（电路与系统专业论文）异性纤维检测系统研究及硬件实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 棉花杂质检验是整个棉花检测工作中的一个重要组成部分。通过杂质检验可 确定棉花的含杂量。检验杂质的含量和分析杂质的种类，有助于改进棉花初步加 工的工艺措施，提高皮棉品质。棉纺厂可以据此正确计算用棉量，采用相应工艺 措施，使成纱疵点减少、条于均匀，显著提高生产效率和成品质量，降低成本。 因此杂质检验具有重要意义。 本课题所设计的异性纤维检测系统即是针对这杂质检测问题开发的。本系 统基于数字信号处理器a d s p 一2 1 5 3 5 定点d s p ，以工控机为核心，由c p l d 和f p g a 提供系统的逻辑控制信号，进行高速实时图像处理，排除棉花异性纤维。系统包 含c c d 摄像头，a d s p 2 1 5 3 5 数字处理器子板，基于f p g a 的i o 控制子板，工 控机等。 系统通过c c d 摄像头采样棉花图像数据，用d s p 依照设计的算法对数据进行 高速处理，通过工控机总体协调控制相应外围设备，剔除不符合标准的杂质并能 在p c 机上设置能够实时显示管道中流动的棉花的界面。 信号处理部分的主体是d s p 子系统。通过p c i 插卡板的形式d s p 子系统内置 于工控机内。通过p c i 接口的连接，能够有效地利用p c 机资源，降低开发成本， 尤其通过p c 机的图形界面操作极大地方便了d s p 系统调试，具有很强的应用价 值。本文主要讲述系统的硬件设计和图象处理原理以及系统部分软件设计。 本论文先介绍异纤分拣系统背景发展状况，然后依次论述检测核心算法( 检 测和示教) ，系统方案设计，系统硬件设计，及a d s p - 2 1 5 3 5 应用开发等。 关键词棉花异纤检测；a d s p 2 1 5 3 5 ：f p g a c p l d ；实时图像处理 ，! ：一：，。，：呈塞三竺尘耋至圭耋堡星圣 ! ：一一 a b s t r a c t d e t e c t i n gi m p u r i t yf o rc o , t o ni sa ni m p o r l a n tp a r tf o ra l ld e t e c t i n gc o , i o nw o r kt h r o u g h d e t e c t i n gi m p u r i t y , w em a yk n o wt h ei m p u r ec o n t e n ti nt h ec o t t o n i n s p e c t i n ga m o u n to fi m p u r i t y a n da n a l y z i n gk i n d so fi m p u r ec o t t o nh e l pt oi m p r o v eo nt e c h n o l o g i cm e t h o d sf o re l e m e n t a r y p r o c e s s i n gc o t t o na n dl i n to fg o o dq u a l i t y a c c o r d i n gt oi m p u r i t yi n s p e c t i o n ，s p i n n i n gm i l lc o u l d a c c u r a t e l yc o m p u t et h ea m o u n to fc o t t o nr e q u i r e da n dt h r o u g ha d o p t i n gt h ec m t e c tt e c h n o l o g i c m e t h o d s ，f i n i s h e dy a mc o u l dd e c r e a s et h ed e f e c t s ，r e d u c et h ec o s t ，i m p r o v et h eq u a l i t ya n d u n i f o r mt h es t r i p s s oi m p u r i t yi n s p e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h et h e s i sm a i n l yd e s c r i b e sd e t e c t i n gs y s t e mi s d e v e l o p e df o rt h ei m p u r i t yd e t e c t i o n t h e s y s t e m i sb a s eo nf i x e ds i g n a lp r o c e s s o ra d s p 一2 1 5 3 5t od ot h eh i g h - s p e e dr e a lt i m e i m a g e p r o c e s st oc l e a no u tt h ef o r e i g nf i b r e t h ec o r eo ft h es y s t e mi si n d