（测试计量技术及仪器专业论文）基于fpga的钢板表面缺陷图像高速采集、处理系统研究.pdf

摘要 中文摘要 高速图像采集、处理系统是钢板表面缺陷在线检测中亟待解决的一个难题， 传统的基于计算机的图像处理方法很难做到对高速图像的实时处理，因此国内外 都一直致力于找到一条更为有效的解决方案。本文依托国家科技部科研院所专项 基金项目钢板表面缺陷计算机视觉在线检测系统的研制，针对课题提出的高 速、实时等检测要求，应用可编程逻辑器件完成高速图像采集、处理系统的设计。 采用高速线阵c c d ( c h a r g e dc o u p l ed e v i c e ) 搭建图像获取系统，并基于高性 能f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 完成图像预处理；实现了f i e 滤波 等模板算子算法的硬件表达；最后软件仿真表明该设计方案高效、可行。 全文主要完成了以下三个方面的工作： l 。详细分析比较了基于线阵和面阵c c d 的检测系统方案，并结合课题设计要求确 定了基于线阵c c d 的检测方案； 2 设计了线阵c c d 的驱动电路，并完成了基于e p p 接口方式的数据采集电路，为 后续f p g a 处理系统设计提供了可靠数据； 3 应用v h d l ( v e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 设计工具完 成以f i e 滤波为代表的模扳算子算法等底层图像处理算法的硬件描述，并基于 o u a r t u s l l 4 0 平台完成软件仿真，达到了高速处理的设计目的； 关键词：机器视觉检测f p g a 线阵c c d 图像处理算法 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h - s p e e di m a g ea c q u i s i t i o n 、p r o c e s s i n gs y s t e m i sap u z z l i n gq u e s t i o n e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fo n t i m es t r i ps t e e ls u r f a c ed e f e c td e t e c t i o ns y s t e m b a s e do n t h ea d v a n c e dp c ，i ti sn e a r l yi n c r e d i b l et op r o c e s st h eh i 曲一s p e e di m a g ed a t ao n r e a l - t i m e s o ，m a n yp e o p l ei n c l u d es o m ef o r e i g ne x p e r t sd og r e a te f f o r tt of m dam o r e e f f i c i e n tm e t h o dt os o l v et h i sq u e s t i o n b a s e do nt h ep r o j e c t r e s e a r c ho nr e a l - t i m e s t r i ps t e e ls u r f a c ed e f e c td e t e c t i o n ，s p o n s o r e db yn a t i o n a ls c i e n c e & t e c h n o l o g y d e p a r t m e n t ，t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e san e wm e t h o dt ot h ea c c e s so fs u c c e s s c o n s i d e r i n gt h er e q u e s to fp r o j e c t ，s o m ep l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) i s a p p l i e dt of o r mt h ei m a g ed a t aa c q u i s i t i o n & p r o c e s s i n gs y s t e m t h ew h o l es c h e m ei s d i v i d e di n t ot w op a r t s t h ef i r s to n ei st h a tu s i n gh i g h s p e e dc c d ( c h a r g e dc o u p l e d e v i c e ) t oa c q u i r et h ed a t ao fi m a g e t h es e c o n do n ei st h a ta ni m a g ep r e - p r o c e s s s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do