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機器視覺(jué)(Machine Vision)是以機器模仿人類(lèi)視覺(jué)的光學(xué)識別系統，他利用攝影機和電腦擷取、分析及解釋影像內容，進(jìn)而下達某些決策。由于機器視覺(jué)系統可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機器視覺(jué)系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺(jué)系統的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，常用機器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺(jué)檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀(guān)測的對象無(wú)接觸，因此對觀(guān)測與被觀(guān)測者都不會(huì )產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠。

1　機器視覺(jué)系統的構成
　　機器視覺(jué)一般由以下幾個(gè)部分構成：照明部分；光學(xué)系統，包括圖像傳感器和照相機；圖像采集卡/圖像數字化儀，掃描儀；可視的多路傳輸器；工業(yè)計算機；控制執行機構。如圖1所示。

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2　傳統機器視覺(jué)技術(shù)中存在的問(wèn)題
　　機器內存中的工作由主機CPU來(lái)完成。在一些圖像數據量大且算法較復雜的情況下，單機的CPU往往無(wú)法實(shí)時(shí)完成運算量。這時(shí)需要由若干臺計算機組成一個(gè)局域網(wǎng)，其中的一臺計算機作為服務(wù)器，其他計算機進(jìn)行圖像下面以弘達儀器公司開(kāi)發(fā)的銅箔板表面質(zhì)量在線(xiàn)檢測系統為例具體說(shuō)明。銅箔板表面質(zhì)量在線(xiàn)檢測要求對線(xiàn)上的銅箔板進(jìn)行非接觸在線(xiàn)檢測，該種板的尺寸為1240mm×1080mm(寬×長(cháng))，流水線(xiàn)速率為0.5m/s；自動(dòng)識別各種瑕疵如劃痕、氧化點(diǎn)、墊傷、異物等；檢測精度為0.2mm。
　　由于項目要求檢測精度較高，流水線(xiàn)速率較高，導致了圖像處理數據量的龐大?；谀壳暗挠嬎銠C處理速度，單機是無(wú)法完成檢測任務(wù)的，所以他們采用基于局域網(wǎng)的多機并行處理系統。(如圖2所示)每臺計算機所連接的攝像機只負責檢測鋼板的一部分表面(1/4的鋼板表面)。

　　根據系統的要求他們采用了4＋1的方案，即4臺客戶(hù)計算機接4只CCD攝像機完成圖像數據的實(shí)時(shí)采集、處理，將數據通過(guò)局域網(wǎng)傳輸到一臺服務(wù)器，所有客戶(hù)機的數據在服務(wù)器進(jìn)行整合后，給出檢測結果。
　　銅箔板表面質(zhì)量在線(xiàn)檢測系統的這種解決方案的缺陷顯而易見(jiàn)，該套系統總共配置了5臺計算機，成本高昂，而且系統比較復雜，可靠性降低了。
2.1　改進(jìn)方案
　　通過(guò)在每塊圖像采集卡上集成高性能的DSP芯片而構成高速圖像處理卡，由DSP替代計算機的CPU進(jìn)行圖像處理。這時(shí)DSP相當于上述解決方案中的一臺計算機的CPU。進(jìn)一步通過(guò)在一臺計算機上插置4塊這種高速卡，由主機的PCI總線(xiàn)控制器負責控制協(xié)調4塊高速圖像處理卡對總線(xiàn)的占用。這時(shí)主機的CPU相當于上述解決方案中的服務(wù)器。這樣就節省了PC機的開(kāi)銷(xiāo)，大幅度降低了成本。圖3給出這種高速圖像處理卡的硬件原理圖。

2.2　硬件線(xiàn)路關(guān)鍵部分詳解
　　攝像機將捕捉到的視頻信號輸入到ADC后，數字化。 然后數字視頻信號輸入到高速FIFO中。一旦FIFO中的數字視頻數據快滿(mǎn)時(shí)，DSP將這些數據讀入到內部RAM中，進(jìn)行數字視頻信號的算法處理。圖像處理算法對各種瑕疵如劃痕、氧化點(diǎn)、墊傷、異物等進(jìn)行檢測，并與標準進(jìn)行對比，對于超標的，進(jìn)行紀錄。DSP將最后的運算結果輸入給PCI總線(xiàn)控制器。PCI總線(xiàn)控制器以DMA方式將運算結果傳到主機的內存中。這時(shí)主機的CPU相當于 上述方案中的服務(wù)器，他只對4片集成高速DSP的視頻處理卡處理后的結果進(jìn)行統計分析，不做圖像的算法處理。下面結合具體的芯片，介紹一下集成DSP的高速圖像處理卡(芯片的型號與具體應用相關(guān))。
　　ADC芯片可以選Philips的SAA7114，SAA7114支持NTSC/PAL/SECEM制式，A/D轉換精度是9b，并行輸出8b視頻輸出帶為27 MHz。每一個(gè)時(shí)鐘周期(1/27MHz)并行輸出1個(gè)字節，除了輸出數字象素外，SAA7114還輸出時(shí)鐘信號以同步?？梢酝ㄟ^(guò)設置SAA7114的相關(guān)寄存器來(lái)控制SAA7114輸出圖像的尺寸。
　　同步FIFO可以選擇TI公司的SN74ACT7881，大小為1024b×18，同步FIFO與SAA7114的接口速度為27MHz，寬度為8b。FIFO與DSP的接口速度可以配置為81MHz，寬度為16b。當FIFO中快寫(xiě)滿(mǎn)數據時(shí)，給DSP發(fā)出控制信號以使DSP產(chǎn)生中斷，取走FIFO中的數據。