u s t r yp c ，c p l da n df p g a p r o v i d et h es y s t e ml o g i c a lc o n t r o ls i g n a l s s y s t e mi n c l u d ec c dc a m e r a , a d s p - 2 1 5 3 5d s p b o a r d ，t 0c o n t r o lb o a r db a s eo nf p g a i n d u s t r i a lp ce t c t h es y s t e ms a m p l ed a t ab yc c d c a m e r a ，p r o c e s st h ed a t ab yd s pu s i n gd e s i g n e da l g o r i t h m a n dh a r m o n i z et h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t sb yp cf o rs o r t i n gt h ei m p u r i t ya n dd i s p l a y i n gt h ec o t t o n i nt h ep i p e l i n e t h ed s ps u b s y s t e mi st h em a i np a r to ft h es i g n a lp r o c e s ss e g m e n t i ti ss e t t e di n t ot h e i n d u s t r yp cb yp c ia d d i nc a r df o r m t h r o u g hp c is l o tw ec a ue f f e c t i v yu s et h ep c sr e s o u r c e ， r e d u c et h ec o s to fs y s t e md e v e l o p m e n t e s p e c i a l l yt h r o u g ht h eg r a p h i c si n t e r f a c eo f t h e p c ，d e b u g d s ps y s t e mb e c o m ev e r yc o n v e n i e n c e s oi th a sv e r yw i d ea p p l i c a t i o nm e a n i n g t h i st h e s i si s m a i n l yd e s c r i b et h eh a r d w a r ed e s i g n , d e t e c t i n ga l g o r i t h m ，a n dp a r to fs o f t w a r ed e s i g no ft h e s y s t e m f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do ft h ef o r e i g nf i b r ed e t e c t i o n ，t h e n ， i ts e t sf o r t hi nt u r nt h ec o r e ，s y s t e ms c h e m ed e s i g n ，s y s t e mh a r e w a r ed e s i g n ，a n da p p l i c a t i o no f a d s p - 2 1 5 3 5 k e yw o r d sf o r e i g nf i b r ed e t e c t i o n ；a d s p - 2 1 5 3 5 ；f p g a c p l d ； r e a lt i m ei m a g ep r o c e s s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业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：墨室盘日期： 垫! 竺：鱼：! 刍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：垦室叠 导师签名日期：兰：! 竺：! ：! 争 第1 章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 异性纤维( 简称“异纤”) 主要是指棉花采摘、收购、加工等环节中混入棉 纤维( 简称“棉纤”) 中的其它纤维和脏棉纤维( 图1 - 1 ) ，如化纤丝、头发丝、 麻纤维等。 g b l l 0 3 7 2 9 规定：“皮棉的杂质：包括非纤维杂质和不孕籽、棉、棉籽、 籽棉、破籽、籽屑上的棉纤维”，一般杂质是沙土、枝叶、玲壳、棉籽、籽棉、 破籽、不孕籽、软籽表皮等。 从近几年情况看，掺混非纤维物质如沙土、碎石块、火柴、铅丝头等是少了， 但皮棉中的异性纤维愈来愈多。如纺织袋线、麻纤维、棉纱头、再生棉、塑料绳、 布块等，这些纤维与棉纤维同呈白色，混入棉花甚至放入纱线中，难以发现。