点： 用于存放图像数据的存储空间有限，处理器片内的存储空间更无法与p c 机的内存相提并论，在软件设计时必须考虑数据的大小、数据处理的流水线方式， 设计难度较大。 针对嵌入式处理器的编程软件、图像处理算法不够成熟，增加了软件设 计的复杂度。 基于嵌入式处理器的图像处理卡开发成本较高，自主研发的设计难度大、 开发周期长。 2 1 2 视觉系统的设计目标与方案的选取 根据市场的需求和工业现场的需要，以及我们技术能力确定系统的设计目标 如下所示： 实时性要求：视觉系统要实时监控平网印花机的对花情况，并且要在印 花单元印花的时间内对检测图案做出实时处理，并及时将检测结果送给控制单 元，因此系统实时处理能力要高。 数据通信的要求：需要的话，视觉系统要能够实现现场数据的远距离传 输。 检测项目可扩展性：对于平网印花枫来说印制的可能不只是一个套色， 我们现在采用的检测系统并没有对其进行细分。因此系统要能够针对以后检测功 能的要求，具有灵活的扩展性。 应用方便：检测系统要能够充分利用现今平网印花机所拥有的资源。通 过对现有资源的改造，达到性价比最高。 根据以上系统的性能的要求，以及第一节中方案的比较，本系统应用嵌入式 处理器作为检测系统的硬件平台进行开发，将图像的采集和处理集中在一块以 d s p 为核心的硬件平台中完成。 2 2 检测系统的总体结构 检测系统的总体结构图如下所示，按功能大致可分为3 个部分：图像捕获单 元、图像处理单元、控制单元。 6 2 视觉检测系统的总体设计 图2 - 2 检测系统总体框图 图像捕获单元主要由摄像机、l e d 光源构成，主要负责把检测标记图像进 行采集，将其转换成模拟视频信号输出给图像处理子系统。根据现场环境的情况 选择合适的l e d 光源和摄像机，以使采集到的图像便于后续处理单元的处理。 图像采集与处理单元是检测系统的最重要最核心的部分，它的功能主要包 括：接收由摄像机输出的模拟视频信号，并将其转换为d s p 处理器能够处理的 数字信号；对数字图像信号进行一系列图像处理运算，并将运算结果传送给控制 单元。 控制单元主要由上位机、伺服电机或液压电机等器件构成控制系统。主要职 责完成平网印花导带的运行控制、图像处理系统触发信号的产生、出现不合格产 品的报警以及停车等功能。此部分并非本文的研究内容，暂不做介绍。 2 3 图像捕获单元 2 3 1 摄像机概述 目前的相机按图像传感器来分主要有c c d 和c m o s 两种。c m o s 相机起 步较晚，所摄取的画面质量也不是很好，目前c m o s 图像传感器在解析力和色 彩上不如c c d 图像传感器，图像有噪音、准确捕捉动态图像的能力还不是很强。 主要用在图像品质不是很高的产品上。工业上应用较多普遍的是c c d 相机。 c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e ) 即电荷藕合器件，是一种新型的固体成像器 件，它是在大规模轨迹成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，它既具 有光电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。构成c c d 的 基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。在m o s 技术上，通过存储和 控制电荷运动而起作用的一种半导体机器，其基本结构包括半导体材料( 如硅 s i ) 、氧化物( 如s i 0 2 ) 、金属电极三层 1 0 - 1 1 l 。 c c d 器件本身有许多独特的优点： ( 1 ) c c d 器件是一种固体化的器件，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、 2 视觉检测系统的总体设计 寿命长。图像畸变小，尺寸重现性好。 ( 2 ) 具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可以获得较 高的定位精度。 ( 3 ) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 在选择c c d 相机时，要考虑以下几个方面： ( 1 ) 根据光敏像素的排列方式，c c d 可分为面阵c c d 和线阵c c d 两大类。 