na l la d v a n c e df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) i n o r d e rt or e a l i z es o m et e m p l a t e m a t c h i n ga l g o r i t h ms u c ha sf i rf i l t e r , p r o g r a mi s c o m p l i e da n ds i m u l a t e di nh d l a tl a s t ，f r o mt h es i m u l a t i o n ，w ed r a wt h i sc o n c l u s i o n t h a tt h i ss c h e m ei se 伍c i e n ta n dr e l i a b l e t h em a i nw o r ki n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s ： 1 a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h et w od e t e c t i o ns c h e m ed e t a i l e d ，c o n f i r mt h a to n e b a s e do nl i n e a r - c c da c c o r d i n gt ot h er e q u e s to f t h i sp r o j e c t 2 d e s i g nal i n e a r - c c dd r i v i n g c i r c u i ta n dad a t a a c q u i s i t i o nc i r c u i t v i ae p p ( e n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ) t h e nr e l i a b l ed a t ai ss u p p l i e df o rt h en e x ts t e po ff p g a p r o c e s s i n gs y s t e m 3 d e s c r i b es o m el o w - l a y e ra l g o r i t h ms u c ha sf i rf i l t e r , w h i c hi st h er e p r e s e n to ft h e t e m p l a t e - m a t c h i n ga l g o r i t h mi nv h d l ( v e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c 邱t i o n l a n g u a g e ) b a s e do nt h eq u a r t u s l l4 0s o t h a r e ，s i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e d 、i t l lh i 曲 s p e e dr e l i a b l y k e y w o r d s ：m a c h i n ei m a g e ，f p g a ，l i n e a r - c c d ，i m a g ep r o c e s s i n g ，f i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨立盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作糍名：穗移穆签字蹶埘年，月伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储虢瘸移绛聊签名 l 7 签字日期：矽降，月，日 签字日期：2od 乡年7 月f 日 第一章绪论 1 1 课题介绍 第一章绪论 随着社会的进步和科技的发展，许多特殊行业特别是汽车、飞机制造以及一 些关键器件制造部门，对于一些原材料提出了非常高的要求，特别是对材质表面 的质量要求非常高。近年来因为制造锅炉的钢板表面质量不合格锅炉、压力容器 和压力管道的爆炸事故时有发生，使社会的生产和经济遭到严重破坏，人民生命 和财产蒙受巨大损失。然而，我国目前的无损检测、监测技术和检测仪器无法满 足钢板表面缺陷检测中的精度、在线检测和自动化等特殊要求。在实际工业生产 过程中，由于技术条件的限制，钢板表面缺陷检测基本上仍然停留在人工检测的 水平上，工人劳动强度大、效率低。 8 0 年代之后，计算机技术、数字图像处理技术、c c d 技术以及视觉测量理论 的发展和完善，视觉检测技术逐步完善，并逐步走进工业现场。视觉检测具有非 接触、测量速度快、自动化程度高、精度适中等优点，使其在现代工业生产的测 量领域的到了广泛的应用。视觉检测技术的普及，同时也促进了自身的发展，功 能更为完善，应用范围也更为广泛。