基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺(jué)傳感器*

　　摘要： 本文介紹了基于硬件協(xié)議棧的以太網(wǎng)和DSP的嵌入式視覺(jué)傳感器。給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和圖像采集傳輸?shù)能浖鞒?，并以圓尺寸檢測(cè)為例介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果。

　　關(guān)鍵詞： CMOS圖像傳感器;DSP;以太網(wǎng);圖像采集

　　引言

　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)系統(tǒng)被廣泛用于工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事偵察等領(lǐng)域。嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，是將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)解決方案。同時(shí)，視覺(jué)傳感器需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)完成控制信息、圖像數(shù)據(jù)的通信任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)通信裝置是視覺(jué)傳感器的重要組成部分。筆者采用DSP和CPLD作為核心芯片來(lái)控制圖像采集處理和傳輸，采集的圖像經(jīng)DSP的處理后，可經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至微機(jī)進(jìn)一步處理，或與其他視覺(jué)系統(tǒng)、自動(dòng)化檢測(cè)裝置通信，組成分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：

　　·使用CMOS為圖像傳感器直接采集數(shù)字圖像，采用高速DSP和CPLD作為核心芯片來(lái)控制圖像采集和處理，簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了成本。 ?在DSP內(nèi)對(duì)采集到的圖像實(shí)現(xiàn)快速圖像的預(yù)處理，提高了系統(tǒng)的智能化。

　　·通過(guò)以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰?lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，利于圖像的傳輸、保存和與其他視覺(jué)傳感器通信交換數(shù)據(jù)，組成視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)。并可與PLC、機(jī)器人和其他自動(dòng)化裝置通信。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)通過(guò)DSP給CPLD發(fā)出一個(gè)采集命令，由CPLD控制CMOS圖像傳感器向FIFO寫(xiě)入圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)DSP通過(guò)DMA將圖像轉(zhuǎn)移至SDRAM中并進(jìn)行圖像處理，在處理結(jié)束后，將處理的結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)傳給微機(jī)或其他設(shè)備，對(duì)其I/O接口經(jīng)擴(kuò)展后，可與PLC等執(zhí)行裝置相連，被外部執(zhí)行器觸發(fā)，完成圖像的采集處理，達(dá)到控制檢測(cè)目的。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　圖像采集過(guò)程

　　圖像采集過(guò)程主要通過(guò)DSP給CPLD(ALTERA的MAX II系列 EPM240)發(fā)送命令字，包括單幀采集、連續(xù)采集等控制命令。每次采集的圖像時(shí)都先復(fù)位FIFO,防止上一次采集過(guò)程出錯(cuò)有數(shù)據(jù)滯留而導(dǎo)致本次采集的圖像出錯(cuò)。CPLD采集程序的仿真波形如圖2所示，可以看出當(dāng)采集單幀數(shù)據(jù)時(shí)，CPLD通過(guò)控制連續(xù)兩個(gè)VSYNC(幀同步信號(hào))間的FIFO( CYPRESS的CYCY7C4291V)的/WE(寫(xiě)使能信號(hào))低有效來(lái)達(dá)到圖像采集的目的。OV7640每幀圖像的時(shí)間為33ms(30f/s),工作在黑白模式下，每幅圖像數(shù)據(jù)有300K(640×480),即9.3MByte/s，而DSP讀取的速度可以到66.7Mbyte/s，若采用16Bit總線(xiàn)寬度的FIFO，則可達(dá)到133Mbyte/s。本系統(tǒng)中由CPLD對(duì)圖像的行進(jìn)行計(jì)數(shù)，為保證圖像數(shù)據(jù)不溢出FIFO(FIFO為128K字節(jié))，選取每80行圖像數(shù)據(jù)觸發(fā)一次DMA傳輸(DMA選擇為外觸發(fā)模式)，每幅圖像分成6次傳輸(共480行數(shù)據(jù))。

