（机械电子工程专业论文）基于armdsp双核与uclinux的玻璃缺陷在线检测系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术和计算机技术的发展，工业生产过程的自动化和智能化程 度越来越高。就玻璃工业生产而言，以前浮法玻璃生产线上所用的质量检测都 是通过利用人眼离线检验或专用仪器抽样检测，无法满足实时检测的要求，并 且人眼检测只能发现较大的玻璃缺陷，所以玻璃质量无法提高。目前国内几家 大型玻璃生产企业都开始采用进口检测设备，可以对玻璃实现1 0 0 在线全检， 自动划分玻璃等级，并获得质量统计数据，指导玻璃生产，稳定玻璃质量水平。 但由于价格昂贵，加上国内浮法玻璃生产线现场条件复杂，需要很长时间 的配套和适应，而且配件更换困难以及售后服务难以到位等问题，严重束缚了 国内企业对此类设备的引进，无法提高国内企业在国际市场的竞争能力。 应对此一问题，本文主要研究了基于d s p q - a r m 的独立双核结构的嵌入式 视频缺陷在线检测系统的可行性，提出了相应的开发目标和性能参数，并在此 基础上主要给出了基于1 r i 公司t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 bd s p 的视频图像处理以及缺陷识 别的总体方案、硬件设计和相应的底层软件模块；同时论述了嵌入式工业控制 以及网络传输的实现方案采用s a m s u n g 公司的基于a r m 7 内核的$ 3 c 4 5 1 0 b 作为主控芯片，运行u c l i n u x 操作系统，设计出整个嵌入式系统的软件层次模型 和数据处理流程，其中编程底层的软件模块为上层的应用程序提供硬件操作和 流程，从而实现缺陷识别结果的控制与传输。同时，本文还对玻璃缺陷的识别 原理进行了深入的探讨，总结出了图象处理，图象分割以及特征点提取等识别 步骤。 本系统对于提高玻璃缺陷在线检测的工艺水平、灵敏度、精度等级；提高 产品质量、生产效率和自动化水平，降低投资及运行成本都将有着极其重要的 现实意义。 关键字：玻璃缺陷检测；a r m ；d s p ：嵌入式系统：图像处理 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i e sa n dc o m p u t e rt e c h n i q u e ，t h e a u t o m a t i o na n dt h ei n t e l l i g e n c eo fi n d u s t r yp r o d u c t i o nt u r n st h ed e g r e eh i g h e r i n r e g a r dt og l a s si n d u s t r yp r o d u c e ，t h em e t h o do ff l o a tg l a s sq u a n t i t yf o re x a m i n a t i o n i s a l lar e q u e s tt ob yp e r s o n se y eo f f - l i n ee x a m i n a t i o no ra p p r o p r i a t i o ni n s t r u m e n t s a m p l i n g & a a n t i n e , c a n ts a t i s f yr e a lt i m ee x a m i n e ，a n dp e r s o n se y ec a l ld i s c o v e r b i g g e rg l a s sd e f e c t s ，s ot h eg l a s sq u a n t i t yc a n ti n c r e a s e n o ws e v e r a ll a r g eg l a s s c o m p a n i e si nl o c a ls t a r ta d o p t i n gi m p o r t i n ge x a me q u i p m e n t s , c a nr e a l i z et h eg l a s s o n - l i n ei n s p e c t i o ni n1 0 0 ，a u t o m a t i c a l l yd e m a r c a t eg l a s sg r a d e ，a n da c q u i r et h e q u a n t i t yc o v a r i a n e ed a t a , g u i d et h eg l a s sp r o d u c e s ，s t a b i l i z i n gt h eg l a s sq u a n t i t yl e v e l b u tb e c a u s et h ep r i c ei se x p e n s i v e ，p l u st h ef l o a tm e t h o dg l a s sp r o d u c t i o ni s c o m p l i c a t e d , n e e d st h ev e r yl o n g p l a y i n gk i ta n da d a p t a t i