但是，针对本课题所要求的检测要求，视觉 检测在数据采集、处理速度上仍有待于大幅提高。近十年来，微电子技术以及超 大规模集成电路有了长足的进步，特别是现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 更是得到了迅猛的发展，为视觉检测系统的数据采 集、处理速度提高提供了新的方法和思路。 本文正是基于以上的考虑，提出了应用可编程逻辑器件完成高速图像采集及 处理系统的设计方案；试图在f p g a 及其内嵌的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的协同作用下，采用硬件并行算法完成诸如f i r 滤波为代表的许多低级图像处理 算法。本课题的研制对于实现工业现场实时检测、f p g a 与d s p 技术的融合等技 术的发展具有非常深远的意义。 1 2 钢板表面缺陷检测系统及应用 1 2 1 钢板表面缺陷检测系统 钢板表面缺陷检测系统为机器视觉检测的特殊应用，究其实都是利用各种视 觉成像系统代替人眼完成信息输入，并进而由计算机或者专用处理器完成数据的 处理、分析、判断。本课题的检测目的为对在线生产的钢板表面图像数据实现实 第一章绪论 时采集、采集到的数据则由高速处理系统完成分析并实现模式识别判断缺陷种 类。 视觉检测系统针对不同的应用具有不同的具体形式。系统构成按照功能大致 可分为视觉信息输入设备( 视觉传感器) 、图像采集处理单元和其它些辅助设 备。 视觉传感器作为视觉检测系统的接入设备，是整个视觉信息的直接来源，它 主要由图像传感器、高速采集和其他辅助设备组成。视觉传感器的精度、性能对 整个检测系统具有决定性的意义。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，即电荷耦合器件，是一种新型的光电转换 器件。它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，集光 电转换、光积分、扫描三种功能为一体。其基本部分由m o s 光敏元阵列和读出移 位寄存器组成。c c d 器件具有体积小、重量轻、耐振动冲击、受环境电磁场影响 小、工作距离大、测量精度高、成本低等优点，被广泛应用于各种工业现场的测 量和控制中。 图像采集处理单元大致可分为两部分：图像采集单元和图像处理单元。图像 采集单元是由专用视频处理器、图像缓存以及控制接口电路组成。它的主要功能 是实时的将视觉传感器获取的模拟视频信号转换为数字图像信号，即灰度图像信 号，并将灰度图像直接传输给后续处理设备。图像处理单元最常用的是计算机， 或专用的图像处理系统，甚至是二者的融合。专用的图像处理系统通常使用专用 集成电路( a s i c ) 、数字信号处理嚣( d s p ) 或者现场可编程逻辑器件( f p g a ) 以 及相关电路组成。结合本身器件的特殊结构专用处理系统可实时高速的完成各种 数据量巨大的低级图像处理算法，大大降低了计算机的处理负荷，提高了整个系 统的速度。图像采集处理设备作为视觉检测系统的灵魂，是系统性能提高的关键。 1 2 2 钢板表面缺陷检测系统的应用 德国p a r s y t e c 公司开发了h t s 一2 与h t s 一2 w 表面缺陷检测系统，分别应用 于冷轧和热轧的钢板表面缺陷检测。h t s 系统是面阵c c d 图像拼接法成功实现表 面缺陷检测的最为成功的例子。系统主要由以下主要部件构成： 1 ) 装有光源照明系统和面阵c c d 摄像机检测桥( 上下表面各一套) ； 2 ) 缺陷分析计算机系统，其中每一个c c d 摄像机与一个双处理器的p e n t i u mi i 多媒体指令计算机相连，进行数据处理；一台双处理器的p e n t i u mi i 多媒 体指令计算机作为主计算机、缺陷数据存储计算机、系统和质量控制台； 3 ) 操作人员工作在操作控制间内，可以通过操作显示终端监测控制生产过程； 第一章绪论 4 ) 带卷和缺陷的归档子系统有8 6b y t e s 的磁盘存储空问和备份容量，并有打 印设备用来打印缺陷报告等； 5 ) 系统之间的联机接口，一些关键数据，如轧制速度、钢卷号等可以通过 t c p i p 或者直接电缆接口输入检测系统。 图l 一1 h t s 一2 结构 h t s 一2 系统采用半导体l e d 阵列作为光源( h t s 一2 w 采用氙闪光灯作为 光源) ，通过高灵敏度的摄像头，光学成像上明域和暗域成像相结合，各个摄像 头的视场搭接，使获取的图像能够覆盖整个钢板表面，并有足够的分辨率，采用 了并行计算机处理进行表面分析、采集图像的处理、缺陷分类1 0 0 由软件完成。 1 9 9 7 年为韩国浦项制铁公司研制冷轧钢板表面缺陷检测系统，系统首次将基于 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e r v en e t w o r k ，a n n ) 分类器设计技术实用于钢板 检测领域。系统可以在轧制速度为3 0 0 m m i n 的情况下，检测最小尺寸为0 5 m m 的钢板表面缺陷。h t s 系统最大的优点是对不同轧制生产线状况的适应能力非常 强。 