光敏元排成一行的称为线阵c c d ，面阵c c d 的光敏元排列为一个平面，她包含 若干行和列的结合。两种类型的c c d 器件成像原理是一样的，不同的是：线阵 c c d ，它直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转换为视频信号输出。要想 将二维图像转换为视频信号输出，必须应用扫描的方法实现，而面阵c c d 的就 能够直接将二维图像的转换为视频信号输出。线阵c c d 精度较高，主要用于产 品外部尺寸的非接触检测、控制和分类、产品表面质量评定、自动化及机器人视 觉中的精确定位等。面阵c c d 主要用于图像记录、存储、计算机视觉测量等方 面。对于机器视觉的应用，一般都是用面阵c c d 。 ( 2 ) 相机按颜色分可以分为黑白和彩色相机。其中，黑白相机比彩色相机 的分辨率高，而且数据采集速度快。而彩色相机可以提供更强大的观察和区别能 力，因此价格比黑自相机昂贵。对于本课题的研究对象平网印花导带的标志图案， 不需要彩色信息，因此采用黑白相机。 ( 3 ) 相机的输出接口形式有r s 4 2 2 、r s 6 4 4 、u s b 、i e e e l 3 9 4 等。在选择 相机时要与图像采集或处理硬件相适应。 在本系统中由于是在平网印花机静止时拍摄标志图案的图像，图像的彩色信 息并不需要，所以系统采用面阵的黑白c c d 摄像机。 2 3 2 光源和照明方式的选取 1 、光源的选择 在目前的机器视觉应用系统中，合适的光源与照明方案往往是这个系统成败 的关键，起着非常重要的作用，并不是简单的照亮物体而己。光源与照明方案的 配合应尽可能地突出物体特征，在物体需要检测的部分与那些不重要的部分之阃 应尽量可能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物 体位置的变化不应该影响成像的质量。 在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应充分考 虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体的几何形状等要素，光源 设备的选择必须符合所需要的几何形状，照明亮度、均匀度，发光的光谱特性也 必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命 1 q 。表2 1 给出 了一些常用光源的性能参数。 2 视觉榆测系统的总体设计 表2 - 1 各种光源的对比 对于此系统来说，因为光源以常亮照明方式连续工作，它必须具有较长的寿 命，且发光稳定，功率较低，医此需要选择l e d 光源。由于检测系统对被测物 体的颜色选择没有特殊要求，而红色l e d 的发光波长最为接近c c d 的灵敏度峰 值，所以选用红色l e d 光源。 2 、照明方式的选择 光源的照射方式有前光照、背光照、分光反照三种方式，如图2 3 所示。前 向光照指的是从相机的角度看光源放在物体的前面：背光照指的是光源放在物体 的后面：分光反照指的是光源照射背景板，从背景板漫反射的光线照射物体；一系 统中由于是对平网印花机导带上的标志图像进行采集，所以采用的前光照明的照 明方式。 睁巾 【8 ) 前光照( ”背光照( c ) 分光反照 图2 - 3 光源的照射方式 2 4 图像采集处理系统 2 4 1 图像处理系统的性能指标 根据平网印花机这一检测目标，图像采集处理系统性能必须达到以下指标： l 、图像采集处理系统必须在印花机印花的间隙，完成标志图像的采集与存 储、平滑滤波、灰度变换、二值化、图像细化、位置识别、识别结果的传输等工 作。 2 、图像处理子系统要能够支持p a l 、n t s c 等制式视频信号处理，从而与 主流的c c d 摄像机兼容。系统要达到8 b i t ，2 5 6 灰度级，同时，要能够采集全分 辨率的p a l ( 2 5 f p s ) ，n t s c ( 3 0 币s ) 视频信号。 3 、图像处理系统要能够将算法程序固化于系统的存储器中，使系统能够完 成从存储器自举，从而达到完成的脱机图像处理操作。 9 2 视觉检测系统的总体设计 4 、图像处理系统要留有足够的数字i o ，以便于系统功能的扩展。 2 4 2 图像处理系统的结构 系统采用d s p 作为核心处理器，另有c p l d 逻辑芯片产生逻辑控制电路， 大大降低了电路设计的复杂程度。