　　為了和PCI總線(xiàn)控制器接口，DSP需要支持PCI接口。DSP可以選取TI的TMS320C6414。該款DSP除了支持PCI接口外，主頻高達到500MHz，流水線(xiàn)深度為8級，這樣峰值運算能力可達到4000 MI/s。FIFO可直接與DSP的外部存儲器接口。DSP的外部存儲器接口通過(guò)EDMA(增強型DMA)將數據傳輸到DSP的內存中。EDMA的傳輸由FIFO的同步信號來(lái)觸發(fā)。6412的內部存儲結構為修正哈佛結構，即分為兩級存儲：L1P/L1D/L2P分別為16kB/16kB/1024kB。通過(guò)設置相關(guān)的寄存器，可以將L2P分割為不同比例的程序存儲器和數據存儲器。處理銅箔板表面質(zhì)量情況的圖像處理算法放置在L1P和分割出的L2P中，而通過(guò)FIFO輸入的數字圖像數據就放在L1D和分割出的L1P中。編譯好的圖像處理算法的二進(jìn)制文件燒置在外部FLAH中，上電后程序映射到SDRAM中。FIFO、SDRAM、FLAH都是通過(guò)DSP的外部存儲器接口局部總線(xiàn)(EMIF)和DSP相接。
　　6414的PCI接口符合PCI2.2規范：32b，33MHz，傳輸速度為132MB。PCI總線(xiàn)控制器可選PCI9054。DSP將最后的運算結果傳輸到PCI9054的FIFO中。一旦9054檢測到PCI總線(xiàn)空閑，就將FIFO中的數據發(fā)出。由于在PCI總線(xiàn)上，基本的傳輸機制是一次成組傳輸(burst)，一次burst通常由一個(gè)地址周期和一個(gè)或幾個(gè)數據周期組成。這種線(xiàn)性突發(fā)傳輸方式可以確?？偩€(xiàn)不斷滿(mǎn)載數據，能有效地運用總線(xiàn)頻率帶寬去傳輸數據，減少無(wú)謂的尋址作業(yè)。PCI獨特的同步操作功能可確保微處理器能與這些總線(xiàn)主控同時(shí)操作，一旦PCI總線(xiàn)空閑，高速圖像處理卡馬上將數據傳送到內存中，無(wú)需等待CPU操作完成。

3　結語(yǔ)
　　集成DSP的高速視頻處理卡可廣泛應用到機器視覺(jué)所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域以減少成本，增加可靠性。以產(chǎn)品表面質(zhì)量監測領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，集成DSP的高速視頻處理卡就可以應用到鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的冷軋鋼板、鍍鋅鋼板等彩鋼板的表面質(zhì)量檢測；造紙生產(chǎn)過(guò)程中對紙張表面(包括厚度)質(zhì)量的檢測；塑料生產(chǎn)過(guò)程中對表面質(zhì)量要求較高的塑料制品的表面檢測；電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中對表面質(zhì)量要求較高的器件表面質(zhì)量檢測，如晶圓表面質(zhì)量檢測等?！　?br />     在一些特殊的工作環(huán)境里，對主機的穩定性、可靠性、安全性和體積等有著(zhù)苛刻的要求(如礦山、超市的監控)?；赑C機的監測系統在這種場(chǎng)合下可能不符合要求，這時(shí)可以設計嵌入式的系統：參照圖3只需做少許改動(dòng)即可：即集成DSP的高速圖像處理卡的最后端不接PCI總線(xiàn)控制器9054，而是接一個(gè)CPU(如ARM或者PowerPC)，在其上移植操作系統如嵌入式的Linux從而構成一個(gè)嵌入式的應用系統以滿(mǎn)足特殊的要求。