采用线阵c c d 扫描法的系统有意大利s i p a r 公司、比利时的f a b r i c o m 公司、 英国的e u r o p e a ne l e c t r o n i cs y s t e m ( e e s ) 公司与美国c o g n e x 公司研制的检测 系统，其中后两个系统最具有代表性，e e s 公司的研究重点放在提高系统的实用 性和可靠性，增强缺陷目标的检出能力和缺陷图像的显示质量，并完善系统对环 境的有效控制能力，其热轧钢板表面缺陷检测系统己在欧美主要钢铁制造企业中 得到应用。 e e s 系统e e s 系统是目前见诸报道的为数不多的成功应用于热连轧环境下 的钢板表面质量自动检测系统之一，其在最大带宽和最高带速下具有1 0 2 m i n x 第一章绪论 2 0 3 r a m 的横纵向检测分辨率。该系统已于1 9 9 1 年在荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司热 轧生产线投入试生产运行，并为美国i n l a n d 钢铁公司和n u c o r 钢铁公司所陆续 采用。 e e s 系统的研制目标是在热连轧的恶劣环境和高速下，能够实时地提供高清 晰度、高可靠的钢板上下两表面1 0 0 无遗漏的缺陷图像，最终交由操作员进行 缺陷类型判别并进而采取相应的修正措施。该系统最为显著的技术特色在于其突 出的实用性能。 从具体实现来看，e e s 系统采用双总线结构，即v m e 总线和高速数据总线， 其中，v m e 总线支持指令、控制和低速数据，高速总线提供高速数据传输。图像 处理板采用了基于内存的高速序列比较器技术，支持每个像素f i o n s 级的预处理 操作。图形子系统可提供两种显示模式：连续显示模式和频闪显示模式，后者可 以“频闪”方式在监视器上显示并直至冻结一幅缺陷图像，可用于严重缺陷的在 线预警。此外，为获得恒定的检测分辨率和c c d 曝光量，在数据采集部分中对 于带速、线阵c c d 帧转移速率和物镜可变光阑的孔径之间进行了匹配控制。 e e s 系统中最有成效的研究工作在于对环境的有效适应能力，所采取的相应 控制手段包括：通过在摄像机前端安装一系列滤光片，可有效滤除热态钢板表面 辐射出的红外光对检测光学系统的干扰：对c c d 摄像机进行了循环水冷却，并对 照明光源采取了通风散热措施；为彻底消除钢板辐射热对检测系统前端装置的直 接影响，在距离f 7 精轧机架出口侧1 2 m 处单独设置一个密闭的现场仪表总站( 采 用空调系统进行内部冷却) ，并将c c d 摄像机和照明光源安装在总站内部；在该 仪表站下方设置了多个空气喷嘴来清除钢板表面的蒸汽、水滴、油污及灰尘等杂 质，以便更加有效地进行光学检测。 由于课题要求检测长度达到了1 8 0 0 m m ，检测精度要求0 8 m m 0 8 m m ，而由 a d 采样后每个采样点将会有8 位以上的数据长度。因此最小缺陷图像数据量起 码会达到1 8 k 1 8 k 的，倘若对该幅图像进行一些低级图像处理算法比如中值滤 波、f i r 滤波、f f t 运算则发现整个处理数据将是非常巨大的。这样，系统在低 层次数据处理方面耗费了太多的时间，势必造成了系统性能的下降。为了进一步 提高系统的测量速度，实现现场实时检测，在计算机的前端加上基于f p g a 的高 速图像处理系统中作预处理，是图像低层次处理在f p g a 中用硬件并行算法以及 其内嵌的d s p 处理模块协同作用下完成，这将会大幅提高整机性能。同时作为高 速数据处理核心的f p g a ，因其功能可以实时更新，更赋予了系统更大的智能。 1 3 高速图像处理系统 第一章绪论 由此可见，现代工业生产节奏不断加快，这对检测系统的精度和速度都提出 了更为苛刻的要求，而微电子技术( f p g a c p l d ) 的飞速进步则推动了高速图像 处理系统的发展。特别是近年来，作为可编程逻辑器件的指导厂商a 1 t e r a 和 x i l i n x 都相继把高速处理核嵌入f p g a 当中，这些努力都大幅提高了芯片的处理 能力，为高速处理提出了可能。 为了方便系统调试，系统分为图像采集系统和图像处理两部分。图像采集系 统应用c p l d 实现c c d 器件驱动逻辑，以及对c c d 积分时间、驱动频率的灵活调 节。实验阶段，接口部分采用e p p ( e n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ) 方式完成数据传 送。采集后的数据存入图像处理板内部的大容量r a m ，并由f p g a 完成数据的预 处理、低级算法、特征提取。晟后处理结果全部传入高性能计算机，并由计算机 完成更高级的处理。由于f p g a 设计灵活、编程方便、易于实现并行运算和流水 线结构。所以基于f p g a 的高速图像系统的运算速度快，现场可编程，具有很好 的适应性。同时，还大大降低了网络上传输的数据量，从而提高了整个检测系统 的测量速度。 由此可见这种设计方式在视觉检测系统中具有非常大的通用性，因此得到了 国内外的关注，许多著名的检测设备厂商如c o r e c o 、c o g n e x 、a v v i d a 都基于上 面的理论提出了各自的产品。 