基于集成DSP的視頻處理卡在機(jī)器視覺(jué)中的應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)(Machine Vision)是以機(jī)器模仿人類(lèi)視覺(jué)的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，他利用攝影機(jī)和電腦擷取、分析及解釋影像內(nèi)容，進(jìn)而下達(dá)某些決策。由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀測(cè)的對(duì)象無(wú)接觸，因此對(duì)觀測(cè)與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠。

1機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)成

機(jī)器視覺(jué)一般由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：照明部分；光學(xué)系統(tǒng)，包括圖像傳感器和照相機(jī)；圖像采集卡/圖像數(shù)字化儀，掃描儀；可視的多路傳輸器；工業(yè)計(jì)算機(jī)；控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖1所示。

2傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中存在的問(wèn)題

機(jī)器內(nèi)存中的工作由主機(jī)CPU來(lái)完成。在一些圖像數(shù)據(jù)量大且算法較復(fù)雜的情況下，單機(jī)的CPU往往無(wú)法實(shí)時(shí)完成運(yùn)算量。這時(shí)需要由若干臺(tái)計(jì)算機(jī)組成一個(gè)局域網(wǎng)，其中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像下面以弘達(dá)儀器公司開(kāi)發(fā)的銅箔板表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)為例具體說(shuō)明。銅箔板表面質(zhì)量在線檢測(cè)要求對(duì)線上的銅箔板進(jìn)行非接觸在線檢測(cè)，該種板的尺寸為1240mm×1080mm(寬×長(zhǎng))，流水線速率為0.5m/s；自動(dòng)識(shí)別各種瑕疵如劃痕、氧化點(diǎn)、墊傷、異物等；檢測(cè)精度為0.2mm。

由于項(xiàng)目要求檢測(cè)精度較高，流水線速率較高，導(dǎo)致了圖像處理數(shù)據(jù)量的龐大?；谀壳暗挠?jì)算機(jī)處理速度，單機(jī)是無(wú)法完成檢測(cè)任務(wù)的，所以他們采用基于局域網(wǎng)的多機(jī)并行處理系統(tǒng)。(如圖2所示)每臺(tái)計(jì)算機(jī)所連接的攝像機(jī)只負(fù)責(zé)檢測(cè)鋼板的一部分表面(1/4的鋼板表面)。



根據(jù)系統(tǒng)的要求他們采用了4＋1的方案，即4臺(tái)客戶計(jì)算機(jī)接4只CCD攝像機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，將數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)揭慌_(tái)服務(wù)器，所有客戶機(jī)的數(shù)據(jù)在服務(wù)器進(jìn)行整合后，給出檢測(cè)結(jié)果。

銅箔板表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的這種解決方案的缺陷顯而易見(jiàn)，該套系統(tǒng)總共配置了5臺(tái)計(jì)算機(jī)，成本高昂，而且系統(tǒng)比較復(fù)雜，可靠性降低了。

2.1改進(jìn)方案

通過(guò)在每塊圖像采集卡上集成高性能的DSP芯片而構(gòu)成高速圖像處理卡，由DSP替代計(jì)算機(jī)的CPU進(jìn)行圖像處理。這時(shí)DSP相當(dāng)于上述解決方案中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU。進(jìn)一步通過(guò)在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上插置4塊這種高速卡，由主機(jī)的PCI總線控制器負(fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)4塊高速圖像處理卡對(duì)總線的占用。這時(shí)主機(jī)的CPU 相當(dāng)于上述解決方案中的服務(wù)器。這樣就節(jié)省了PC機(jī)的開(kāi)銷(xiāo)，大幅度降低了成本。圖3給出這種高速圖像處理卡的硬件原理圖。



2.2硬件線路關(guān)鍵部分詳解

攝像機(jī)將捕捉到的視頻信號(hào)輸入到ADC后，數(shù)字化。然后數(shù)字視頻信號(hào)輸入到高速FIFO中。一旦FIFO中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)快滿時(shí)，DSP將這些數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部RAM中，進(jìn)行數(shù)字視頻信號(hào)的算法處理。圖像處理算法對(duì)各種瑕疵如劃痕、氧化點(diǎn)、墊傷、異物等進(jìn)行檢測(cè)，并與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于超標(biāo)的，進(jìn)行紀(jì)錄。DSP將最后的運(yùn)算結(jié)果輸入給PCI總線控制器。 PCI總線控制器以DMA方式將運(yùn)算結(jié)果傳到主機(jī)的內(nèi)存中。這時(shí)主機(jī)的CPU相當(dāng)于上述方案中的服務(wù)器，他只對(duì)4片集成高速DSP的視頻處理卡處理后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不做圖像的算法處理。下面結(jié)合具體的芯片，介紹一下集成DSP的高速圖像處理卡(芯片的型號(hào)與具體應(yīng)用相關(guān))。