圖2 CPLD采集程序的仿真波形

　　以太網(wǎng)的圖像傳輸

　　本系統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，采用Wiznet公司全功能硬件協(xié)議棧芯片W5100。W5100內(nèi)有16K的發(fā)送/接收緩存，支持TCP、UDP、ICMP、IPV4 ARP、IGMP等協(xié)議，本系統(tǒng)中采用TCP/IP協(xié)議，接收上位機(jī)的命令并執(zhí)行相應(yīng)的圖像采集和處理任務(wù)。Wiznet公司提供了完整的Socket API函數(shù)，其工作方式類(lèi)似于Windows的Socket API，程序在TI公司的CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，非常方便用C語(yǔ)言編寫(xiě)。圖3是利用VC編寫(xiě)的基于異步Socket的系統(tǒng)軟件。在不同的命令代碼下上傳圖像。如果所示輸入命令1，可以上傳單幅不加任何圖像處理的灰度圖。

圖3 帶有命令選項(xiàng)的圖像接受軟件

　　軟件流程

　　系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化后配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，建立命令Socket，Socket連接成功后處在TCP連接狀態(tài)中。當(dāng)接收到命令時(shí)，通過(guò)中斷觸發(fā)使DSP從W5100讀取命令字，根據(jù)命令字做出相應(yīng)的操作，添加圖像預(yù)處理程序。然后關(guān)閉命令Socket，啟動(dòng)數(shù)據(jù)Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送處理后的圖像數(shù)據(jù)以便上位機(jī)進(jìn)行更高級(jí)的圖像處理，最終得到用戶(hù)想要的結(jié)果和數(shù)據(jù)。

圖4 軟件流程圖

　　圖像采集和處理程序示例

　　本系統(tǒng)可以應(yīng)用于視覺(jué)系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的軟件處理模塊，如幾何邊緣提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OCR、簡(jiǎn)單的定位和搜索等，由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際的測(cè)量需求選擇相應(yīng)的處理模塊，由上位機(jī)編譯成相應(yīng)的固件并下載到系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)特定功能的視覺(jué)檢測(cè)。目前系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，只能完成特定的幾種功能，以下以圓盤(pán)的直徑檢測(cè)為例，介紹系統(tǒng)的處理效果。

　　算法的基本思想是：先對(duì)采集的圖像進(jìn)行濾波，再用邊緣檢測(cè)算法檢測(cè)出圓的邊緣，最后再利用圓檢測(cè)算法算出圓的外徑和孔徑。

　　檢測(cè)基本過(guò)程如下：

　　標(biāo)定

　　在能夠進(jìn)行檢測(cè)之前，系統(tǒng)必須要標(biāo)定。標(biāo)定決定圖像與物理世界之間的映射關(guān)系。因此，把圖像中的每個(gè)點(diǎn)與一定的物理世界坐標(biāo)以及反過(guò)來(lái)建立一一映射。使用一個(gè)無(wú)畸變的理想二維標(biāo)定平面來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。首先，可以使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格變換把物理坐標(biāo)變換到目標(biāo)平面;然后使用非線(xiàn)性映射把這些中間坐標(biāo)變換到圖像平面。用于變換運(yùn)算的參數(shù)可以通過(guò)對(duì)一個(gè)包含已知位置信息的已知特征標(biāo)定物成像來(lái)獲取。非線(xiàn)性變換是通過(guò)在確定的測(cè)量點(diǎn)之間進(jìn)行線(xiàn)性插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖像預(yù)處理

　　圖5為采集到的原始圖象。由于CMOS傳感器本身的噪聲或系統(tǒng)的擾動(dòng)等其它原因，原始圖像中會(huì)含有噪聲，所以要先對(duì)原始圖像做低通濾波處理，可采用3×3模板的低通濾波器，或選擇一些其它的更為復(fù)雜的濾波器，如自適應(yīng)濾波器。

圖5 原始采集圖片

　　邊緣檢測(cè)

　　采用牛頓插值法對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)高精度的邊緣檢測(cè)，具體計(jì)算步驟如下：