幽1 - 2 a w i d a 公司t s u n a m i 处理板p 图1 2 为加拿大a v v i d a 公司生产的基于a l t e r a 高性能f p g a 芯片的 t s u n a m i 处理板卡。该板卡为基于f p g a 技术的p c i 高端图像处理解决方案，板 上有超过1 6 0 0 0 0 l u t s 和2 0 0 个d s p 在以6 6 1 3 2 m h z 的速率工作，i o 速度可达 3 g b s 。f p g a 内部总线之间的传输速度可达2 g b s ，t s u n a m i 可以多板联合使用， 板间通信速度可达1 2 5 g b s ，t s u n a m i 板卡的灵活处理能力可以替代4 5 个摩托 第一章绪论 罗拉g 4 芯片和3 5 0 个i n t e lp 4 - - 2 g h z 处理器，c a m e r a l i n k 接口可以连接各种 线面扫描相机，灵活的嵌入式n i o s 处理器用于状念控制和协同c p u 处理。该板 卡已经被成功的应用于大幅面玻璃表面检测、塑料薄板表面检测、邮票分拣等相 关领域，并得到了良好应用效果。由此可见，嵌入式f p g a 完成实时图像处理检 测具有非常广阔的应用前景。用户只需把精力专著于适合于检测对象的算法描 述、搭建、编译、实现，而其余的通讯、存储器配置等都由a v v i d a 公司提供， 极大的简化了整个系统的搭建过程，使得用户可以更为专注于算法的简化、提高 从而也加快了整个系统的研制过程。 1 4 课题的主要研究内容 在分析国内外已有的技术基础上，我们根据课题检测技术指标，提出合理的 解决方案并完成样机设计。 针对客户提出的技术要求和指标，考虑到现场的环境条件，我们在分析比较 国内外典型成功系统基础上，结合现有的物质条件和技术手段，最终确定了线阵 c c d 扫描检测的检测方案。在保证数据传输率、处理能力的前提下为降低系统的 设计成本采用自行设计的方法完成c c d 驱动、基于e p p 方式的高速采集、嵌入式 f p g a 开发板的研制。主要研究工作如下： 1 )计算机视觉检测系统的研制基于对面阵和线阵c c d 的检测手法以及适 用范围的理解，确定了基于线阵c c d 的计算机视觉检测方案。 2 )应用c p l d 完成高速线阵c c d 驱动逻辑的设计，并成功设计相关的外围 电路，达到对线阵c c d 的良好驱动。 3 )基于e p p 接口的高速数据采集板卡的设计，并同时实现单帧以及连续采 集两种采集模式，为后续f p g a 提供了可靠数据。 4 )完成嵌入式f p g a 处理系统的初步设计。即应用v h d l 语言实现中值滤波、 f i r 滤波等一些基本数字信号处理算法特别是模板匹配算子的硬件实现 并完成相关软件仿真。 本文将围绕以上四个方面的工作，在后续的章节中做进一步的阐述。 第二章实时检测、采集系统设计 第二章实时检测、采集系统设计 2 1 图像传感器介绍 6 0 年代末期，美国贝尔实验室w s 波涅尔、g e 史密斯等人发现了电荷通 过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一概念和一维c c i ) 器件模型， 同时预言了c c d 器件在信号处理、信号存储及图像传感中的应用前景。特别是 7 0 年代后期，许多公司相继研制成功了面阵和线阵c c d ( c h a r g e dc o u p l ed e v i c e ) 器件。c c d 是一种利用内光电效应由单个光敏元构成的光传感器的集成化，它集 电荷存储、移位和输出为一体，应用于成像技术、数据存储和信号处理电路等。 其中作为固体成像器件最有意义：像素的大小及阵列固定，很少出现图像失真， 比传统摄像仪体积小、重量轻、工作电压低、可靠性高、动态范围大等特点。根 据不同用途的需要，已经研制出多种规格的c c d 传感器，并正向高灵敏度、高密 度、高速度和宽光谱响应方向发展。目前，c c d 图像传感器已成为摄像机、数码 相机、扫描仪等多媒体系统的核心部件。 c c d 器件由许多光敏单元组成，每个单元就是一个m o s 电容器。它是在p 型衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1 0 0 0 a 1 5 0 0 a 的n ，再在 s i 0 2 表面镀一层金属层( 多晶硅) ，在衬底和金属电极问加上一个偏置电压，于 是构成了一个m o s 电容器。感光元件按照线状排列形成线阵c c d ，施以不同的驱 动脉冲即可完成光敏数据的产生和转移。依据单元的排步方式可分为线阵、面阵、 环形c c d 。基于c c d 具有的数据准确、直观、高速等特点，国内外普遍应用线阵、 面阵c c d 组建图像检测系统，但受限于两种c c d 的不同制造工艺，两种方法的适 用范围各不相同。下文通过分析两套检测系统的各自特点并结合本课题所提出的 设计要求以确定检测系统方案。 