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摘要 結(jié)合當(dāng)前電子技術(shù)和圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展，設(shè)計了一種采用ADSP－ 2181數(shù)字信號處理器建構(gòu)的圖像檢測定位的硬件平臺，以滿足圖像檢測的工業(yè)應(yīng)用需要。運用并行數(shù)據(jù)流的分析方法系統(tǒng)論證了ADSP－2181作為圖像檢測系統(tǒng)核心處理器方案，提出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流模型和控制模型，并以此設(shè)計實現(xiàn)了一個較高性能的硬件系統(tǒng)，具有視頻圖像獲取、實時顯示、圖像處理和圖像檢測等多種功能。從PCB自動檢測的標(biāo)志識別及定位的需要出發(fā)，提出了適合硬件處理的Hough變換算法進(jìn)行PCB圓形定位標(biāo)志的檢測，并給出了實驗結(jié)果。<!--摘要CH(結(jié)束)←-->
<!--→關(guān)鍵CH(開始)--> 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；圖像檢測；Hough變換<!--關(guān)鍵CH(結(jié)束)←-->
<!--關(guān)鍵EN(結(jié)束)←--> 隨著自動化工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，基于圖像的自動檢測方法得到了較為深入的研究和廣泛應(yīng)用。圖像檢測涉及到圖像獲取、圖像處理、圖像理解以及模式識別等許多方面的內(nèi)容，而在這些領(lǐng)域的研究工作已經(jīng)取得了很多有價值的成果。目前國內(nèi)外對于PCB檢測定位系統(tǒng)以及其他外觀檢測的研究已經(jīng)開展了不少工作，比如日本松下電子公司生產(chǎn)的Image Check B410高速圖像檢測系統(tǒng)，但是造價高昂，在檢測精確度方面同實際需求還有不少距離。
本文根據(jù)自動檢測的需要，結(jié)合當(dāng)前DSP技術(shù)和圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展，研制出一種成本低的、滿足工業(yè)特定需要的檢測系統(tǒng)，能夠?qū)CB進(jìn)行定位，進(jìn)一步完成斷點檢測、切割、自動裝配等功能。系統(tǒng)的攝像頭安裝在步進(jìn)電機(jī)上，由系統(tǒng)控制中心推動；操作平臺上的PCB與控制中心確定相對坐標(biāo)系；系統(tǒng)中存貯 PCB的電子版圖，根據(jù)相對位置移動電機(jī)，自動搜尋目標(biāo)的大致位置，再通過圖像檢測方式精確定位。
1 基于ADSP－2181的硬件平臺
近年來DSP技術(shù)向更小、更快、更便宜的方向發(fā)展。與普通微機(jī)相比，基于DSP的處理系統(tǒng)更適于工業(yè)上的推廣。選擇DSP作為圖像檢測系統(tǒng)核心處理器，需要考慮外圍設(shè)備和相應(yīng)算法的配合。外圍設(shè)備必須保證提供質(zhì)量優(yōu)良的原始圖像，以利于進(jìn)行后期處理；而在DSP實現(xiàn)的算法需要壓縮運算量和存儲空間，同時能夠滿足精確度和速度的需要。基于DSP的硬件平臺，包括圖像獲取子系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)和圖像理解子系統(tǒng)［1］。在系統(tǒng)設(shè)計中，圖像處理和圖像檢測的任務(wù)主要通過ADSP－2181來完成。
1．1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流模型
系統(tǒng)實現(xiàn)主要包括7個部分：攝像頭、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、幀存儲器、ADSP－2181、控制器和總線接口等。根據(jù)硬件系統(tǒng)的功能，運用數(shù)據(jù)流方法進(jìn)行分析，系統(tǒng)包含以下的數(shù)據(jù)交換：視頻芯片I2C總線控制數(shù)據(jù)流、圖像直通顯示數(shù)據(jù)流、圖像凍結(jié)數(shù)據(jù)流、DSP獲取圖像數(shù)據(jù)流、DSP處理數(shù)據(jù)流、處理結(jié)果疊加顯示數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)流模型如圖1所示。