o n , a n dt h ea c c e s s o r i e s r e p l a c e sa r ed i f f i c u l ta n da f f e r - s a l e ss e l v i e c sa r eh a r de t c t h e yf l e du pt h el o c a l b u s i n e s se n t e r p r i s et ou s h e ri nt ot h i sk i n do fe q u i p m e n t ss e r i o u s l y , c a n ti n c r e a s e l o c a lb u s i n e s se n t e r p r i s e sc o m p e t i t i o ni ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t r e p l yt h i sp r o b l e m , o l l rm a i nr e s e a r c hi st h ep o s s i b i l i t ya c c o r d i n gt ot h eo n - l i n e e m b e d d e di n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nd s pa n da r mi n d e p e n d e n tm u l t i - c o r e ，p u t t i n g f o r w a r dt h eh o m o l o g o u sd e v e l o p m e n tt a r g e t sa n dt h ef u n c t i o np a r a m e t e r , b a s e do nt i c o m p a n y st m s 3 2 0 c 6 2 0 2 bd s pw eg i v eo u tt h em a i np r o j e c ta c c o r d i n gt ot h e p r o c e s so fv i d e o ，d e f e c ti n s p e c t i o n s ，h a r d w a r ed e s i g na n dt h em o l do fs o f l - w a r e ； d i s c u s s e dt h ei n d u s t r yc o n t r o lb ye m b e d d e ds y s t e ma n dn e t w o r k st r a n s f e r 嘲 t h ea r m - $ 3 c 4 5 1 0 bo fs a m s u n gc o m p a n yt oc o n t r o l ，c i r c u l a t i n gu c l i n u xo p e r a t e s y s t e m , d e s i g n i n gt h ea r r a n g e m e n tm o d u l eo fs o f t w a r ea n dd a t ap r o c e s s i n gf l o wo f t h ew h o l ee m b e d d e ds y s t e m , t h er o c k - b o t t o mo fp r o g r a m m es o f t w a r em o d u l e p r o v i d e sh a r d w a r eo p e r a t i o na n df l o wf o ra p p l i c a t i o np r o g r a m ，d e l i v e r i n gt h er e s u l t o fd e f e c ti n s p e c t i o n s i m u l t a n e i t y , t h ep a p e rm a k ead e e pd i s c u s s i o nt ot h ei d e n t i f y p r i n c i p l eo fg l a s sd e f e c t ，a n ds u m m a r i z et h ei d e n t i 匆s t e p sl i k ei m a g ep r o c e s s ，i m a g e d i v i d ea n dp i c k - u pc h a r a c t e rp o i n t s i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h i ss y s t e mw i l lb et h ei m p o r t a n tt h i n gt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o nl e v e l ， i n t e l l i g e n tg r a d eo fo nl i n eg l a s sd e f e c ti n s p e c t i o n ；i n c r e a s et h ep r o d u c