圖像處理和達芬奇技術(shù)在紡紗斷線檢測中的應用

王銘銘，方千山，顏佳泉，王 勝

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021）

圖像處理技術(shù)發(fā)展日益成熟的今天，其應用已涉及到生活中的各個方面。由于圖像處理技術(shù)具有無接觸、成本低及可靠性好的優(yōu)勢，使其在工業(yè)過程監(jiān)測和產(chǎn)品殘缺檢驗等方面?zhèn)涫芡瞥纭＜徏啍嗑€檢測系統(tǒng)是根據(jù)實際需要應運而生的產(chǎn)品，目前國內(nèi)尚無此類檢測設備，國外大多采用基于PC的圖像處理技術(shù)來進行檢測，可以滿足在線檢測的高實時性和高可靠性的要求，但價格昂貴、產(chǎn)品維護麻煩等缺點給國內(nèi)的客戶帶來諸多不便。本文采用Davinci處理芯片和圖像處理技術(shù)以對紡紗過程進行斷線檢測和監(jiān)控，設計了一套紡紗斷線檢測的嵌入式系統(tǒng)。

1 Davinci技術(shù)介紹

Davinci（達芬奇）平臺是典型的基于共享式存儲的嵌入式處理環(huán)境，其關(guān)鍵技術(shù)在于片內(nèi)實現(xiàn)了多通道的交換中心資源。美國TI公司于2005年推出的高集成度Davinci數(shù)字視頻處理芯片TMS320DM6446集成了ARM子系統(tǒng)、DSP子系統(tǒng)以及視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）等模塊，是一個高集成度的視頻處理芯片[1]。其中，ARM子系統(tǒng)采用ARM926EJ-S內(nèi)核CPU，工作頻率高達 297 MHz；DSP子系統(tǒng)采用TMS320C64x+內(nèi)核CPU，其內(nèi)核構(gòu)建在VelociTI.2體系結(jié)構(gòu)的基礎上，并以其C64+內(nèi)核的先進超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，獲得當前應用設備所需要的極高性能，其內(nèi)核最高工作頻率高達594 MHz；視頻處理子系統(tǒng)包括用于視頻捕獲的視頻前端（VPFE）輸入接口和用于圖像顯示的視頻后端（VPBE）輸出接口，十分適合用于高速視頻/圖像處理方面的設計[2-3]。

2 系統(tǒng)原理與設計

本系統(tǒng)選用面陣CCD攝像頭用于前端的圖像采集，采用ARM和DSP雙內(nèi)核的處理器對采集到的圖像進行實時處理并控制相關(guān)的外圍設備，實現(xiàn)一個完整實用的小型紡紗斷線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

2.1 圖像采集模塊設計

本設計采用MTSC制式的面陣數(shù)字CCD攝像頭對紡紗圖像進行采集，其輸出為模擬RGB信號，輸出圖像大小為720×480。圖像采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。對于圖像采集來說，光源是影響圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，尤其紡紗車間中環(huán)境一般比較惡劣，光線不均勻、空氣中粉塵較多等環(huán)境因素會帶來很大的噪聲干擾。為了減少這些干擾則需要設計一個輔助光源。考慮到LED照明光源具有體積小、重量輕、光源單色性好，發(fā)光亮度高、亮度便于集中調(diào)整等優(yōu)點，本設計采用LED燈作為照明光源。無光源下的紗線圖像及LED光源下的紗線圖像分別如圖3和圖4所示。

圖2 圖像采集模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 無光源下的紗線圖像

圖4 LED光源下的紗線圖像

2.2 圖像傳輸設計

CCD攝像頭輸出720×576的模擬 RGB格式圖像信息。而對于 YUV 4：2：2格式的圖像來說每 4點 Y采樣，只有 2點 Cb（U）和 2點 Cr（V），這種格式中，色度信號的掃描線數(shù)量和亮度信號一樣多，但是每條掃描線上的色度采樣點數(shù)卻只有亮度信號的一半，因此圖像數(shù)據(jù)量比RGB的小。此外，對于DM6446的視頻處理子系統(tǒng)前端VPFE來講，處理YUV格式的圖像比處理RGB格式的圖像更為方便和省時。因此本設計采用TVP5150編解碼芯片對CCD輸出的RGB圖像信息進行格式轉(zhuǎn)換[1]。