　　·搜索像邊緣過(guò)渡區(qū)計(jì)算向量

　　根據(jù)像邊緣的位置沿著灰度值對(duì)應(yīng)的行或列從亮區(qū)向暗區(qū)搜索，若相鄰的兩個(gè)點(diǎn)的灰度值下降幅度大于閾值(閾值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定)，即認(rèn)為該點(diǎn)為像邊緣過(guò)渡區(qū)的起始節(jié)點(diǎn)，過(guò)渡區(qū)包含有3~4個(gè)節(jié)點(diǎn)，把其定義為一維數(shù)組，以像邊緣過(guò)渡區(qū)起始節(jié)點(diǎn)為首項(xiàng)，沿灰度值矩陣的行或列順序存放由亮到暗像邊緣的灰度值。

　　·使用牛頓插值函數(shù)實(shí)現(xiàn)像邊緣光強(qiáng)函數(shù)軟件解調(diào)設(shè)向量u[m]={u1，u2，......un}，m=0，1，.......n。

　　在基點(diǎn)m=0處向前5階差分為：

　　D1u0=u1-u0

　　D2u0=u2-u1+u0

　　D3u0=u3-3u2+u1-u0 (1)

　　D4u0=u4-4u3+6u2-4u1+u0

　　D5u0=u5-5u4+10u3-10u2+5u1-u0

　　設(shè)t為[0.5]內(nèi)的連續(xù)變量，則五階牛頓向前插值函數(shù)為：

　　v(t)=u0+tD1u0+(t-1)D2u0/2+t(t-1)(t-2)D3u0/6+t(t-1)(t-2)(t-3)D4u0/24+t(t-1)(t-2)(t-3)(t-4)D5u0/120 (2)

　　·確定像邊緣特征點(diǎn)的坐標(biāo)

　　式(2)給出了表征象邊緣位置的連續(xù)函數(shù)，對(duì)其求二階導(dǎo)數(shù)，即，

　　d2u/dt2=D2u0+(t-1)D3u0+(12t2-36t+22)D4u0/24+(20t3-120t2+210t-100)D5u0/120 (3)

　　其零交叉點(diǎn)(d2u/dt2=0)即為特征點(diǎn)。圖6為邊緣檢測(cè)的效果圖。

圖6 邊緣檢測(cè)效果圖

　　直徑的計(jì)算

　　通過(guò)圓檢測(cè)算法，計(jì)算出圓的外徑和內(nèi)徑。限于篇幅，具體算法在此不作詳細(xì)介紹。

　　在實(shí)驗(yàn)中，使用的f=35mm的鏡頭，采用LED環(huán)形光源從底部同軸照明，圖像分辨率為640×480，相面尺寸為3.6mm×2.7mm。系統(tǒng)標(biāo)定在XY方向上每像素為0.0375mm。對(duì)標(biāo)稱(chēng)外徑為15mm，內(nèi)徑為9mm的元件做了10次檢測(cè)，檢測(cè)直徑的平均外徑值為401.6像素即15.06mm，內(nèi)徑為241.3像素即9.049mm。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖7為我們?cè)O(shè)計(jì)的視覺(jué)傳感器樣機(jī)的系統(tǒng)實(shí)物圖。其由三部分組成，分別為主板、電源板和CMOS電路板。采用抓包程序Ethereal對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行了測(cè)試。我們分別對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)量為100kbyte，200kbyte和300kbyte進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對(duì)于本系統(tǒng)可以達(dá)到10f/s的圖像傳輸速度。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 傳輸數(shù)據(jù)速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的的視覺(jué)系統(tǒng)，在硬件系統(tǒng)，采用CMOS圖像傳感器，CPLD時(shí)序控制，以及高速DSP和以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成了一個(gè)典型嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)以太網(wǎng)接口可組成分布式視覺(jué)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于簡(jiǎn)單的視覺(jué)檢測(cè)任務(wù)，系統(tǒng)可滿(mǎn)足在線(xiàn)檢測(cè)的要求。當(dāng)然，要想最終脫離微機(jī)高速的完成復(fù)雜的圖像處理任務(wù)，單DSP還不能滿(mǎn)足要求。今后改進(jìn)是添加FPGA實(shí)現(xiàn)FPGA與DSP融合的處理系統(tǒng)以及多DSP并行處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)。

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