2 2 检测方案的提出 昏胚昏型层极首 漏 屠 体 剧 导 第二章实时检测、采集系统设计 2 2 1 现有检测方案的比较 酗2 2 基于面阵c c d 的检测方案 图2 2 为应用面阵c c d 搭建的系统，该系统应用高亮度高均匀性的光源对 代测板面进行照明，随后应用多台面阵c c d 并针对明暗域照明区域完成对整幅 代测表面图像获取。每台面阵c c d 所获取的数据都跟随一台高性能计算机进行 处理，处理后的结果送至最终的服务器系统完成系统的数据处理、整理。之所以 系统需要多台c c d 的拼接完全是因为工业界受制造工艺的限制无法低成本的获 得高像素的面阵c c d 。因此对于小幅面的待测工件，面阵c c d 具有非常好的应 用前景。 受制造 工艺影响，相 比面阵c c d 线阵c c d 成 像范围非常 宽广，图2 3 为系统示意 图。系统用高 亮度光纤光 源或者高亮 度l e d 完成 对待测工件 图2 3 线阵c c d 的检游方案 8 第二章 实时检测、采集系统设计 表面的照明，由于其感光面是单线排列的，因此照明面积也仅仅集中在非常有限 的空间内。由其的制造工艺特点线阵c c d 司以达到非常高的像素，在宽幅面的 检测中，具有非常巨大的应用潜力。 面阵c c d 构成的系统具有非常良好的扩展性，并且因为采的图样具有直接 可读性可以非常容易的借用很多成型的图像处理方法。但同时如前面所说受限于 其较小的像元数，每个传感器所检测的面积非常有限因此势必会引入许多传感器 才能完成对整个幅面的检测。这样，为保证数据的完整性多台面阵c c d 必然存 在检测重叠区，这样的检测必然会带来了大量的冗余数据，为后续的检测提高了 处理压力，同时多台面阵c c d 的引用也会对照明设备的均匀性提出了非常高的 要求。 图2 4 线、面方法比较 2 2 3 检测方案的确定 利用当前的图像传感器，获得的图像信号大致可以分为模拟与数字两种，数 字信号相比模拟信号具有低噪、高速等特点，特别是近年来提出的c a m e r a l i n k 方式更是应用l v d s ( l o wv o l t a g ed i # t ms i g n a l ) 技术使i o 速率达到了1 9 g b p s ， 解除了以往的采集瓶颈问题。c c d 中获取的视频信号都是模拟信号，这势必导 致系统需要一个模拟数字的转换过程，实验样机中选用中速的e p p 接口完成数 字信号的采集并为后续高速处理提供经验。在后续的f p g a 嵌入式处理系统中， 许多图像底层算法，特别是以f i r 滤波为代表的模板算子往往都需要根据缺陷状 况确定模板的大小、参数的选用，图像数据按照逐行输入的方式更容易发挥 f p g a 的结构优势。因此按照系统的整体设计结构，基于线阵c c d 的检测方案 是比较合适的方案。 第二章实时检测、采集系统设汁 另一方面，线阵c c d 在相同造价的条件下具有更多像素，即使在检测大幅 面工件时也不需要做太多的扩展，同时其的驱动频率要大大高于面阵c c d 因此 特别适合高速检测系统。但同时该方法也存在下述弊端，数据需要进行组合方能 显示，没有面阵c c d 那么直观，许多图像处理算法无法直接使用，同时该方法 特别容易受外界环境如振动等因素影响。但结合课题的设计要求： ( 1 ) 检测系统具有对钢板表面的气泡、夹杂、结疤、划伤和压痕等主要缺陷进 行计算机视觉的无损检测功能； ( 2 ) 横纵向检测分辨率为0 g r a m 0 8 m a n ； ( 3 ) 单台检测系统检测钢板宽度小于或等于1 8 0 0 m m ； ( 4 ) 系统正常运行范围：钢板运行速度( 0 1 5 m s ) ，钢板跳动振幅不大于l m m ； ( 5 ) 缺陷尺寸检测误差不大于1 w a m ( 6 ) 计算机视觉检测系统对各种主要缺陷具有自动进行识别和处理的能力，如 缺陷的分类，并对其形状、尺寸、面积及其坐标位置等特征参量进行自动计算； ( 7 ) 计算机系统对检测出的缺陷及其特征参量具有自动存档、屏幕显示、打印、 存储和报警功能： ( 8 ) 计算机视觉检测系统在硬件和软件上应具有足够的可扩展能力和接口。 综合上述两个方面的考虑，特别是针对本课题具体设计条件，确定基于线阵 c c d 的检测方案。 2 3 线阵g e l ) ( t c d l 2 0 8 ) 驱动系统设计 在实验系统中我们选择了日本东芝公司生产的线阵c c d t c d l 2 0 8 a p 。尽管它 的动态范围仅为7 5 0 ，但是它具有高灵敏度、低暗电流的特性，而且它的光谱范 围是4 0 0 n m 到1 0 0 0 n m ，峰值响应波长为5 5 0 n m ，这与荧光灯光源的光谱相匹配， 正好符合我们实验系统的要求。t c d l 2 0 8 a p 有效像元数为2 1 6 0 像元，像元尺寸： 1 4 um 1 4 u i l l ( 相邻像元中心距为1 4 肚m ) ，单电源5 v 供电，5 v 脉冲驱动。具体 特性参数如表2 - 1 所示。 为了使t c d l 2 0 8 a p 很好的工作，必须设计c c d 器件的驱动器。好的c c d 驱动 电路在时序参数和接口驱动上都能很好的满足要求，这直接影响着视频输出信号 的质量，决定着实验的线阵c c d 摄像机的品质参数。 t c d l 2 0 8 a p 的驱动脉冲由中1 、( 9 2 、r s 、s h 、s p 组成。