圖像信息數(shù)據(jù)量大，傳輸速度一般較慢，消耗很多時間，嚴重制約著系統(tǒng)實時性的提高。如何解決高速的CPU與相對較慢的圖像傳輸之間的矛盾成為圖像處理設計的一個難題。本設計通過在編解碼器和CPU之間加入FIFO緩存模塊來解決這個問題。系統(tǒng)工作時，在DM6446的ARM核控制下，從編解碼器輸出的圖像數(shù)據(jù)先后存入FIFO存儲器中，當FIFO半滿時，通知DM6446并引發(fā)一個中斷，此時DM6446開始從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，并分批以DMA方式傳送至DM6446的外部存儲器，這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和圖像處理的并行工作，大大減少CPU的中斷次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。圖像采集和傳輸?shù)牧鞒虉D如圖5所示。

圖5 圖像采集與傳輸流程圖

2.3 圖像處理算法設計

對于圖像處理而言，算法設計是非常重要的環(huán)節(jié)。算法不僅決定圖像處理的質(zhì)量，還直接關(guān)系到處理的速度，進而對實時性影響較大。一般在視覺檢測系統(tǒng)中，所應用的圖像處理算法主要包括圖像增強、圖像平滑、邊緣檢測、圖像分割、特征抽取和圖像識別等內(nèi)容[4-5]。根據(jù)本設計的特定環(huán)境和需要，需要涉及到圖像平滑、二值化和圖像識別等幾個模塊。

圖像平滑的目的即是要消除原始圖像的噪聲。中值濾波對隨機噪聲有非常理想的降噪能力，它在有效抑制椒鹽噪聲的同時模糊效應也較低，因此本文采用中值濾波算法對圖像進行平滑。濾波后的紗線圖像如圖6所示。二值化是把所得到的YUV格式的圖像信息中的Y分量（即亮度信號）與一個閾值相比，從而使亮度值變成0或255的過程。二值化后的圖像亮度就0和255兩個值，因此對后續(xù)的處理和識別提供很大的便利。二值化后的紗線圖像如圖7所示。邊緣檢測是為了突出圖像中的邊緣信息，可以得到清晰的邊緣圖像。本設計采用Sobel算子的方法提取紗線的邊緣。提取邊緣之后需要對圖像進行判斷。是否斷線可以通過跟所在的像素段內(nèi)的灰度值大小判斷，所在像素段內(nèi)的灰度值小于一個適當?shù)闹祫t認為線已斷開。邊緣檢測后的紗線圖像如圖8所示。

圖6 濾波后紗線圖像

圖7 二值化后紗線圖像

圖8 邊緣檢測后紗線圖像

2.4 顯示與控制模塊設計

顯示部分選擇320×240的LCD液晶顯示器。控制模塊包括控制機器的繼電器和報警兩部分。經(jīng)過圖像處理之后，如果檢測到有紡紗斷線，一方面需立即觸發(fā)繼電器，使紡紗機停止運轉(zhuǎn)，另一方面控制報警電路報警，提醒工人進行處理。報警部分采用蜂鳴器和發(fā)光二極管組成的聲光報警電路。報警與控制電路如圖9所示。

圖9 報警與控制電路示意圖

本文以Davinci系列的TMS320DM6446為控制核心，利用圖像處理技術(shù)來在線檢測紡紗斷線。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面采用FIFO緩存的方式實現(xiàn)圖像處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿泄ぷ鳎趫D像算法方面又力求算法的簡潔快速，從而保證在線檢測的高實時性。將嵌入式技術(shù)和圖像處理應用到紡紗領(lǐng)域，具有實時性好、穩(wěn)定性高的特性，可以緩解紡紗企業(yè)難以購買昂貴的外國設備和維修不便的難題。

[1]張起貴，張勝，張剛.最新DSP技術(shù)——“達芬奇”系統(tǒng)、框架和組件[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]徐鵬，皺浩斌.基于達芬奇技術(shù)的 TM320DM6446視頻研究[J].電子產(chǎn)品世界，2006（2）：135-137.

[3]Texas Instruments.TVP5150PBS Ultralow-Power NTSC/PAL Video Decoder.http：//www.ti.com，2012-05-01.

[4]馬美麗，馬義忠，張永忠.圖像處理技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品測量中的應用[J].電子設計工程，2010，3（3）：6-7.

[5]郎培.基于ARM+DSP實時圖像處理系統(tǒng)的研究[D].天津：天津理工大學，2007.

[6]Texas Instruments.TMS320DM6446 Digital Media Systemon-Chip.http：//www.ti.com，2012-05-01.