tq u a l i t y , p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d a u t o m a t i o nl e v e l ，d e c r e a s et h ei n v e s t m e n ta n dc o s to f t h a t k e y w o r d s ：g l a s sd e f e c ti n s p e c t i o n ；a r m ；d s p ；e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ； v i d e oc o m p r e s s i o n i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至型坠一日期：盈舭 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：址翩签名：位凸龃日期：碎纠研 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 玻璃缺陷的种类及成因 玻璃产生的各种缺陷都是在熔制过程中发生的。对玻璃缺陷的允许程度，取 决于该制品的用途。一般来说，不允许玻璃液中有大量的明显的缺陷，否则会影响 玻璃的外观质量，降低玻璃的均一性和透光性，降低玻璃的机械强度和热稳定性， 造成大量的废品和次品。常见的玻璃缺陷主要有以下几种表现形式： ( 1 ) 气泡 f 1 气态物质在澄清阶段未完全排除造成的气泡 在玻璃熔制过程中，配合料中的各种原料发生热分解以及相互反应会放出大 量气体。这些反应在玻璃熔窑中通常是同时进行的，而且各种气泡的组成也不相 同，其中有m 、n 2 、c o 、c 0 2 、 h o 和空气等等。在硅酸盐形成和玻璃形成阶段，有 很大一部分气体被包裹在玻璃液中使之成为多孔结构。清除玻璃液中的气体必须 在澄清阶段完成，因此，澄清阶段是一个非常重要的阶段。为了提高澄清质量，在 生产中可采取提高熔制温度、降低玻璃液的粘度、降低液压和玻璃液与气泡之间 的表顽张力等多种方法，以提高气体的逸出速度。降低炉内气体的压力和加入适 量的澄清剂a s 2 0 a ，也能改善澄清质量，使气泡减少到最低程度。 b 因池窑操作不当引起的气泡 当投料条件、熔化澄清条件不当时，很容易留下气泡。在有搅拌作业的情况 下，如果搅拌条件不当，也容易留下气泡。此外，在熔窑后部( 如澄清部) 已澄清的 玻璃液，由于温度或炉内气氛发生变化，便会再次出现气泡。还原气氛会使溶在玻 璃液中的s 0 3 还原为s ( h ，生成s 0 2 泡。如果存在气体溶解度不同的异质玻璃时，便 会使与之邻近的玻璃液发泡。当玻璃液急剧冷却时，在冷却部可能会产生低压真 空气泡。 c 配合料中气体率过高引起的气泡 普通玻璃配合料的理论气体率应在1 5 1 8 ，过高将造成澄清困难。同时原 料颗粒间包含着许多空气，带到玻璃液中将造成气泡。预防这类气泡的主要措施 是：调整原料、设法降低配合料的气体率，选择适当的原料颗粒度和使用适当比例 的碎玻璃。 d 玻璃液与耐火材料相互作用产生的气泡 武汉理工大学硕士学位论文 耐火材料的孔隙内常含有气体，这些气体在玻璃熔制时进入玻璃液内。同时 在还原焰中烧成的耐火材料都含有碳化物和多价元素的低价氧化物，当用碳化硅 研磨材料加工耐火砖材时，如果清洗不充分便会产生c 0 2 泡。耐火材料中含铁的 化合物，对配合料中各原料的分解起催化作用而产生气泡。此外，还有耐火材料被 侵蚀而引起的气泡，例如电熔耐火砖中的胶结体玻璃或耐火砖表面的变质层一旦 进入玻璃液中，便容易生成气泡。由于这种原因生成的气泡多为s 0 2 泡或n z 泡。 为了防止这种缺陷的产生，必须选用高质量的耐火材料。 e 因混入杂质引起的气泡 在配合料中混入金属等杂物或由于操作不慎将金属器件、耐火胶泥等落入玻 璃液中，便产生气泡。金属器件通常是铁质材料，纯铁不易发泡，但铁的氧化物或 含碳、磷、钛的铁，则产生s 如泡或电解泡”配合料中混入燃料油或润滑油，也是 不易引入注意的发泡原因，混入水分则可导致强烈发泡。为了防止这种现象的发 生，必须选用清洁的原料，特别是使用的碎玻璃要仔细检查，不使铁钉及其它铁质 材料混入配合料中。 ( 2 ) 条纹 a 玻璃液均化不充分引起的条纹 若配合料( 包括碎玻璃) 混合得不均匀，虽然经过熔融和均化，但有时仍会造 成玻璃液化学组成和性质上的差异，反映到制品上就是条纹。因此，配合料的均匀 与否是保证玻璃液均一性的最重要的条件。为了防止这种缺陷的产生，必须严格 遵守配料操作规程。 b 因窑的操作不当引起的条纹 若配合料的投入条件、熔化温度、炉内温度分布以及窑内气氛不当，便会导 致配合料熔化不均、玻璃液流不均、挥发成分散失以及失透物质的再次熔化形成 各种组成的异质玻璃，称为波筋。为了避免这种现象的发生，必须严格遵守窑的操 作制度，控制好窑温和燃烧气氛。 c 由于耐火材料被侵蚀而产生的条纹 玻璃液对耐火砖表面的侵蚀使其熔化、脱落，合料的飞灰和碱蒸气对熔窑上 部结构的耐火砖表面的侵蚀，使其发生反应生成熔融的玻璃体，这些物质滴落到 玻璃液中便形成条纹。由耐火砖带入的结石在玻璃液流动过程中会熔化成筋，其 中a l z 如或z r o 含量较高的物质，因其折射率和表面张力比玻璃母体大，而呈现明 显的条纹或形成弯弯曲曲的筋，有时还可以看到有分散的、微小的刚玉或斜锆石 晶体。