其中中1 、q ) 2 为移 位寄存器驱动脉冲，又称时钟脉冲；r s 为复位脉冲；s h 为帧转移脉冲，它的 周期决定光积分时间( 扫描时间) ；s p 为采样保持脉冲。t c d l 2 0 8 a p 器件内部设 有采样保持电路，所以t c d l 2 0 8 a p 输出信号去掉了调幅信号的脉冲成分，输出幅 第二章实时检测、采集系统没计 表2 - 1t c d l 2 0 8 各项参数表 特性参数表示符号最小值典型值最大值单位 旯敏度 r8 21 1 01 3 8 v l x s 响应不均匀度 p r n u1 0 饱和输出电压 v s 盯0 6 1 5 v 饱和曝光量 s eo o ll x s 暗信号电压 26m v 暗信号不均匀度 d s n u 3 7 m v 直流功耗 p d5 0i 0 0m w 总转移率 | r t e9 2 动态范嗣 d r7 5 0 视频信号输出电压 v o s33 54 5v 补偿信号输出电压 v d o s33 54 5 v 差压直流值v 瞧一v 呲l 5 0i 0 0m v 驱动时钟频率 f m0 1 50 51 om h z 复位时钟频率 f r s 0 31 o2 0删z 度直接反映了像敏单元的照度。如图2 5 所示，为了扫尽上行残存的信号电荷， 该器件结构上在感光区多设了4 0 个哑元( 含暗电流信号) 信号，扫描逆程即休 止期多设了1 2 个哑元，所以一个s h 信号周期内共有2 1 6 0 + 4 0 + 1 2 = 2 2 1 2 个像 元输出。这些驱动脉冲输入c c d 器件，使c c d 器件完成光电转换，得到两路输出 o s ( 视频输出) 、d o s ( 补偿输出) 信号。 卜 o 型竺望竺竺坐坐一 “厂1 * 一一廿* 一 。一、。 = ：2： ；#i ；l；霉 i；。 “厂- 几nn ；5 几几n 几nn 门l j 几n 几nn n n 几n 几门nn 门广 一 n 几j _ 曲几1 _ 几几几n ，、几n 几几八j q 几nn 几n 几几“几 广 ； “j l u j u u l 肌j u m f u l j u u l 心j u u l j u | j u 吼j u u 日i u i j u 删n nnnnn j u u u in 目n 唧日nnnn o * 1 n m n 几n n 几n 几曲九n 几n n 几n n n 九n n n n n n 几n 门n n n n 几几 n 几几几n 几n n n 几n n 兀几 九n 几n n 广 一f = 阿= 九刮 m i r n iht t m t b r p t l l e n l ：l 洲t 帅 n imf m q 图2 5t c d l2 0 9 a p 驱动时j 苹图 1 1 第二章实时检测、采集系统设计 2 3 1t c d i2 0 8 a p 驱动时序的产生 c c d 的驱动可以应用原厂配备的专用驱动电路，但一般为降低设备成本多采 用自制驱动的方法。对于c c d 器件驱动时序的产生，传统的几种常见的产生方法 有分离器件驱动方法、单片机驱动方法、e p r o m 驱动方法、专用t c 驱动方法、 可编程逻辑器件法等。下面分别加以分析。 1 、分离器件门电路驱动方法 这种方法是用分离数字门电路搭接而成c c d 驱动时序所需的电路，这种电路 一般由振荡器、单稳态触发器、计数器和与非或等门电路构成，这种电路的门级 延时无法精确控制，而且体积比较庞大，逻辑设计较为复杂，调试较为困难。 2 、单片机驱动方法 主要依靠程序的编程直接输出驱动时序信号。这种方法中驱动时序是靠程序 指令间的延时产生，一般来说要占用全部c p u 的时间，而且为了严格保证时序， 在驱动过程中都禁止中断。这种驱动产生方法具有调节灵活的特点，编程也较为 简单。但是由于单片机输入晶振时钟的限制，不适合高频驱动时序的产生。 3 、e p r o m 驱动法 这种驱动一般由晶振、计数电路和e p r o m 构成。在e p r o m 内存放驱动c c d 的所有时序信号的数据，由计数电路构成地址发生器使使e p r o m 输出驱动脉冲。 这种方法结构简单明确，调试简便，缺点是电路尺寸比较大。 4 、专用i c 驱动 这种方法就是利用c c d 驱动专用i c 来产生驱动时序。这种i c 电路是专为驱 动特定器件设计，所以具有集成度高、功能强和使用方便的优点，然而在实验中， 我们无法根据自己的实际需要来调节相应参数，自然受到了限制。 5 、可编程逻辑器件 2 0 世纪8 0 年代后，在原有可编程器件p a l ，g a l 等的基础上产生了诸如c p l d 、 f p g a 等可编程逻辑器件，这些器件不但能够非常方便的实现复杂的组合、时序 逻辑，同时基于其自身的良好的可编程性，具有非常好的可修改性。本课题中考 虑到本课题的复杂度试图应用a l t e r a 公司的c p l d 器件来完成驱动逻辑的产生。 a l t e r a 公司的c p l d 芯片e p m7 0 6 4 s l c 4 4 一1 0 作为硬件开发平台，采用原 理图与v h d l 硬件描述语言相结合的输入方法，设计了t c d l 2 0 8 a p 的驱动时序逻 辑，并用m a x p l u si i1 0 2 软件进行了时序仿真，产生了p o f 编程文件，最后 对e p m 7 0 3 2 进行了编程，实验表明，得到很好的效果。 