系统框图如下图2 - 4 所示； 图2 4 图像处理系统结构框图 l 、图像采集模块 该模块采用专用的视频解码芯片，将c c d 摄像机采集的视频图像信号进行 视频解码，转换成标准的b t 6 5 6 格式的数字信号，并将数字信号通过视频总线 传送到d s p 的视频通道。芯片的初始化由主机通过i c 总线完成初始化。 2 、图像处理模块 该模块由1 1 公司专用多媒体芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为核心处理芯片。该模 块首先将输入的图像通过d m a 通道存储在外部存储器中，然后对其进行各种算 法处理包括：平滑滤波、二值化、图像细化、位置识别等，最后还要将处理的结 果通过串行口及时传递给上位机，完成平网印花机对花状况的分析。 3 、存储模块 该模块包括：动态存储器( s d r a m ) 和程序存储器( f l a s h ) 两部分。由 于d s p 本身的存储空间很小，要存储大量的图像信息需要外扩存储器。外部动 态存储器( s d r a m ) 主要用来存储由图像处理模块送来的图像，程序存储器主 要用来固化图像算法程序以及系统应用程序，使得系统能够上电自举，脱机完成 处理任务。 4 、通讯模块 该模块主要由d m 6 4 2 通过e m i f 外接一片u a r t 芯片，完成与上位机的异 步串行通信功能。主要负责接受由上位机送来的检测命令信号，以及将处理模块 的检测结果通过实时传给上位机。 i o 2 视觉检测系统的总体设计 2 5 检测系统检测原理 平网印花机在进布端，用胶将待印的布匹粘贴在导带上，导带在电机的拖动 下带着布匹向前运动，每次向前行进一个花回的距离。当印花导带对准印花平网 停稳以后，平网网框下压贴紧布匹，以后印花单元开始印花。第一个颜色的图案 印完了，网框抬起，导带将毛巾送到下一个网框位置停稳，开始第二个颜色图案 的印花，直到多个颜色( 一般8 1 0 个颜色) 依次套准印完。 根据平网印花机的工作原理可以看出，只要导带能够准确无误的对准印花平 网，那么印花时就不会出现“错花”、“跑花”现象。因此系统采用在导带上印上 标志图案，通过捡测每个花回的标志图案在摄像机中的位置是否一致，来确定导 带每次停止的位置是否准确，从而检测出是否出现“错花”、“跑花”现象。为了 避免漏检测的情况，标志图案在第一个花回印制，而摄像机架在出布端。这样可 以将印花机的累计误差检测出来，而不会出现漏检测的情况。 标志图案位置的检测通常有两种方法： 1 、模板匹配法： 若导带运行正常，那么摄像机每次检测到的标志图案应该在摄像机拍摄图像 的相同位置上。因此可以将标准的图像保存到存储器中，每次检测到新的图像时 与标准图像相减求得差值，当差值大于一个设定好的阈值时就认为出现了偏差。 这种方法算法简单，容易实现，但只能够定性的判断是否出现了偏差，不能够定 量得到偏差量。系统设计的目的是完成系统自动对花，必须要能够对于导带出现 的偏差得到定量的值，才能根据偏差值进行相应的调整。此方法只能定性的判断 而不能定量的分析，所以不合适。系统中我们采用以下的检测方法来实现。 2 、固定点的匹配 为了能够定量的分析误差值，可以求出图像中某一固定点在图像中的坐标 值，通过前后图像中坐标值的比较，就可以得出导带定量的偏差值。 具体在系统中为了图像处理和算法的简单，在导带上每一个花回由印花单元 印制一个实心的圆形标志图案，如下图2 - 5 所示。固定点选取圆形标志的圆心， 通过图像处理算法求得圆心中心点的坐标值o ，y ) 。当采集到第一个花回的图像 时得到圆心坐标值( 玉，m ) ，将此坐标值作为标准值。当采集到第二个花回的图像， 计算求得圆心坐标( 恐，y o 。通过计算得到导带的运行差值：e = 是一玉， e v = y 2 一y i 2 视觉检测系统的总体设计 圆心坐标为( n ，_ ，1 ) 圆心坐标为( 砣，) ，2 ) 图2 - 5 检测原理示意图 2 6 本章小结 本章主要介绍了整个检测系统的总体设计思想，首先对当前两种应用比较广 泛的设计方案进行了比较，选定本系统的方案。然后介绍了捕获单元和控制单元 的设计，简要说明了图像处理系统得结构和工作流程，最后讨论了检测系统的检 测原理。 1 2 3 基fd m 6 4 2 图象处理系统硬件系统设计 3 基于d m 6 4 2 图像处理系统硬件设计 3 1 系统硬件总体设计 对于图像处理技术来说，由于要处理大量的数据量，计算复杂，计算中间结 果精度要求很高，因此需要选择合适的d s p 芯片。