但 当印染棉布、棉纱时，因棉纤维与异性纤维着色率不一致，印染时不免出现无数 个分散的印染疵点，造成大批残次品，直接影响正常的生产秩序和外贸出v l t ”。 新标准g b l l 0 3 9 9 3 8 “危害性杂物”正是据此而专门规定的。危害性杂物 是“混入棉花中的对棉花加工、使用和棉花质量有严重影响的硬杂物和软杂物”。 如金属、砖石及化学纤维、丝、麻、毛发、塑料绳、布块等异性纤维或色纤维等。 棉花杂质概念自然扩展为混入皮棉中的非纤维杂物和不孕籽、棉籽、籽棉、破籽、 籽屑上的棉纤维及异性纤维、色纤维。 图1 - 1 混入棉纤维中的其它纤维和脏棉纤维 f i g u r e1 1f o r e i g nf i b r e l 北京工业大学工学硕士学位论文 虽然棉花中夹带的异性纤维比重很小，危害却很大。经过纺织机械打击分 梳( 分梳：把棉花分割梳理为碎片) 后，异性纤维纵向断裂、横向分开，数量成 倍增加，严重时会缠绕刺辊( 刺辊：纺织机械上圆柱形、能旋转的部件) ，造成 机械运转困难。不仅如此，布面由于含有异性纤维易形成大量疵点( 图1 2 ) ，印 染时布面因异性纤维的存在，导致布匹“开花” 2 1 。在棉纺织业中，如果没有清 除生成纱锭前棉花籽的残留物、包装时混入的编织袋碎片运输中混入的其他纤维 和被污染的棉纤维等这些杂质，不仅直接影响棉花公司和纱厂的利益，还关系到 我国棉纺品占整个国际市场份额。 从1 9 9 9 年度起，我国新的棉花标准正式实施，异性纤维第一次列入检验项 目。新标准规定，检验棉花时，未发现异性纤维的，在检验证书“异性纤维”栏 注明“未发现”，否则根据数量做降级处理f 3 l 。可见对于棉产品来说，每多一点 杂质，品质就会大打折扣，价值也会受到严重的影响。国际贸易中我国的棉织品 由于异性纤维影响棉花质量而招致外商索赔，损失数额较大。 综上所述，高效、低成本的棉花检测已经成为棉花相关企业发展的关键的 生产因素。瑞士、意大利、德国已经率先推出异纤分拣机用于纺织产业。但在我 国，由于资金、发展程度等原因，现在国内纺织行业多数情况下还使用人工检测， 这种方式效率低、消耗大量人力物力。 国外异纤分拣机的价格每台定位在人民币2 0 0 万元左右。由此可见，我国纺 织市场急需一种相对廉价的、性能可靠的异纤自动分拣系统。本课题的主要研究 内容：棉花异纤检测系统就是为此目的而提出的。 图1 - 2 含有异性纤维的布面上形成疵点 f i g u r e l 一2b a da r e aw i t hf o r e i g nf ib r ei nt h ec l o t h 2 第1 章绪论 1 2 国内外异性纤维挑拣装置的发展状况 异性纤维对棉织品的重要影响得到了设备制造厂商的充分认识，德国、瑞士、 意大利等国已生产出用不同方法实现异性纤维检测的装置【4 j 。 德国t r e i t z s c hf e l ( 特吕茨勒) 公司的s e c u r o 精a ts g ：采用把电子照相机 装在水平放置的矩形管的两边，对进入矩形管的棉流进行高速扫描。根据物体颜 色、尺寸、几何形状、透明度和反射的异物，来判别异物是否存在。金属探测器 和电子照相机检测出的异物，通过异物排除机构的板阀排入废料车中。当火星探 测器探出可燃材料或火星时，立即关闭管道阀门并使生产线断电停车。此系统的 排除有a + c 、b + c 和a + b + c 三种形式。其中：a 装有火星探测器和金属探测器， b 装有电子照相机，c 为异物排出机构。t r f i t z s c h l e r 公司推荐该设备安装于开清 棉流程的前部，紧接在轴流开棉机的后面【4 1 。 德国t r n t z s c h l 6 1 公司的s e c u r o m a ts o f o ( 图卜3 ) ：在生产线的前端安装 s c 电子式金属探测分离机，可最大效率地分离金属物质及可燃物质，从而保护 设备。置于长方形管道的金属探测器可以探测到棉流中的任何金属微粒，其灵敏 度高于圆形管道。它对最小金属微粒大小的测定是可调节的，因此金属微粒的大 小和重量都不是问题。在生产线的末端安装异性纤维分离装置，可在很少损失棉 纤维的情况下检测和分离异性纤维，它还具有强力除尘的功能，因此可以代替强 力除尘机。扫描速度为1 0 2 4 线s ，每行扫描2 0 4 9 个像素。 图1 3s e c u r o m a ts c f o f i g u r el - 3s e c u r o m a ts c f o j j 躁科喂精装鼹，原料吸收罄强：州取辩分离嚣 m a s 中椰葙，给 l i 罗拉秆杯针f 1 平 舜料梭潮裟嚣 争喷气艟瀚铲i 札隅裴糍：1 0 光棚袭懈垮挖铡平台。 图1 4s e c u r o m a ts c f o 系统结构5 1 f i g u r e1 - 4s t r u c t u r eo f s e c u r o m a t ：，：! ：! i ! 窒i ：些鐾三兰璧兰堡至圣! ：! ，：， ：。! 一 瑞士l o e p f e 公司的c o t t o ns o r t e r ：在机器中有一水平的原料输送矩形管 ( 图1 - 4 ) 。原料从矩形管的- - n 进入检测区时，装于矩形管两面的4 组1 6 个高 频灯管发出的散射光照亮了原料。