ADC芯片可以選Philips的SAA7114，SAA7114支持NTSC/PAL/SECEM制式，A/D轉(zhuǎn)換精度是9b，并行輸出8b視頻輸出帶為27 MHz。每一個(gè)時(shí)鐘周期(1/27MHz)并行輸出1個(gè)字節(jié)，除了輸出數(shù)字象素外，SAA7114還輸出時(shí)鐘信號(hào)以同步?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置SAA7114的相關(guān)寄存器來(lái)控制SAA7114輸出圖像的尺寸。

同步FIFO可以選擇TI公司的SN74ACT7881，大小為1024b×18，同步FIFO與SAA7114的接口速度為27MHz，寬度為 8b。FIFO與DSP的接口速度可以配置為81MHz，寬度為16b。當(dāng)FIFO中快寫(xiě)滿數(shù)據(jù)時(shí)，給DSP發(fā)出控制信號(hào)以使DSP產(chǎn)生中斷，取走 FIFO中的數(shù)據(jù)。

為了和PCI總線控制器接口，DSP需要支持PCI接口。DSP可以選取TI的TMS320C6414。該款DSP除了支持PCI接口外，主頻高達(dá)到 500MHz，流水線深度為8級(jí)，這樣峰值運(yùn)算能力可達(dá)到4000 MI/s。FIFO可直接與DSP的外部存儲(chǔ)器接口。DSP的外部存儲(chǔ)器接口通過(guò)EDMA(增強(qiáng)型DMA)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP的內(nèi)存中。EDMA的傳輸由 FIFO的同步信號(hào)來(lái)觸發(fā)。6412的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為修正哈佛結(jié)構(gòu)，即分為兩級(jí)存儲(chǔ)：L1P/L1D/L2P分別為16kB/16kB/1024kB。通過(guò)設(shè)置相關(guān)的寄存器，可以將L2P分割為不同比例的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。處理銅箔板表面質(zhì)量情況的圖像處理算法放置在L1P和分割出的L2P中，而通過(guò)FIFO輸入的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)就放在L1D和分割出的L1P中。編譯好的圖像處理算法的二進(jìn)制文件燒置在外部FLAH中，上電后程序映射到SDRAM中。 FIFO、SDRAM、FLAH都是通過(guò)DSP的外部存儲(chǔ)器接口局部總線(EMIF)和DSP相接。

6414的PCI接口符合PCI2.2規(guī)范：32b，33MHz，傳輸速度為132MB。PCI總線控制器可選PCI9054。DSP將最后的運(yùn)算結(jié)果傳輸?shù)絇CI9054的FIFO中。一旦9054檢測(cè)到PCI總線空閑，就將FIFO中的數(shù)據(jù)發(fā)出。由于在PCI 總線上，基本的傳輸機(jī)制是一次成組傳輸(burst)，一次burst通常由一個(gè)地址周期和一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)周期組成。這種線性突發(fā)傳輸方式可以確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù)，能有效地運(yùn)用總線頻率帶寬去傳輸數(shù)據(jù)，減少無(wú)謂的尋址作業(yè)。PCI獨(dú)特的同步操作功能可確保微處理器能與這些總線主控同時(shí)操作，一旦PCI總線空閑，高速圖像處理卡馬上將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存中，無(wú)需等待CPU操作完成。

3結(jié)語(yǔ)

集成DSP的高速視頻處理卡可廣泛應(yīng)用到機(jī)器視覺(jué)所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域以減少成本，增加可靠性。以產(chǎn)品表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，集成DSP的高速視頻處理卡就可以應(yīng)用到鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的冷軋鋼板、鍍鋅鋼板等彩鋼板的表面質(zhì)量檢測(cè)；造紙生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)紙張表面(包括厚度)質(zhì)量的檢測(cè)；塑料生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)表面質(zhì)量要求較高的塑料制品的表面檢測(cè)；電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)表面質(zhì)量要求較高的器件表面質(zhì)量檢測(cè)，如晶圓表面質(zhì)量檢測(cè)等。

在一些特殊的工作環(huán)境里，對(duì)主機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性和體積等有著苛刻的要求(如礦山、超市的監(jiān)控)?；赑C機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在這種場(chǎng)合下可能不符合要求，這時(shí)可以設(shè)計(jì)嵌入式的系統(tǒng)：參照?qǐng)D3只需做少許改動(dòng)即可：即集成DSP的高速圖像處理卡的最后端不接PCI總線控制器9054，而是接一個(gè)CPU(如 ARM或者PowerPC)，在其上移植操作系統(tǒng)如嵌入式的Linux從而構(gòu)成一個(gè)嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)以滿足特殊的要求。