1．2 系統(tǒng)控制原理
系統(tǒng)控制原理如圖2所示。
系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)流模型和控制原理可認(rèn)為是對系統(tǒng)的高層次行為域描述，而子系統(tǒng)的劃分則是較低層次的行為域描述模型。系統(tǒng)分為6個子系統(tǒng)：
視頻前端子系統(tǒng) 將復(fù)合視頻同步信號轉(zhuǎn)換成16位4：2：2格式Y(jié)UV數(shù)字信號，并輸出系統(tǒng)的同步信號。
視頻后端子系統(tǒng) 將數(shù)字圖像和采樣鼠標(biāo)、加亮標(biāo)志疊加合成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，以視頻輸出。
幀存貯器子系統(tǒng) TMS55160為核心，用于存貯原始圖像、DSP寫入加亮圖形，凍結(jié)時視頻信號實時顯示。
DSP子系統(tǒng) ADSP－2181為核心，F(xiàn)LASH、SRAM、ISA接口和輔助的GAL為外圍設(shè)備，實現(xiàn)DSP的初始化、功能控制、圖像數(shù)據(jù)獲取和圖像識別與理解，同時設(shè)置I2C總線初始化視頻芯片。
系統(tǒng)控制子系統(tǒng) Lattice的ispLSI1048E，高性能、高效率、延時固定、低耗、在線編程、設(shè)計快速、保密性好、成本低，功能是實現(xiàn)系統(tǒng)的時序控制、數(shù)據(jù)傳輸和整體控制。
系統(tǒng)初始化子系統(tǒng) 包括ADSP－2181的初始化，實現(xiàn)系統(tǒng)運行；SAA7111和ADV7176的I2C總線初始化，設(shè)置工作模式；TMS55160的初始化，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)。
1．3 系統(tǒng)時鐘控制
系統(tǒng)使用了兩種時鐘，即SAA7111提供的視頻流同步信號和ADSP－2181的工作時鐘。由于顯示和數(shù)據(jù)處理是并行的，所以系統(tǒng)采用了“時間片” 的分配辦法，將視行周期分為不同的時間片（圖3），分別進(jìn)行不同的處理，以實現(xiàn)幀存貯器的正確讀寫。圖3中的數(shù)字是以像素點為單位的計數(shù)描述，每點的周期大約70 ns；96～608是視頻輸出時間，32～63是VRAM刷新時間，84～87是VRAM的全傳輸時間，232～235和360～363是VRAM的分離傳輸時間，這兩種傳輸保證VRAM從片內(nèi)的DRAM向SAM傳輸數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)視頻實時顯示。從圖3中可以看出，在整個行周期內(nèi)，系統(tǒng)刷新等部分的開銷占據(jù)了32～384點周期，而其余時間共有556點周期，均屬于DSP可控制時間片，這就保證了系統(tǒng)能夠在行周期內(nèi)占據(jù)大部分的時間，完成相應(yīng)的幀存貯器存取數(shù)據(jù)的復(fù)雜操作。
1．4 系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)工作流程如圖4所示。
2 檢測定位算法研究
由于采用了16位定點DSP，圖像處理和檢測算法必須最大程度的適合DSP的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式、指令特征和存儲結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳運算性能�；贏DSP－2181的硬件平臺，可實現(xiàn)多種檢測應(yīng)用。
2．1 圓形定位標(biāo)志檢測算法
對圓的檢測可以采用Hough變換，其特點是抗噪能力強(qiáng)，可以不受實際圖像中曲線段不連續(xù)性的影響［2］。圓的方程可以表示為：（x－a）2＋（y－b）2＝r2，其中有三個參數(shù)a，b，r，所以需要在參數(shù)空間建立一個三維的累加數(shù)組A（a，b，r），根據(jù)具體圖像計算出的每一個三元組（a，b，r），對A累加：A（a，b，r）＝A（a，b，r）＋1。
