基于FPGA的目標(biāo)顏色識別系統(tǒng)

戴翊斌 陳悅 蔣源

摘要：針對AGV全自動視覺引導(dǎo)小車設(shè)計了一種基于FPGA的顏色識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用OV7670對于路面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，F(xiàn)PGA顏色識別系統(tǒng)將對BRAM進(jìn)行操作，讀取BRAM的數(shù)值到SRAM中，使用閾值判定法對于識別的物體進(jìn)行顏色識別。該系統(tǒng)能適應(yīng)AGV運輸小車的高時序性要求的特性，提升了小車在運行時的精度與速度，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：FPGA;顏色識別;SRAM;閾值判定法;AGV

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0097-02

0 引言

為適應(yīng)現(xiàn)階段現(xiàn)代化生產(chǎn)高度的集成化、柔性化和協(xié)同化，適用于生產(chǎn)的自動引導(dǎo)小車（AGV Automated Guided Vehicle）在柔性生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，隨著現(xiàn)代工業(yè)信息化、自動化， 生產(chǎn)過程中[2]，顏色識別在生產(chǎn)應(yīng)用上有著良好的發(fā)展優(yōu)勢。顏色是一個模糊的概念，采用量化和傳統(tǒng)的傳感器是不夠的[3]。顏色識別也不斷的向智能化的方向發(fā)展著，有著極大的開發(fā)潛力與前景。為了更好的適應(yīng)生產(chǎn)需求人們在視覺引導(dǎo)[4]上試圖尋找一個更加方便的方式，本文針對AGV全自動視覺引導(dǎo)小車設(shè)計出一套基于FPGA的顏色識別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體實現(xiàn)流程

基于FPGA的目標(biāo)顏色識別系統(tǒng)，系統(tǒng)整體流程圖如圖1所示。

使用攝像頭對要識別的顏色進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的信息保存在FIFO中，通過數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的信號保存在FPGA的RAM中，通過調(diào)用RAM數(shù)據(jù)，使用閾值判定法，進(jìn)行顏色識別，驅(qū)動VGA接口，將攝像頭采集到的圖像實時的顯示在顯示屏上。

2 圖像采集原理與實現(xiàn)

使用LCD顯示屏通過VGA轉(zhuǎn)換接口顯示攝像頭采集到的目標(biāo)顏色數(shù)據(jù)，圖像采集流程如圖2所示。

主控芯片使用Xilinx Artix-7 FPGA控制器，主頻100Mhz，對100Mhz的主時鐘進(jìn)行分頻，得到適應(yīng)于VGA模塊正常工作的時鐘頻率。VGA掃描顯示其實就是兩條線，一個是行掃描，一個是場掃描，在行有效和場有效的時候把數(shù)據(jù)發(fā)送給VGA得到圖像。顯示標(biāo)準(zhǔn)是行分辨率×列分辨率，本系統(tǒng)行像素是320個像素點，列像素是480個像素點，一秒鐘刷新40次。FPGA將攝像頭上傳到BRAM中的圖像像素的數(shù)值上傳到SRAM中，BRAM連續(xù)的讀取攝像頭上傳的數(shù)值，F(xiàn)PGA對SRAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的更新，最終在顯示屏上實時更新攝像頭圖像。

3 顏色識別實現(xiàn)

3.1 顏色組成原理

RGB的色彩空間以R（Red：紅）、G（Green：綠）、B（Blue：藍(lán)）三種基本原色為基礎(chǔ)，進(jìn)行不同原色比例的組合，產(chǎn)生了豐富的顏色種類。

RGB的原色組成種類繁多，根據(jù)每一個分量在組合時占用的字節(jié)位數(shù)的不同，現(xiàn)階段RGB在計算機(jī)中存在的數(shù)據(jù)格式類是RGB555、RGB565、RGB24、RGB32。

其中RGB565是一種16位的RGB數(shù)據(jù)格式，在計算機(jī)中存在的情況是（R+G+B=5+6+5=16），本系統(tǒng)使用的就是RGB565的組合形式，在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，高位使用RGB565的數(shù)據(jù)，剩下的低位進(jìn)行補(bǔ)零操作，形成一個完整的8位數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)合成。

在本系統(tǒng)中使用的是RGB565數(shù)據(jù)組合格式，vga_color對應(yīng)的分別是R，G，B中的三原色的數(shù)值，frame_pixel是一個長度是16位的寄存器，存放R，G，B的值，數(shù)據(jù)存儲形式如下式（1）所示。

3.2 實驗結(jié)果與分析

攝像頭采集數(shù)據(jù)與顯示如圖3所示。

將最終采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色識別，并通過采集到的結(jié)果在串口上傳到PC進(jìn)行驗證，對于每一個目標(biāo)顏色進(jìn)行分別進(jìn)行了200次的測試。識別測試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語

基于FPGA的目標(biāo)顏色識別系統(tǒng)，能適應(yīng)現(xiàn)階段工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)合顏色識別與物流運輸，實現(xiàn)視覺引導(dǎo)的AGV小車在指定地點精準(zhǔn)投放。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對目標(biāo)顏色識別的精準(zhǔn)度大于99%，適用于現(xiàn)階段物流運輸?shù)纳a(chǎn)作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李銘.小型重載AGV的設(shè)計與實驗研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2009.

[2] 袁鋒偉，鄧騫，王玉林，張國輝.基于PC的顏色識別與匹配系統(tǒng)的設(shè)計[J].南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（02）：49-53.

[3] 黃智輝，李榕.基于FPGA的顏色識別觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（10）：61-64.

[4] 朱軍，葉慶泰.基于DSP的AGV視覺導(dǎo)向系統(tǒng)研究[J].計算機(jī)測量與控制，2003（03）：236-237+240.