为避免这种现象的发生，必须选用优质耐火材料。 ( 3 ) 结石 武汉理工大学硕士学位论文 a 因配合料引起的结石 这类结石主要是由于配合料混合不均匀引起的，因为含碱量高的原料易熔 化、含碱量低的则难熔化所以，一些来不及熔化的配合料就容易产生结石。尤其 要注意的是配合料中是否有难熔原料的粗块存在，特别是粗颗粒的石英砂。由于 熔制温度和熔制时间的限制，这些粗颗粒的石英砂较难熔化完全。 b 因失透生成的结石 停滞在玻璃池窑成形部端处和有死角部位的玻璃液，如果较长时间处于比保 持其液相温度稍低的温度下便产生失透。失透的玻璃一旦被带入玻璃液流中，便 成为结石。 c 因耐火材料被侵蚀带入的结石 硅砖在使用过程中，其表面转化为磷石英或自硅石而崩落或熔化后，滴落于 玻璃液中再次结晶，便形成s i o z 结石。在钠钙硅玻璃中常见的结石为刚玉和霞石， 这是由于a h 0 3 质或a l z 0 3 一s i o r z r 0 2 一s i 0 2 系耐火材料带入的，根据结石的形状特 征，可以推断其来自何种耐火材料或使用部位。 我国目前有多条大型平板玻璃浮法生产线，但是对生产过程中的玻璃缺陷 ( 例如气泡、杂质等) ，还没有一个良好的自动化检测手段。目前国内生产厂家 大多数采用人工检测“1 方法，即将待检测的玻璃放在一个检测光源前，用人眼来 观测玻璃，找出缺陷。该方法有如下缺点： ( 1 ) 容易受到入眼分辨能力和易疲劳等主观因素的影响； ( 2 ) 人工检测速度较慢，自动化程度很低，不能适应现代化大生产的要求， 且工人劳动强度比较大。长时间的操作人眼势必会产生疲劳，直接影响到检测的 准确性，无法保质保量地完成生产任务； ( 3 ) 检测数据的保存及查询不太方便。 国外已经开发出相应的玻璃缺陷检测设备。】，但是价格比较昂贵，且技术资 料保密，售后维修的工作经常延迟，影响生产的正常进行，且维修费用过高。国 内目前也有少数几个厂家在进行玻璃制品在线检测设备的研制，但其开发出的产 品仅相当于与国外八十年代的水平，设备体积庞大、难于调试、功能过于单一 1 2 国内外研究现状及发展水平 国外在九十年代初就开始研制计算机视觉在线检测设备，他们凭借其雄厚的 经济实力和不断成熟的技术为基础，至现在已经开发出多种玻璃在线检测机器。 近些年来，由于建筑和汽车行业的高速增长，推动了相关玻璃的制造和使用行业 武汉理工大学硕士学位论文 的快速发展，对于玻璃的质量要求也是越来越高，因此国内外许多科研机构都在 开展玻璃缺陷在线检测系统的研究，下面是其中的一些研究成果： ( 1 ) 德国i s r a 公司是一家专门提供在线检测系统的公司，它推出的激光检测 设备在钢铁工业、塑料工业、造纸工业及玻璃工业得到广泛应用，具有世界领先 地位。 在浮法玻璃生产领域，i s r a 公司是第一家推出激光检测设备的公司，至今 已推出第二代数码照相检测系统。i s r a 检测设备在世界浮法玻璃生产线上安装 的数量最多，在中国大陆已超过8 0 多台套，与各大玻璃生产厂家有长期良好的 合作关系，并积累了数十年的丰富经验。 检测系统采用先进的c c d 成像技术和智能光源，其检测精度已达到了0 1 的分辨率，高配置系统甚至达到0 0 5 毫米分辨率，并能在同一台机器上实现对 玻璃的疵点和玻筋的检测。 检测系统可以检测的玻璃缺陷包括气泡、结石、锡点、玻筋等，它还可以对 这些缺陷进行分类，以利于对玻璃质量的判别。所检测出的缺陷信息可以实时地 显示在操作屏幕上，并可以多种图表形式向用户提供缺陷统计，售价约3 0 万欧 元。实物如图1 1 所示。 图1 - 1 德国i s r a 公司浮法玻璃在线缺陷检测系统 检测系统还具有体积小( 在玻璃运动方向只需1 米) ，操作简单、维护工作量 极小( 因取消了激光系统中所需的旋转部件，几乎没有易损件，c c d 的寿命超过 十年) 正是系统所具有的这些优点及其代表的技术发展趋势，至今保持世界销售 量第一。 除了缺陷检测系统，i s r a 公司还能配套提供打标装置( m 3 ) 和优化切割系 4 武汉理工大学硕士学位论文 统( c o p ) ，与检测系统配合，可以实现对浮法玻璃的在线检测、优化切割、质量 分等和针对缺陷和质量等级打标记等功能。是提高浮法玻璃生产效益、质量和管 理水平的重要保证。 ( 2 )国内研究开发的玻璃缺陷在线检测系统大多是参考了国外相关行业的设 计结构，由长沙科创计算机集成有限公司研制的c g t d 玻璃缺陷在线自动检 测系统能在线自动检测玻璃熔化和成型过程中形成的缺陷，如气泡、砂粒、结石、 沾锡和光畸变点等，并能区分气泡和夹杂物。该系统首次采用了光学变换技术和 特殊的光阵布置，对细小缺陷进行了充分放大，而对玻璃表面附着的灰尘、污渍 因放大不足而被平滑掉。又由于采用数字图像处理技术有效地消除了背景干扰， 实现了二维处理，可检测出小于0 2n l m 2 的点状缺陷，对o 3 o 5i d a n 2 点状缺 陷的准确率高达9 0 以上。该系统对缺陷的最小分辨率和缺陷识别的准确率都 达到了国际先进水平。使用时，无需对被测玻璃带预先清洗和烘干，其价格为国 外同类产品的四分之一，该系统荣获国家科学发明奖。 从上述的各种玻璃缺陷检测应用系统中可以看出，在浮法玻璃【l 】的外观质量 缺陷检测中，国内外的研究机构均广泛的应用了图像处理技术。