同样装于矩形管两面的4 个极高速( 每秒钟扫 描1 4 5 0 线) 、高分辨率( 每行扫描2 5 9 2 个像素) ccd 线扫描照相机将经过的 原料图像接收下来。由于灯管和照相机分别置于矩形管两面，所以原料两面的图 像可被同时接收下来。计算机对记录下的图像进行分析，分辨出与原棉在颜色上 和尺寸上不同的杂质。当含杂质的原料被气流输送到排杂区时，排杂区横向排列 着4 0 个空气喷嘴，当含杂质的原料被气流输送到排杂区时，根据杂质所处的位 置，相对应的喷嘴喷射出高压空气，将杂质吹落入排杂箱中。 图1 - 5 瑞士l o e p f e 公司的c o r o ns o a e r f i g u r e1 - 5c o t t o ns o r t e r 意大利l o p t e x 公司的s o r t e r ：采用图像传感器阵列检测、高速气阀阵列排 除方式( 图1 5 ) 。原料自设备的上部进入由荧光灯照明的扁管中，从下部输出到 下一机台。在扁管两面的全部宽度上，各排列着一排图像传感器阵列。当原料经 过图像传感器阵列时，计算机记录下经过原料的图像并进行分析，确定原料中杂 质的位置。当含杂质的原料到达高速气阀阵列处时，位于杂质处的高速气阀动作， 将杂质吹落到排杂箱中，而好纤维几乎不会被排出( 一般情况下小于o 1 ) 。 l o p t e x 公司推荐该设备安装于开清棉流程的末端，进入梳棉机之前。【6 】 第1 章绪论 图1 - 6 意犬利l o p t e x 公司的s o r t e r f i g u r e1 - 6s o r t e ro fl o p t e x 最近，我国的设备厂商和科研机构，也开始逐步涉足这一领域，并已有成型 产品问世。 上海中纺宝达科技有限公司的z y 6 - 0 4 8 棉花异型纤维自动检测清除系统：该 系统利用装于专用输送装置两侧的美国产高速线扫描摄像机检测通过的棉花，将 图像信号传至装有d s p 的处理器中，经特殊的算法处理，高性能清除装置用高 压喷嘴将棉花中的异型纤维清除。该系统采用可见光图像识别与紫外线检测相结 合的方法，可自动识别和清除有色尼龙、塑料、麻线、皮草、碎布片以及无 色透明或与棉花颜色接近的杂物。其最小分辨率小于等于1 毫米，异型纤维的清 除率在8 0 以上。 中科院上海技术物理研究所的“光电眼”一一光电子棉花异性纤维自动检 测、清除系统：能自动检测并清除棉花中的杂物。检测速度达每小时4 0 0 千克棉 花，相当于3 个女工8 小时的工作量。“光电眼”的核心是机器视觉和智能加工 技术，4 0 9 6 个传感器在一定光照下可分辨棉花与异物，加上先进的数字信号处 理器，提高了传统纺织业的高科技含量。这一成果以后还将应用到毛料、农作物 种子和汽车发动机的检测上叽 台湾明正公司的t s - 1 0 0 0 a 异纤检出设备：棉花经由特殊风管，根据f r e e f ! o w 原理均匀散布于l 米的工作宽度上，其图像被前后二个速度超过每秒钟5 0 0 万像 素的彩色线扫描摄象机精确地记录下来，与计算机中定义好的色彩范围进行对 比、分析判断，然后利用六组独立运作的高压喷嘴将异性纤维排除至收集箱中。 该设备根据异性纤维的色相、饱和度和强度三大光学要素进行判断，因此对与原 第t 章绪论 第5 章论述a d s p 一2 1 5 3 5 提供给应用开发者的多种硬件资源并介绍了用于 a d 公司d s p 产品软件开发和仿真调试的集成开发环境v i s u a ld s p + + 3 o ，仿 真器s u m m i t - - i c e 。并对d s p 指令集进行了简单的介绍。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 第二章棉花异纤检测的图像处理算法模型 棉花中的多数异纤用肉眼即可辨别，一般来说其颜色与纯棉存在较大的差别， 棉纺企业在开清梳阶段的人工除杂就是依靠异纤的这一颜色特质来进行的。由于 纯棉和异纤颜色上存在明显区别，在色度空间中研究这一差别，将其抽象定量化 为数学模型，提出异纤检测的图像处理算法，这是实现棉花异纤自动检测的前题。 2 1r g b 颜色模型 基于三刺激理沦，我们的眼睛通过三种可见光对视网膜的锥状细胞的刺激来 感受颜色。这些光在波长6 3 0 n m ( 红色) 、5 3 0 n m ( 绿色) 和4 5 0 n r n ( 蓝色) 使得 刺激达到高峰。通过光源中的强度比较，我们感受到光的颜色。这种视觉理论是 使用三种颜色基色：红、绿和蓝在视频监视器上显示彩色的基础，称为r g b 颜 色模型嘲。 颜色的描述需要三个量，这说明颜色空间是三维的。其中任意不相关的三种 颜色( 任意两种组合不能产生第三种颜色) 构成了颜色空间的一组基，成为三基 色。最常用的三基色就是上面所说的红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 。三基色通过适 当的混合能产生所有的颜色。 我们可以用如图2 - 1 所示的，由 r 、g 和b 坐标轴定义的单位立方体 来描述这个模型。三基色通过叠加混 合来产生新的颜色，所以是加色模 型。