如何計算三元組（a，b，r）是實現(xiàn)該算法的關(guān)鍵所在。Hough變換的實質(zhì)是把圖像空間中的檢測問題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間。如果固定r，則參數(shù)空間與圖像空間的對應(yīng)可以用圖5來說明。
上圖所示為圓的參數(shù)空間。圖中的黑色小方塊對應(yīng)圖像空間中的圓周上的點；而圓周則為可能的圓心位置。在圖像空間中共圓的點在參數(shù)空間中對應(yīng)同一個點。也即，圖像空間中的點對應(yīng)參數(shù)空間中的圓；參數(shù)空間中的點對應(yīng)圖像空間中的圓。也可稱之為點－圓對偶性。在實現(xiàn)該算法時，利用了上述性質(zhì)。算法流程如下：
第0步 確定半徑r的取值范圍 
第4步 若像素點（x，y）非目標(biāo)像素，則轉(zhuǎn)到第9步執(zhí)行；
第5步 令α＝0；
第6步 a＝x－r×cos（α），b＝y(tǒng)－r×sin（α） （2）
第7步 若a∈（0，W－1），b∈（0，H－1），則A（a，b，r）＝A（a，b，r）＋1；
第8步 α＝α＋1，轉(zhuǎn)到第6步，直到α＝360；
第9步 x＝x＋1，轉(zhuǎn)到第4步，直到x＝W；
第10步 y＝y(tǒng)＋1，轉(zhuǎn)到第3步，直到y(tǒng)＝H；
第11步 r＝r＋1，轉(zhuǎn)到第2步，直到r＝rmax。
第12步 對A（a，b，r）搜索，找到一個三元組（a0，b0，r0），使得在所有的A（a，b，r）中A（a0，b0，r0）最大。
經(jīng)過以上運算得到的三元組（a0，b0，r0）即認(rèn)為是指定區(qū)域內(nèi)存在的圓形目標(biāo)。該算法通過增大計算量而減小了存貯空間，達(dá)到壓縮存貯量的目的，以適應(yīng)DSP內(nèi)存有限的特點。由于用到了三角函數(shù)，按角度計算，共有360個，采用查表法可以降低計算復(fù)雜度，小數(shù)用1．15格式表示，可以實現(xiàn)整數(shù)與小數(shù)的乘法。需要說明確定半徑r取值范圍：從理論上講r 的取值應(yīng)該滿足
。但從計算量和實際應(yīng)用的角度考慮，式（1）所確定的范圍是比較適宜的。
經(jīng)過如上優(yōu)化，該算法得以在DSP中實現(xiàn)。
2．2 實驗結(jié)果
以上算法經(jīng)過實際運用，得到了比較理想的結(jié)果。PCB圓形定位標(biāo)志的檢測結(jié)果見圖6（（d）圖中左邊部分的黑色弧形是為了顯示處理結(jié)果而添加的）�？梢钥吹�，算法的抗噪聲能力相當(dāng)強(qiáng)。Hough變換檢測圓形是累計位于圓形邊緣的點，所以當(dāng)處理結(jié)果不是整圓，而有殘缺部分時，同樣可以得到正確的結(jié)果。
從大量檢測結(jié)果來看，系統(tǒng)的誤差最多是一個像素點，精確度非常之高；同時可以適應(yīng)各種復(fù)雜的情況，具有很強(qiáng)的魯棒性。
3 結(jié)束語
本文論述了基于ADSP－2181的圖像自動檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并針對PCB檢測的難點，提出Hough變換法進(jìn)行PCB圓形定位標(biāo)志的檢測。該系統(tǒng)對于圖像處理技術(shù)的研究、工業(yè)自動檢測的實踐都具有重要的價值，同時也是將圖像科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于實踐的成功范例。
參考文獻(xiàn)
1 Kim T，Cho T，Moon Y，et al．Visual inspection sys－tem for the classification of solder joints［J］．Pattern Recognition，1999，32（4）：565～575
2 章毓晉．圖像處理和分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1999．148～152
66821730(技術(shù)支持)