其中，国外在玻 璃缺陷在线检测方面已经取得的成熟应用，为我们提供了宝贵的参考。 因此，本课题深入研究了玻璃缺陷检测的应用原理，力求设计出一套基于 a r _ m 1 5 【6 】和d s p p 嘲独立双核结构的自动化在线检测系统，并结合目前流行的数 字图像处理技术对玻璃气泡和裂纹进行检测，为浮法玻璃生产线上的优化切割系 统和玻璃等级打标装置提供详实的数据。在解决传统人工检测难题的同时，提高 玻璃缺陷检测的准确性和自动化程度。 1 3 研究的内容与意义 本文的主要研究内容可以概括为以下几个方面： 1 为了解决目前人工检测方式效率低，劳动强度大等问题，本文设计了一 种基于高速数字信号处理器( d s p ) 和嵌入式控制器( a r m ) 双内核的嵌入式视频 采集压缩系统。系统采用t i 公司的高速数字信号处理器和s a m s u n g 公司a r m 芯 片，由大线阵c c d 进行图像采集，解码后的视频信号被放入帧缓存【7 】中。 2 在双内核系统的实现中，i ) s p 、a r m 处理器与外围电路的接口及其二者的 信息传递都是需要解决的问题。 3 系统中的a r m 芯片【9 j 选用$ 3 c 4 5 1 0 b ，并在其上运行u c l i n u x 操作系统【。 针对本系统我们开发了相应的b o o tl o a d e r ”j 。 4 为了实现视频处理中的自动化检测，探讨了几种目前流行的数字图形处 武汉理工大学硕士学位论文 理技术【1 2 】在玻璃缺陷识别中的应用。 5 检测的结果通过网络进行传输，通过对检测结果的分析进行生产过程的 改进。 通过上述的研究，尤其是对c c d 的使用将大大提高测量精度、速度和自动化 程度。而嵌入式系统的引入将极大地促进了应用的发展，特别是传统的大工业， 在线检测技术的推广应用及其对于技术与装备的更新换代将更为重要。我们运用 了通用的处理芯片，给系统的功能扩展展示了一定的生命力；用嵌入式操作系统 来进行任务的调度，给控制及处理都带来了便利。它使整个系统简单、灵活，并 存在巨大的可开发潜力及其他场合的应用前景。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章系统总体设计 由于视频压缩处理算法和图像特征识别算法都需要强大的计算能力，而且这 种安装在现场的玻璃缺陷自动检测设备往往需要进行远程的访问，必须具备相应 的网络能力，因此本系统对硬件的计算能力和网络性能的要求都很高。数字信号 处理( d s p ) 因其强大的计算能力广泛应用于通信、控制、信号分析等领域。但 作为一种专用处理器，通常不能完成一些通用微处理器所完成的工作，也就不能 有效地支持各种网络协议如t c p i p 或者u d p i p 。而运行嵌入式操作系统的3 2 位微处理器能够有效支持各种网络协议，但是在处理一些运算量较大的任务( 如 图像视频数字信号的压缩和解压缩、数据通信中的加解密算法等) 有时就不能够 胜任。因此两者的结合，就可以弥补不足而显示各自的优势。 2 2 系统的预期功能 嵌入式检测系统应具有的功能如下； ( 1 ) 可以接受n t s l 、p a l 等多种制式的模拟信号，电视信号的数字化符合 c c i r 6 0 1 和c c i r 6 5 6 标准。 ( 2 ) 视频亮度，对比度饱和度色度，灰度可调，具有静态b m p ，j p g ，g i f ， t t f 等格式图像捕捉功能。 ( 3 ) 图象处理d s p 具有足够的处理能力，以保证可以实现缺陷的实时准确辨识。 ( 4 ) 能无接触的自动对被测玻璃进行缺陷检测、识别及分类，根据所得到的检测 结果对缺陷标记电路和玻璃优化切裁机构发出控制信号，对缺陷处进行打标 并优化切割，从而得到符合生产标准的优质玻璃。 ( 5 ) 通过局域网或者因特网提供在线监控，也可以在远程工作站监控。 ( 6 ) 系统的传输要求应保证有足够的带宽来进行数据交换和传输。 r 7 ) 系统留有进一步完善和二次开发的余地，具有良好的软硬件接口。 2 3 系统设计的可行性及其基本原理 在玻璃外观质量缺陷中，出现频率比较高的主要有气泡、结石和裂纹。因此 武汉理工大学硕士学位论文 我们的检测设计也是围绕着这几种缺陷展开。由于玻璃是透明制品，无缺陷的玻 璃样本质地均匀，表面光滑、洁净，图像整体灰度的均匀性较好，相邻象素点间 的灰度值变化也较小。而存在气泡缺陷的玻璃，由于内部气泡是在压模过程中形 成的，其内部是残留的空气，透射光在其边缘处发生折射，在灰度图像中气泡边 缘处的灰度值低于周围背景的灰度值 1 2 】【1 3 】。表面缺陷( 裂纹、划痕、破损等) 是由外力造成的损伤，它使破损处光洁度降低，光线透射率下降，同时，在缺陷 边缘也会发生光线的折射，使得在灰度图像中局部灰度值与其周围背景相比有较 大变化，破损处边缘及内部各点的灰度值均低于背景灰度值。因此，基于玻璃缺 陷的以上图像特征，利用图像处理技术识别玻璃缺陷是可行的。 视频信号包括模拟视频信号和数字视频信号【1 5 】1 1 6 【切，一般c c d 摄像头输 出的都是模拟信号。模拟视频信号有三种信号类型： a 复合视频信号是包含亮度信号、色差信号和所有同步信号的单一信号； b 分量视频信号是指每个基色分量作为独立的视频信号； c 分离视频信号s - - v i d e o 是亮度和色差分离的一种视频信号，是分量模 拟视频信号和复合模拟视频信号的一种折中方案。 