在此模型中，任意颜色以其颜色 坐标【r ，g b 来表示，其中r 、g 和b 的值在0 到1 的范围内赋值。因此一 种颜色cx 在r g b 空间中可以表示 。 u 为：cx = r r + g g 十阴 图2 1 r g b 三维色彩空间 f i g u r e2 - 1r g bt h r e e d i m e n s i o n a lc o l o rs p a c e 第2 审搞花异纤检捌的图像处理算法模型 在色彩空间中，顶点品红通过将红色和蓝色相加生成三元组( 1 ，0 ，1 ) 来获 得，而白色( 1 ，l ，1 ) 则是红色、绿色和蓝色顶点的和。灰度由立方体的原点一 一黑色( o ，0 ，0 ) 到白色( 1 ，1 ，1 ) 之间的主对角线上的位置来表示。对角线 上的每一点是等量的每- - e o 基色的混合。因此，从黑色到白色之间的中等明暗的 灰色表示成( o 5 ，0 5 ，o 5 ) 。立方体其他六个顶点分别表示红、黄、绿、青、蓝、 品红。 这是归一化的模型，在系统中对r 、g 、b 三个基色分别采用8 位量化，共 2 5 6 级，范围为0 到2 5 5 。 2 2 直方图 在数字图像处理中，一个最简单和最有用的工具是灰度直方图，该函数概括 了图像的灰度级内容。任何一幅图像的直方图都包括了可观的信息某些类型的 图像还可由其直方图完全描述【9 。 灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度级的像素个数：其 横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率( 像素的个数) 。 当一幅图像被压缩为直方图后，所有的空间信息都丢失了。直方图描述了每 个灰度级具有的像素个数，但不能为这些像素在图像中的位置提供任何线索。因 此任意特定的图像有唯一的直方图，反之并不成立。 直方图的轮廓线提供了一个确立图像中简单物体边界的有效方法。使用轮廓 线作为边界的技术被称为阈值化，用最合适的方法来选择灰度的阈值是图像处理 中讨论最多的一个问题。 2 3 棉花图像直方图特征 一幅图片的直方图，表示该图像中各种不同灰度级像素出现的相对频率。因 为由摄像机拍摄的合格棉花图像也基本上是白色，图像灰度值是比较集中的，通 过不同像素出现的频率，可以找到一个阈值来判断标准棉花的色彩空间范围。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 2 为一光照较强的情况下棉花照片和它的直方图。 图2 - 2 棉花直方图 f i g u r e2 - 2h i s t o g r a mo f c o t t o ni m a g e 由上图可以看出，棉花图像的灰度分布是很集中的，这样可以统计出低端和 高端的阀值，通过灰度值的比较可以判断出待测棉花是否是合格棉花。 2 4 棉花的色彩空间分布特征 一般常见的棉花都是白色的，而且基本颜色均匀。由摄像机拍摄的棉花图像 基本上也是白色的，这就是说，在棉花的图像数据中r g b 三个颜色的数值基本 上是相近的。在r g b 的三维色彩空间中，这样的图像点基本位于与三个坐标轴 夹角相同的主对角线上。在拍摄棉花图像的过程中，光线照到棉花上反射回来， 然后被采集。棉花在不同的角度对光线的反射有不同的强度，这就使棉花图像在 灰度上有一定变化，表现在r g b 的三维色彩空间里，就是在主对角线的灰度轴 上有一定的变化范围。由于光线与棉花本身的原因，棉花的图像不可能是完全的 灰度图像，也就是r g b 三个分量的值不是完全相等的。表现在r g b 的三维色彩 空间里，就是棉花图像点不仅分布在灰度轴上，在轴周围的一个范围内都有分布， 与邻近的像素点灰度值相同，这样仅用直方图的阈值就不能完全判别，所以就需 要在立体的色彩空间中构造模型。 当选取大量的合格棉花进行图像采集时，其棉花的图像在r g b 三维色彩空 间形成了个棒槌状的形体( 图2 3 ) ，主体在与r g b 三坐标轴夹角相同的灰度 1 n ：! ：篓! 茎堡些量窒丝型塑垦堡丝兰塞兰堡竺 ：! 。，： 轴上，由于棉花反射光的不均匀性，棒槌拉的较长，中心部分呈灰色 9 j 。 图2 - 3 棉花色彩空间中的模型 f i g u r e2 - 3c o t t o ni m a g ep i x e ld i s t r i b u t i n gi nr g bt h r e e d i m e n s i o n a lc o l o rs p a c e 这就是棉花在r g b 三维色彩空间中的模型特征，当用于拍摄的好棉花数量 足够多时即可确定这一阈值。可以肯定空间中这个范围就是好棉花的范围，没有 落在这个空间中的基本就是要进行分离的异性纤维。 通过对待检测棉花的观察，发现有以下几种异性纤维： ( 1 ) 颜色较深的小颗粒，估计是在去除棉花籽时留下的。它颜色较深近于黑 色，在棉花图像中亮度很小，处于灰度轴的低端。 ( 2 ) 颜色很浅的塑料纤维，估计是在棉花的包装运输中混入的。它的颜色较 浅，由于是塑料纤维容易反光，所以表现在棉花图像中就亮度很高，处于灰度轴 的高端。 ( 3 ) 颜色不纯的棉花，估计是品质不佳或受到一定污染的棉花。由于它的颜 色不纯，偏向某一种颜色，在r g b 色彩空间中表现为偏向某一个坐标轴。 