本系统中d s p 芯片采用t i 专用的多媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为处理器。整个系统硬件框图如图3 1 所 示。 系统包括图像采集模块、d m 6 4 2 、串行通信模块、外部存储器模块、电源模 块、时钟模块等。系统采用s a a 7 1 1 5 作为视频解码器和数字信号处理器d _ m 6 4 2 的视频端口( v i 如o p o r t ) 构成系统的图像采集部分。外部存储模块包括s d r a m 动 态存储器作为程序、数据存储器；f l a s h 用来存储整个系统的程序代码和启动 代码；e e p r o m 用来存储s a a 7 1 1 5 的配置信息串行通信模块完成与上位机的 实时通信功能。 图3 - 1 图像处理系统硬件总体框图 3 2d m 6 4 2 介绍 1 m s 3 2 0 埘讧“2 ( 简称d m 6 4 2 ) 是t i 公司2 0 0 3 年推出的一款针对多媒体处 理领域应用的高速d s p 处理器，基于c 6 4 x 核心架构，集成了丰富的外围设备和 接口。最高主频达到了6 0 0 m h z ( 指令周期1 6 7 n s ) 。并行处理指令的能力最高 可达到每个指令周期处理8 条3 2 位指令，因此最大指令处理速度为4 8 0 0 m i p s 。 该d s p 为5 4 8 脚b g a 封装，高度集成化。其内部结构如图3 2 所示。 d m 6 4 2 主要集成的片内外设包括： 3 基于d m 6 4 2 图象处理系统硬件系统设计 ( 1 ) 三个可配置的视频接口，可以和视频输入、输出或传输流输入无缝连 接。 ( 2 ) v c x o ( 压控晶体振荡器) 内插控制端口( v i c ) 。 ( 3 ) 1 0 1 0 0 m b p s 以太网口( e m a c ) 。e m a c 提供了d s p 核与以太网收 发器间高效的接口，支持1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e - t x 的全双工或半 双工数据传输。 ( 4 ) 数据管理输入输出模块( m d i o ) 。 ( 5 ) 多通道音频串行端口( m c a s p ) 。 ( 6 ) i ：c 总线模块。d m 6 4 2 使用1 2 c 总线可以很容易的控制外围设备如 d a c 、a d c 等，与系统中的其他控制器通信或实现用户接口。 ( 7 ) 两个多通道有缓存的串口( m c b s p ) 。m c b s p 可以和多种标准接口， 每个都支持独立的通道选择，最多达1 2 8 个通道。 ( 8 ) 三个3 2 位通用定时器。 ( 9 ) 用户可配置的1 6 位或3 2 位的主机端口接口( h p i l 6 m b 2 ) 。 ( 1 0 ) 6 6 m h z3 2 位的p c i 接口。这个接口和3 2 位宽的主机接口( h p i ) 复 用。d m 6 4 2 通过这个集成的p c i 接口可以连接到一个p c i 主机。 ( 1 1 ) 通用i o 端口( g p l 0 ) 。共有1 6 个g p i o 引脚，提供专门的通用i o 支持。一些引脚是和其他外设引脚复用的。另外，g p i o 输入信号还 可以触发c p u 中断或e d m a 事件。 ( 1 2 ) 6 4 位的外部存储单元接口，支持和同步或异步存储单元的连接。e m i f 有四个片选空间，最大总线速率1 3 3 m h z 。支持6 4 位、3 2 位、1 6 位 和8 位的数据总线宽度，可以连接s d r a m 、s r a m 、s b s r a m 、f l a s h 和f 0 等多种存储器件。 d m 6 4 2 可与t i 的c 6 4 xd s p 目标代码完全兼容，同时还能提供片上集成的 高精度( h d ) 视频端口、无缝以太网、多通道音频及6 6 m h z 的p c i 连接性。该 器件为功能性与系统集成度的增长留有充分扩展空间。 1 4 3 基于d m 6 4 2 图象处理系统硬件系统设计 嚣( v i o p c l 6 6 或p 1 3 2 1 一 l 胛1 1 6 和e i a c i i d 0 i - - - - -