对这些模拟视频信号进行信号处理时，一般需要将其转换为数字视频信号。 模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采用复合 的y u v 信号方式，而计算机工作在r g b 空间；电视机是隔行扫描，计算机 显示器大多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。因 此，模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的 统一。 模拟视频的数字化一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和 色度分离，得到y u v 或y i q 分量，然后用三个模数转换器对三个分量分别进 行数字化得到数字的y u v 信号，如果是计算机处理或有需要再进一步转换成 r g b 空间1 1 4 】旧 i s l 。 根据模拟视频信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此其 数字化时可采用幅色采样法，即对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采 样率。用y ：u ：v 来表示w v 三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别 有4 ：1 ：l 、4 ：2 ：2 和4 ：4 ：4 三种。模拟视频信号既是空间的函数，也是 时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式要 复杂得多。分量采样时采到的是隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然 后进行样本点的量化，y 1 j v 到r g b 色彩空间的转换等等，最后才能得到数字 视频数据。 对于模拟分量电视信号，应按c c i r 6 0 1 标准进行数字化，取样结构为4 ： 武汉理工大学硕士学位论文 2 ：2 ，亮度信号y 抽样频率选为5 2 5 6 0 和6 2 5 5 0 三大制式行频的公倍数 2 2 5 m h z 的6 倍即1 3 5 m h z 。接口标准为s m p t e 2 5 9 m 串行数字接口s d i 格式( d l 格式) ，输出码率为2 7 0 m h z ( 4 ：3 ) 或3 6 0 m h z ( 1 6 ：9 ) 。对于模 拟复合电视信号，从抽样所形成的样点结构图考虑，抽样频率取彩色副载波的4 倍更为合适，量化后输出码率为1 4 2m h z ( 8 b i tp a l 制) 和1 1 4 m h z ( 8 b i t n t s c 制) 。对于高清晰信号，数字化后变换成h d s d i 信号，传输率为 1 5 g m h z ( s 呼t e 2 9 2 m ) 。 这种未压缩的数字视频数据量对于目前的计算机和网络来说无论是存储或 传输都是不现实的，因此应用数字视频的关键问题是数字视频的编码压缩技术。 视频编码一般来说分为三个阶段：第一是信号处理阶段，它是把视频图像信 号进行变换、处理，使数据处于容易压缩、量化的状态；第二是量化阶段，量化 简单说是用少量值表示多量值的过程，压缩过程主要是在这里，信号的失真也在 这里产生。第三是无失真编码，即产生输出数据流。对视频图像采用不同的处理、 量化和熵编码方法，就产生了不同的视频图像压缩方法【1 9 1 【2 0 】口“。 视频编码方法从信息损失的角度可分为无损压缩和有损压缩。无损压缩指压 缩后的数据经解压缩还原得到的数据与原始数据完全相同；而有损压缩后的数据 经解压缩还原得到的数据与原始数据不完全相同。下面对几种常用的编码方法进 行介绍。 信息是以不确定性的量度定义的。一个消息的可能性愈小，其信息量愈大。 一个信源x 的符号集为x i ( i = lan ) ，x i 出现的概率为p ( x o ，则信息量的定义 为： i ( x i ) = 一l o g xp i ( x i ) l 0 9 2 p i ( x i ) 如果将信源所有可能事件的信息量进行平均就得到了信息的熵。熵就是平均信 息量。信源x 的熵定义为： h ( x 户一p ( x i ) l o g p ( x 1 ) 香农于1 9 4 8 年创立的信息论中定义了一个信息容量c ，并证明只要符号 速率不超过信息容量c ，符号可以任意小的差错概率在该信道中传输。这就给 出了数据压缩的理论极限，即信源所含有的平均信息量( 熵) 就是进行无失真编 码的理论极限。换言之，只要不低于此极限，总能找到某种适宜的编码方法任意 地逼近熵。根据香农信息论信源中含有的冗余度源于信源本身的相关性和信源 概率分布的不均匀性，只要能去除相关性或改变概率分布的不均匀性，也就找到 了信源熵编码的方法，利用信息熵的编码方法主要有h u f f m a n 编码、行程编码 和算术编码。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 系统实现方案 2 4 1 系统简介 总体来说，本系统是由照明光源与光学系统、线阵c c d 图像传感器及其驱 动电路、基于a r m 和d s p 的嵌入式视频采集和压缩卡系统、缺陷标记电路及 标记机构、玻璃优化切裁机构组成的。