北京工业大学工学硕士学位论文 这几种主要的异性纤维在r g b 三维色彩空间中，都不与合格棉花的范围重 叠。合格的棉花在灰度轴的中段偏上，灰度值小的异纤在灰度轴低端，亮度高的 异纤在灰度轴的最高端，偏色的棉花偏向某一颜色轴，离灰度轴较远，这样通过 r g b 三维色彩空间中的标准棉花阈值( 见图2 3 ) ，可以分辨出棉花和异纤，所以 这样的棉花特征模型已符合识别的要求。 2 5 棉花检测算法 在已知棉花色彩空间统计特征的前提下，建立一套合适的棉花检测算法来进 行特征提取，构造r g b 空间棉花特征模型。进而可以通过与棉花特征模型的对 比来发现异纤。 在这个r g b 三维色彩空间中，合格棉花的立体范围应呈现棒槌状，基本上 是绕对称轴的旋转体。棉花检测算法，就是要找到这个立体闽值范围，并判断图 像点是否在这个范围内。 2 6 棉花检测算法模型分类 棉花检测算法是棉花异纤检测系统的核心算法，该算法包括两部分：一是示 教算法；二是实时检测算法。 示教算法是一个建立标准棉花模型的过程。它通过大量的合格棉花的数据的 处理，从中提取出合格棉花的数学模型，并得到一些关键点的值，为检验提供一 个判别的标准。 实时检测算法是利用示教算法得到的合格棉花的数据，从含有异纤的棉花中 检测出杂质，并启动相应的除杂喷头将异纤排除。 2 7 棉花检测算法设计 2 7 1 一般算法 本算法采用标准的计算机图形学算法。处理过程如下： ( 1 ) 采集大量合格标准棉花的图像数据存储到p c 机中进行示教。 第2 章棉花异纤检测的图像处理算法模型 ( 2 ) 将这些点描绘在r g b 三维彩色空l 刨中，找到棉花的棒槌状形体的对称轴。 也就是找出棒槌状形体离原点最近的点对应的向量，和离原点最远的点对应的向 量。再由这两个向量找出对称轴。 ( 3 ) 将对称轴在r g b 三维色彩空间里进行两次转轴，使对称轴与某一坐标轴 重合。这样可以使空间形体的数学模型得到简化。 ( 4 ) 因为棒槌形体基本上是旋转体，经 转轴后，可分解为若干同心圆。在示教过 程计算出每个同心圆的半径，在检测时， 将待检测的图像点两次转轴，确定在哪个 同心圆平面中，再比较是否在圆的范围内， 就可以判断出此图像点是否在合格棉花的 空间范围矾 蛳眩扁篇鬻怒n g a 出 通过这样的算法，将对称轴旋转到某坐标上，合格的棉花在这个轴的中上部， 颜色深即灰度值小的异性纤维在这个轴坐标数值小的一边，亮度高即灰度值大的 在这个轴的坐标数值大的一端( 见图2 4 ) ，这样棉花的质量用在这个轴上的位置 就可以分辨。下一步，由于偏色的棉花与其灰度值相同的棉花在同一个同心圆平 面中，因为有偏色所以r g b 的某一分量值较大，这样对应的点离轴较远，由于 经过示教已经找到了合格棉花的半径范围，而目前这个离轴较远的点将落到这个 范围之外，这样偏色的异纤也能得到识别。所以，这样的算法已经基本可以达到 识别的要求。 本算法分为三步操作步骤： ( i ) 从c c d 采集一个棉花图像点。 ( 2 ) 根据已知的三组方向余弦( 由示教算法给出) 和原始数据的坐标由下面 公式计算转轴后的新坐标。 北京工业大学工学硕士学位论文 ，= r c o s o rj + g c o s 届+ b c o s y g = r c o s c t2 + g c o s l 3 2 + b c o s y2 6 f = r c o s ( x3 + g c o s l 3 3 + b c o s t 3 ( 3 ) 用旋转后的新坐标进行查表判断。用r 进行查表，得到标准半径的平方， 再和g “+ b “的结果进行比较，判断是否为异纤或脏物。 这种异纤检测的算法优点是示教出的模型比较准确，但是在检测的算法中旋 转共使用了9 次乘法，比较之前又使用了2 次乘法，运算复杂度高，且运算时间 长，影响实时性，具体实现难度较大。故需要对算法进行改进。 2 7 2 改进算法 从工程的角度重新考虑棉花图像的r g b 三维空间模型，会发现棉花空间模型 的对称轴与r g b 空间立方体的主对角线的偏离很小，而且可以通过摄像机的r g b 三通道的增益调节功能进行校正，使这一差值趋向更小。因此可以将这两个轴看 成一个轴，且此误差可以忽略不计。 根据上述近似，即认为棉花模型的对称轴与r g b 空间立方体的主对角线重台， 那么与棉花空间模型对称轴垂直的平面上的所有点r g b 值的和均相等( 见下一段 说明) 。这样就可以用r g b 的和来确定此像素点在哪个同，t l , 圆平面内，将三维问题 降低为二维问题。与原算法相比，改进算法将确定比较平面而进行的9 次乘法和 7 次加法，减少到了2 次加法。 在立体三维空间里，采用8 比特量化，其灰度值取值范围为0 - 2 5 5 的取值， 以r 、g 、b 分别代表x 、y 、z 三个坐标轴。从图2 3 可知，棉花在r g b 三维 空间中呈现棒槌状。其中心轴是过点r = 1 2 0 、b = 1 2 0 、g = 1 2 0 和原点的直线。按 照0 - 2 5 5 用垂直于色度空间对角线轴的平面，可以将棉花模型分截成7 6 5 个平面。 如图2 5 中的内部圆形。每个截平面代表r g b 灰度值相同的像素点的集合，其和 值分别为l ，2 ，7 6 5 。