各路驱动波形的产生方法步骤如下： 1 、时钟晶振的分频 采用经典的晶振产生电路( 由无源的1 6 m h z 两脚晶振、7 4 h c 0 4 非门和电阻、 第二章 实时检测、采集系统设计 电容构成) 产生晶振信号再经过7 4 h c 0 4 非门对时钟信号进行缓冲、整形，得到 时钟信号o s c 输入e p m 7 0 6 4 的g c l k 端作为主时钟信号c l k ，c l k 经过2 、3 、4 、 8 分频分别得到f r e q 2 、f r e q 3 、f r e q 4 和f r e q 8 四路时钟信号；这四路时钟信号 进入7 4 1 5 3 m 选择器，两个外部信号s o 、s 1 输入引脚输入c p l d ，作为选择器的 选择端，实现主时钟的频率选择，这样我们可以通过将s 0 、s l 信号置高或置低 方便的实现c c d 主振频率的选择，输出下面用到的s p 、r s 、f i r 产生的时钟c l o c k 信号。需要说明的是，之所以将c l k 信号进行2 、3 、4 、8 分频，是由1 6 m b z 晶 振和t c d l 2 0 8 a p 的r s 时钟频率介于0 4 m h z 和1 6 m t t z 之间这两个条件决定的。 2 、r s f 、s p f 、f i r 脉冲的产生 仔细分析t c d l 2 0 8 的时序参数，将c l o c k 信号作为产生r s f 、s p f 和f i r ( 产 生s h 、p e 信号的计数器的时钟信号) 的时钟，其中r s f 、s p f 分别为复位脉冲信 号、采样脉冲信号的保持信号的反相信号。用v h d l 语言编写一个状态机，使得 产生的r s f 、s p f 、f i r 和c l o c k 信号的相位关系如图4 5 所示。 - - c l o c k1 ：几r n 厂 广 厂r 几厂 r 厂 几r 几r 厂 厂 掌s p f 1 门ij u ：。一：i 。i ；：l 掌r s f1 一一h ： ：= 禹= ：= n = ： 用。 o f i r0 图2 - 3 各种时序信号相位关系图 3 、m 1 、中2 、s h 、p e 信号的产生 上面产生的f i r 信号，作为1 6 c u d s l r c p l d 内部1 6 位计数器的时钟，采 用传统的分离器件中计数分频的方法，经过与非等逻辑，产生了所需要的时钟脉 冲中1 、巾2 和帧转移脉冲s h 以及像元有效信号p e 。需要说明的是，由于有效视 频信号的到来前有无效哑元信号，为了减少数据的冗余，产生p e 信号屏蔽掉这 些哑元信号，避免了无效像元的读入，因此采用p e 作为帧同步信号比s h 更好。 4 、i n l i n 4 积分时间控制信号 作为c p l d 器件的输入信号，通过i n l i n 4 四路信号可以实现软件上对积分时间 的调节，在c p l d 内部，i n l i n 4 四路信号通过选择器、分频器逻辑同步控制产 生s h 、p e 信号的脉宽和周期，达到了积分时间从l 到1 6 倍的灵活调整。 如图2 - 6 所示，c p l d 输出的驱动脉冲s h f 、f i1 f 、f 1 2 f 和r s f ，根据t c d l 2 0 8 的数据手册，t c d l 2 0 8 的f 1 1 、f 1 2 引脚的负载电容值为2 0 0p f 3 0 0 p f ，s h 引 脚的负载电容值为l o o p f 2 0 0 p f ，r s 引脚的负载电容值为l o 3 0 p f ，因此为了 驱动其中大的容性负载，我们需要设计大电路、低输入阻抗的驱动电路，因此我 们在s h f 、f 1 1 f 、f 1 2 f 和r s f 脉冲后加了一级7 4 h c 0 4 非门驱动c c d 器件，以弥 补c p l d 输出驱动能力的不足和得到正确相位的驱动脉冲；而为了抑制时钟信号 第二章实时检测、采集系统设计 传输的串扰和阻抗匹配，分别在f 1 1 、f 1 2 和r s 引脚前串联一个1 0 0 q 2 0 0 q 的小电阻。这样我们在时序参数和驱动能力上都满足了c c d 驱动电路的要求，得 到了光电转换后的视频信号0 s 、补偿信号d o s ，这两路信号经过射随电路进行阻 抗变换，输出v o s 和v d o s 信号进入c c d 的视频信号调理电路。 图2 - 6t c d l 2 0 8 a p 驱动电路 整个驱动电路具有如下特点： 1 、整个驱动电路逻辑产生主要由一片c p l d 完成，鉴于e p m 7 0 6 4 的特点，我 们可以严格的控制片内门级延时的时间，这样通过合理的时序逻辑可以精确的满 足驱动时序的要求，使得c c d 更平稳的工作； 2 、由于c p i d 可以自定义i o 引脚，所以在制作p c b 线路板时可以尽量保证 r s 、p e 、s p 、巾l 、中2 、s h 等时钟和信号线尽量的短，这样可以减小布线不合 理带来的干扰； 3 、驱动电路实现硬件手动调节