其中，嵌入式视频采集压缩卡是本系统的 核心部分，它是以s a m s u n g 公司的嵌入式a r m - - s 3 c 4 5 1 0 b 芯片技术和1 1 公司 的t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 bd s p 芯片技术为基础，基于以太网络 2 2 1 2 3 1 洲( e t h e r n e t ) 接 口结构的嵌入式视频图像采集压缩卡。 在生产过程中，通过c c d 摄像头来检测流水线上的平板玻璃，捕获的图像 信号经过放大器和采样保持电路后为模拟视频信号( p a l 或者n t s c 制式) ，它 经过a d 转换为数字视频信号，视频信号通过高速1 m s 3 2 0 c 6 2 0 2 bd s p 压缩成 各种符合不同压缩标准的数据码流，压缩后的数据码流通过d s p 的总线接l = i t 2 研 传输到嵌入式微处理芯片j 娘m s 3 c 4 5 1 0 b 上，通过嵌入式微处理器的操作系 统pcl i n u x 的t c p i p 或者u d p i p 协议栈闭 2 7 1c 2 8 1 将数据打包。 数字化后的图像信息将依次进行预处理、图像分割、缺陷特征提取、判断决 策等处理，自动对被测玻璃进行缺陷检测、识别及分类，根据所得到的检测结果 对缺陷标记电路和玻璃优化切裁机构发出控制信号，对缺陷处进行打标并化切 割，从而得到符合生产标准的优质玻璃。 光源 平板玻璃 时钟和驱动电路 蓍鬈臁m 互习午赢 缺陷标记机构及玻 l 控制l 基于a r m 和d s p 的嵌入 璃优化切裁机构n i j 吾 式视频采集压缩系统 以太网控制器k = = ：爿 i n t e m e t 图2 1系统实现的最终示意图 1 0 客户端p c 机 远程监控 武汉理工大学硕士学位论文 此外，还可以运行嵌入式w e b 服务器，通过网卡芯片将数据通过网络接 口传入到以太网。客户端可以通过以太网的网桥或交换机来进行远程访问，如： 实时监控、发出控制信号等。系统实现的最终示意图如图2 1 。 2 4 2 系统总体设计 该视频压缩系统采用c c d 模拟摄像头，其输出为复合电视信号c v b s ( p a l 或n t s c 制式) 或是s v i d e o 信号。模拟信号经过专用视频a d 转换器( p h i l i p s 公司的s a a t i l 4 h ) 处理可以得到符合c c i r 6 0 1 标准的数字电视图像信号，其 图像规格为7 2 0 x 5 7 6 ，2 5 帧秒( p a l 制式) 或7 2 0 x 4 8 0 ，3 0 帧秒( n t s c 制 式) ，然后采用1 r i 公司的高性能系列定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 b 作为主编解 码芯片，对该数字视频信号进行编码，压缩后的数据码流 3 0 l 【3 1 l 3 2 1 通过d s p 的总 线接口将数据传输到s a m s u n g 的越t m s 3 c 4 5 1 0 b 上，通过操作系统的网络协 议栈将数据打包，通过网卡芯片将数据通过网络接口传入到以太网。 整个视频压缩系统的原理框图如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式视频压缩系统结构原理图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 系统主要模块 整个压缩系统从硬件上可以分为6 个部分：主处理器模块、视频a d 输入解 码模块、d s p 存储模块、嵌入式微控制器模块、微控制器存储器模块、电源模块。 1 主处理器模块 该模块主要由t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 bd s p 和e p m 7 1 2 8 sc p l d 构成，其主要功能 是数据处理和前端系统接口逻辑控制。其中c 6 2 0 2 bd s p 实现对视频数据的压缩 编码处理，而c p l d 则主要完成视频a d 与f i f o 、f i f o 与d s p 之间的时序控 制功能。另外系统通过c 6 2 0 2 b 的x b u s 总线的从模式与嵌入式芯片模块相接， 将压缩后的数据传到微控制器模块。 2 视频a d 输入解码模块 视频a d 模块主要包括p h i l i p ss a a 7 1 1 4 h 视频a d 转换器和与之相配套的 f i f oa i a 4 0 b 。该模块的功能主要是接收c c d 摄像机采集到的模拟电视信号， 将其转换成符合c i i l 6 0 1 标准的数字视频信号。然后通过缓冲f i f o ，传送到d s p 中进行进一步的压缩和编码工作。 3 d s p 存储器模块 存储器模块主要包括用于d s p 存储扩展的s d r a m ，用于d s p 上电加载f l a s h 以及d s p 外部总线上的一些驱动器。对于视频压缩编码这样的应用来说，c 6 2 0 2 b d s p 片内存储器无法满足编码程序对于存储空间的要求，所以需要片外扩展 1 6 m b y t e 的s d r a m 。