在示教中，我们需要找到每个平面的最大半径值，来建 立标准棉花的色度空间模型。图像数据位于在这个空间模型之内的点可以认为是 1 4 第2 章棉花异纤检测的图像处理算法模型 好棉花，位于空间模型之外的点之外认为是杂质点1 0 】。 接下来需要确定截面圆半径。已知合格棉花的模型可以近似认为是一个旋转 体，那么被垂直平面切后的轴截面应该是一个圆形，圆周轨迹是由三点坐标确定 的。因为没有经过转轴，计算圆周轨迹圆半径有些困难，如果直接计算还是会用 到很多乘法，平方、开方运算。所以要找一种方法近似的到该圆周轨迹。经过推 导验证，发现可以用r 、g 、b 三点两两之差的最大值来近似表示半径值。模 型截平面示意图见图2 5 中外部圆。 由图2 5 可知，这两个轨迹之间虽然存在差异，但是相对来说，计算r 、g 、 b 三点近似的部分两两之差的最大值的算法比计算圆周的算法简单的多，比较适 合d s p 做高速运算。那么，近似的部分对结果的影响有多大呢? 我们知道，标 准的棉花是纯白色的，其图像点位置很接近色度空间的对称轴轴，越远离对称轴 则合格棉花数据越少，异纤越多。所以两个模型之间相差的边缘图形不会对结果 产生很大的影响。 图2 - 5 改进后算法的轨迹与原轨迹的比较 f i g u r e2 - 5c o m p a r eo f t h et w oa l g o r i t h m 2 8 示教算法和检测算法 基于上述图像处理数学模型及其理论证明，分别提出用于棉花异纤检测的示 教和实时检测的图像处理算法。 北京丁= 业太学= i = 学顾士学位论文 2 8 1 示教算法 新算法的示教模块步骤如下： 第一步：从c c d 摄像机采集大量合格棉花的图像数据存储到d s p 采集处理板。 第二步：以三个坐标的和相等的点作为一个集合，统计该平面内的棉纤图像 点数。这样，整个空间近似成7 6 6 个平面。 第三步：统计每个平面内r 、g 、b 三坐标两两之差的最大值的平均值，作为 检测时的阈值。 对计算出的棉花特征模型的检验采用两种方法：一种是根据计算出的同心圆 半径数据，将图描绘出来，进行直观的的判别：另一种是用求出的模型数据对棉 花图像进行检测，用结果进行判别。 如果把每个平面对应的闽值画在一个坐标轴上，可以得到图5 所示的示教模 块的直观图。 图2 - 6 示教模块的直观图1 f i g u r e2 - 6d i r e c tg r a p ho ft r a ir l i n gm o d e l 2 8 2 实时检测算法 新算法的检测模块步骤如下： ( 1 ) 从c c d 读入一个棉花图像点。 ( 2 ) 计算r 、g 、b 三点的和以及两两之差的最大值。 ( 3 ) 用三点之和进行查表得到标准的差值。 ( 4 ) 用标准差值和差值的最大值进行比较，判断是合格棉花还是异纤或异纤。 若为异性纤维，则通过基于f p g a 的控制板触发对应的高压气喷头对异性纤维喷 气，将异纤排除。 ! 量! ：! 耋! 墼量量丝型! ! 呈堡竺兰茎篁堡竺，! ：! 本章小结 图2 7 检测算法流程 f i g u r e2 - 7f l o wc h a r to f d e t e c t i o n ga r i t h m e t i c 介绍示教算法和检测算法。改进后的算法虽然在示教时建立的模型略显粗糙， 但是，在检测时由于没有乘法运算，完全是加法和比较指令，可以大幅度提高棉 花检测的效率，并且其检测的精度在工程中是可以接受的。 北京工业大学工学硕士学位论文 第三章系统需求分析及方案设计 本章指出系统对于各个部分的需求并进行针对性的分析。提出系统各部分 解决方案。经过对系统关键部分如信号采集部分、信号处理部分、系统管理操 作等进行分析并结合系统的算法模型。提出系统整体设计框图如下： 管道中的 棉花流 图3 - 1 系统框图 f i g u r e3 - 1f r a m eo f s y s t e m 系统工作过程如下：先将棉花打碎成小的絮状，吹入棉花流通管道，如果 管道中的鼓风机一直工作，棉絮即在管道中以一定的速度流动。在管道内两侧 有高速c c d 摄像头进行棉花图像信号的采集，将采集到的图像数据送入由d s p 及其外围电路组成的信号处理设备。对信号处理( d s p 、f p g a 等) 设备进行 编程，使其依照设计好的算法处理c c d 摄像头采集到的图像信号，识别出棉花 中的异性纤维，然后d s p 将处理结果送至f p g a ，由f p g a 根据信号处理结果 控制专用的喷气阀将检测到的异性纤维喷出至杂物箱。工控机( p c ) 负责整个 系统的配置、管理和数据的备份。这就是系统实现自动高速的棉花除杂的大至 流程。 下面介绍本系统各部分设计方案，主要分为：为数据采集、数据转换和传 第3 章系统需求分析及方案设计 输、高速数据处理、喷阀控制部分；工控机上的系统管理等五部分。 3 1 数据采集部分方案 棉花图像数据的采集，由彩色高速线阵c c d 来完成。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 称为电荷耦合器件，是7 0 年代发展起来的 新型半导体光电器件。它是美国贝尔实验室的w s ，b o y l e 和g e s m i t h g f 于1 9 7 0 年首先提出来的，后来很快被采用。c c d 技术在随后的二十年来取得惊人的进 展，它主要在摄像、信号处理和存储三大领域得到广泛应用【l 。 电荷耦合器件的基础是金属氧化物半导体电容器，简称m o s 电容器。 如果一个m o s 电容器的金属电极突然加脉冲获得一个高电压，它的下面就产 生一个势阱，并立即有新产生的少数载流子开始填充这个阱。一个m o s 电容 器对电荷的存储时间与体内材料质量和界面完整性有关。m o s 电容器可以在 短时间内用作模拟信息的存储单元，信息由阱内电荷量来表示，电荷可以用电 的方式注入，也可阻利用硅中的光电效应产生。当电荷由光电效应产生时，阱 内电荷量是被积分的光通量的函数，这就是c c d 器件用于光电转换的基础。 c c d 器件可分为线阵c c d 和面阵c c d 。 采用线阵c c d 进行数据采集。具有灵敏度高，分辨率好，光谱响应宽， 动态范围大等一系列优点。 在系统整体框架的机械部分中，管道中棉花流的速度是1 5 m s ，要求c c d 的行分辨率达到3 m m ，则c c d 行扫描频率至少不低于5 0 0 0 h z ，为实现较为精 确的异物识别，系统要求每行采集2 0 4 8 像素点，每个像素点对应的检测尺寸是 o 4 m m 左右。即c c d 信号采集速率至少达到1 0 m h z 。 经分析，系统采用彩色线阵c c db a s l e rl 3 0 1 b c 进行数据采集。有三线 彩色阵列( r g b 三路图像传感器) 每路分辨率是2 0 9 8 像素点( 本系统中只处 理2 0 4 8 点) 。电子曝光时间可控( 边缘控制、水平控制、可编程控制三种) ，信 噪比高，工控机通过r s - - 2 3 2 串口可对其进行编程。c c d 可以工作在外同步模 式和自运行两种工作模式下。在本系统中利用外同步信号控制其曝光时间和数 据行输出。c c d 带有a d 转换和光纤接v i ，时钟频率2 0 m h z 。输出是低压差 分发送信号( l v d s ) 。l v d s 信号具有有功耗低，传输线少传输距离远，共模 北京工业大学工学硕士学位论文 干扰低等优点。 c c d 图像传感器采集扫描通道中流动的棉花，分为红绿蓝三色信号传给 d s p 及工控机。传给d s p 的三色信号用于实时信号处理，送至工控机的三色信 号用于棉花图像实时显示。采用的l 3 0 0 系列线阵c c d 是德国b a s l e r 公司研 制的用于印刷检测号码识别产品检测处理等领域的彩色高清晰度线阵数字摄 像机。l 3 0 0 系列由三个像素为2 0 9 8 点的彩色线阵c c d 组成，每个线阵c c d 前分别装有红、绿、蓝滤光片，输出采用2 8 位c h a n n e ll i n kl v d s 技术。工作 模式可以采用2 0 m h z ，3 x 8 b i t 红绿蓝( r g b ) 模式，6 0 m h z ，1 0 b i t 模式或 6 0 旌4 z ，8 b i t 黑白模式。曝光时间可通过外同步信号控制，行扫描速度最高可达 9 2 5 k h z ( 每秒9 2 5 0 行) 1 1 3 1 。 c c d 主要特点： 2 0 4 8 x3 像素 2 0m h z 3 像素资料 c h a n n e ll i n kl v d s 或r s 一6 4 4 输出 曝光时间电子控制 高感光度 高信噪比 体积超小 易于安装，使用方便 体积超小 具有w i n d o w s 下设置软件，使整个操作非常简单 在异纤分拣系统中，c c d 采用外同步工作方式，图像信号采集采用2 0 1 4 h z8 位r g b 工作模式。在每一时钟周期，摄像头传输8 位红像素，8 位绿像素，8 位蓝像素和1 个行有效信号( 系统中不使用) 。l 3 0 1 b c 的采样和传输是在每一 像素时钟的上升沿进行，见图3 2 。 2 0 ii i 兰j 耋塑鎏塑錾塑垒堑一 ! ! ! ! ! # 自= ! l e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = = = = 一 刺1nn 几n 几 几几几f 几几几几几几几n 1 _ n 皿 蕊。o o o o o o o o o o o o o o 园 嗍 麓oo o o o o 0 0 9 。l o 曰冒酬烈蕊飙篱 鬻o o o o o o o o o o o 固 固圆固o o 固o o 黧淼篇蒸落赫舞蒿= 轰黑渊慧焉蠢篇淼 2 盛哺* 1 zbe 砒鼠啪雠桃w 峨e d 铮ea f n 幽目c 。n 捌i 自de _ 呻描“r 日 图3 - 2 边沿或电平控制曝光的2 0 m h z8 位r g b 模式 f i g u r e3 - 22 0 m h z8b i tr o b m o d ew i t he d g eo rl e v e lc o r 竹0 1 1 。de x p 0 5 u r 。 3 2 数据转换和传输部分方案设计 c c 0 输出的l v o s 信号虽然具有功耗低，传输线少，共模干扰低等优点。但 必须经过转换，转成2 4 位r g b 信号，才能进入d s p 进行处理。因