另一方面对于一个完整的d s p 压缩系统来说，需要一片 f l a s h 或者e e p r o m 用于上电时的程序加载 4 】。 4 嵌入式微控制器模块 整个系统要运行嵌入式操作系统，采用a r m3 2 位r i s c 处理器的内核，将 d s p 压缩后的视频码流通过网络协议栈打包传输到以太网上。 5 微控制器的存储器模块 主要是2 m b y t e 的f a s h 用于存放b o o t l o a d e r 和操作系统的代码，此外，加系 统的运行速度，片外扩展了1 6 m b y t e 的s d r a m 存储器。 6 电源模块 对于嵌入式视频压缩硬件来说，电源质量的好坏直接影响到整个系统工作的稳定 性。系统采用了一片c 6 0 0 0 系列的d s p 专用芯片t p s 5 6 3 0 0 ，为c 6 2 0 2 b 提供所 需要的1 5 v 和3 3 v 电压。同时使用一片l t 0 8 6 - 3 3 为系统的其它部件供电 3 3 v 3 。 2 4 4 系统软硬件划分 正如上文中所分析的，本系统对于计算和网络的能力都有较高的要求，所以 武汉理工大学硕士学位论文 本系统采用了独立的双内核结构，一个用于图像处理，一个用于运行操作系统。 从功能上也可划分为d s p 和a r m 两大部分，分别见图2 3 和图2 4 。 系统设计中包括的主要部分功能如下： c c d 摄像头：用于摄取图像，送出模拟视频信号到视频解码器； 视频解码器：将模拟视频信号转化为数字视频信号，并为系统提供统一的时 间同步信号，其输出一路接先入先出存储器( f i f o ) ，一路接视频压缩芯片： 先入先出存储器例 3 0 l ( f i f o ) ：作为视频解码器和d s p 之间的数据缓冲器； 数字信号处理器：用于运行图像识别算法，判断是否有玻璃缺陷并提取； 专用图像压缩芯片：用于压缩视频解码器输出的数字图像，并根据d s p 的 指令存入i d e 硬盘中； 存储介质：即i d e 硬盘或存储卡，用于存储视频数字图像； 图2 - 3d s p 子系统 复杂可编程逻辑器件伫町 2 9 1 ：用于向d s p 的数据存储器、程序存储器以及 f i f o 提供逻辑控制信号； 计算机接口：在需要时，系统可通过d s p 的h p i 接口与外部计算机通信， 操作人员可通过计算机的用户程序对系统的各种参数加以配置或将图像发送给 远端的主控制台，实现远程监控。在本系统中，d s p 通过h p i 与a r m 芯片 相连，a r m 芯片运行u c l i n u x ，通过网络传输模块将图像传输到监控的客户端。 武汉理工大学硕士学位论文 在系统的总体设计中，视频解码电路、缓冲电路、d s p 电路和a r m 电路 及其接口是系统的基本部分，而考虑到实际工程需求，将压缩电路、存储模块等 作为系统的功能扩展部分，在软硬件设计时尽量予以考虑。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 正确可行的硬件设计是整个缺陷检测系统开发的基础和重要部分。一个好的 可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能目标，还应该为整个 系统调试和升级留下足够的冗余设计和自由度。另一方面，硬件设计的同时要考 虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设计正确和简明的同时，也必须考虑 到该硬件基础上进行软件开发的可行性和难度。 3 1 功能模块的实现 3 1 1 主处理器模块 主处理器模块主要由系统的核心部分t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 bd s p 芯片，以及时钟电 路等d s p 外围辅助器件组成。c 6 2 0 2 bd s p 属于1 r i 公司t m s 3 2 0 c 6 2 x 系列定点 3 2 位d s p ，除了具有该系列d s p 全部特点之外，该芯片采用了双总线的机构， 外部除了e m i f 总线之外还有扩展总线( x b u s ) ，这样可以通过x b u s 总线与嵌 入式微控制器连接传输数据结果。 该部分主要完成的功能如下： 完成对视频a d 模块的数字视频流的压缩编码； 完成对拍摄的玻璃图象的缺陷的模式识别； 通过c 6 2 0 2 bd s p 的x b u s 总线将识别结果传输到嵌入式微控制器上 通过c 6 2 0 2 bd s p 的m c b s p l 模拟1 2 c 总线，以对视频a d 芯片 s a a 7 1 1 4 h 进行初始化和配置； 3 1 2 视频输入解码模块 该模块的主要功能是将从c c d 摄像头输入的模拟视频信号转换为数字信 号。普通c c d 摄像头的输出是n t s c 制式( 或p a l 制式) 的复合全电视信号c v b s 或是s - v i d e o 信号，二者均为模拟信号。通过一块p h i l i p s 公司的t v 解码芯片 s a a 7 1 1 4 h 将模拟t v 信号解码并且模数转换为符合c c i r 6 0 1 标准的数字视频 信号，并且存储到专用的视频f i f o 芯片a l 4 4 0 b 中，等待d s p 处理。整个模块 主要由三个部分组成： ( i ) 视频a d 采集 武汉理工大学硕士学位论文 对于c c