专利名称：基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉图像分割和图像处理技术领域，特别涉及基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统及检测方法。
背景技术：
在婴儿纸尿片和妇女卫生巾等个人卫生用品的成品制造中都使用的无纺布原材料，它们是一次性用品，且与人体直接接触，因而顾客对产品的质量及卫生状况极其关注。然而在成品的生产过程中，不可避免地会出现ー些机器油污、粉末、滴胶甚至死昆虫等污物附着在成品表面上，这些污物的面积大小不一。目前国内个人卫生用品行业的生产线速度毎分钟高达300m，包装前的人工随机抽样检测不仅效率低下，无法检测所有产品，而且增加了人员成本。在生产线上安装视觉检测系统，是近两年来国内无纺布成品生产厂商提出的新需求。目前个人卫生用品行业使用的机器视觉系统主要有两种(I)国际大厂商提供的集成系统，如Cognex、Keyence、Omron等的视觉系统；(2)国内ー些公司采用OEM相机在个人计算机(PC)平台上自主开发的视觉系统。然而这两种视觉系统的价格昂贵，不仅生产线制造厂家及最终产品制造商的成本増加了，而且无法掌握核心知识产权。另外，实际婴幼儿纸尿片和成人卫生用品的成品在设计为了提高产品的质量和效果，往往不是ー个纯白色的表面，不仅存在压花，而是加入了其他的吸水材料，称之为蓝芯片。压花和蓝芯片与纸尿片表面存在着很大的灰度差，视觉系统在检测时容易把压花和蓝芯片当作污溃，所以压花和蓝芯片的存在直接导致了表面污溃检测系统在设计时需要对不同的区域进行分割处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种降低检测误判率、提高检测可靠性的多区域分割视觉检测系统。本发明的另一目的在于，提供一种基于上述视觉检测系统的检测方法。为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案本发明ー种基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，包括CPLD子系统、ARM子系统、DSP子系统以及IO子系统；CPLD子系统根据外部同步信号和触发信号驱动图像信号处理器采集原始图像数据，并将这些数据写入到DSP中，同时CPLD子系统对人机界面进行显存管理及VGA输出管理；ARM子系统控制人机界面中的用户菜单的生成以及响应手操板动作完成图像采集工作參数的设置和多区域分割參数设置；DSP子系统，根据ARM子系统设置的工作參数和区域，分别完成分割出来的多个区域内的图像处理，产生判断结果并输出脉沖；IO子系统，系统的IO包括图像采集控制及次品剔除控制；处理外触发和外同步信号，保证采集的原始图像不会因为生产线速度的变化而产生变形；另外当DSP检测到污点后，根据计数预设的延迟排片数后，发出次品剔除信号。优选的，所述CPLD子系统包括图像采集、显存管理、外同步和外触发管理，CPLD子系统响应外部同步信号和触发信号，驱动图像信号处理器采集原始图像数据，并将产生符合DSP数据总线时序的信号，将这些采集到的图像数据写入到DSP数据总线的缓存中；人机界面是由CPLD管理SRAM静态存储器作为显存，CPLD以寄存器的形式开放总线给ARM，ARM以其异步存储器总线对这些寄存器进行读写操作，通过ARM读写CPLD的寄存器来实现显存数据的更新，CPLD先把ARM写入到其寄存器中的菜単数据值，保存到显存中固定的地址单元，再通过读取显存中的数据进行VGA显示，实现菜单界面。优选的，所述ARM子系统包括与CPLD相连接的异步存储总线接ロ、配置图像处理芯片的I2C接ロ、与DSP相连接的串ロ、以及扩展接ロ，ARM系统作为视觉系统的控制器，主要负责人机界面管理及系统工作參数的设置，ARM通过I2C接ロ设置VSP1021专用C⑶传感器图像采集芯片的相关寄存器；CPLD以寄存器的形式开放总线给ARM，ARM以其异步存储器总线对这些寄存器进行读写操作，实现ARM与CPLD之间的协调工作、完成人机界面的管理；同时ARM通过串ロ与DSP连接，把图像检测、区域分割等參数提供给DSP，以完成图像的分析。优选的，所述DSP子系统包括，包括图像存储部分、图像处理部分、外部接ロ部分构成，图像存储部分由DSP提供了 PPI接ロ给CPLD，工作时CPLD产生符合DSP数据总线时序的信号，将采集到的原始CCD图像数据写入到DSP的PPI接口数据总线的缓存中，并由DSP的DMA操作将缓存中的数据保存到SDRAM中，完成图像存储；这些原始的图像由DSP根据ARM子系统设置的工作參数和区域，分别完成分割出来的多个区域内的图像处理；外部接ロ部分通过串ロ与ARM相连接，获取图像处理參数，最后图像运算产生的判断结果也通过外部管脚输出信号给CPLD处理。优选的，所述IO子系统包括，IO子系统由外同步、外触发、次品剔除的排片信号构成，系统在运行过程中，CCD是连续扫描的，然而成品的生产是有间隔的，这样就要通过外触发信号，在运动方向上正确标识出每个产品的起始位置，以通知CPLD将这部分图像数据写入到DSP中进行计算，外触发是将生产线上的编码器信号作为电子凸轮计数，通过电子凸轮的计数输出来实现的；另外，因为系统采用线阵CCD扫描图像，扫描的行频率需要跟生产线的线速度相对应，以保证图像不会因为生产线速度的变化而变形，影响区域选择的精确性，保证图像检测精度，这样采集图像时要同步，采用伺服放大器的伺服驱动信号作为同步信号基准，并以设置的分频比例来确定图像的采样频率；次品剔除是当DSP进行图像运算后，发现有异常情况时，通过输出管脚上的脉冲信号通知CPLD，再由CPLD发出排片脉冲信号给生产线的执行机构来实现的；因为DSP是等待获取CPLD写入的图像数据并进行计算的，而产品的分界信号(即外触发信号)是接入到CPLD来控制图像采集的，也就是说DSP只要有数据就进行计算，而不管外部触发信号何时开始。但执行机构剔除的次品所在的位置与视觉系统安装的位置不在同一个地方，有可能相差几个产品的位置。当DSP发出异常脉冲给CPLD时，就意味着当前这个产品有问题，不过这个次品要在生产线上再往前几个位置才能被执行机构剔除，因此剔除脉冲要延迟发出，这个延迟的单位就是若干次外触发的计数。CPLD根据界面上预先设置的延迟数，在接收到DSP发出的检测异常脉冲后，对随后的外触发进行计数，每次计数相当于走过一个产品位置，当计数值等于设置的延迟数时，就发出剔除脉冲给执行机构，从而完成次品的剔除。为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案本反面基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统的检测方法，针对检测精度要求，检测算法是从水平运动方向及垂直运动方向上考虑图像的特性来进行设计的。本发明采用定位域的方式来确定图像边缘的起始位置，因为其他的分割出来的区域块都是基于定位域的相对起始位置而实现的，定位域的确定我们采用边缘检测算法来实现。当确定定位域以后，其他区域的位置也就相对固定了，这些区域的原始图像，可以通过DSP的DMA ニ维操作进行原始图像提�。庑┨崛〕隼吹母鞲銮虻脑纪枷瘢涂梢酝ü蚰谠ど璧募钢旨觳馑惴ń形劾＜觳猓饫锝樯堠`种阈值分割统计算法实现过程。其具体步骤如下 S1、在水平运动方向上，采用线阵CXD获取高速扫描的图像，将N次扫描的数据拼在一起，构成ー个局部范围内的面阵图像，再进行检测；因此DSP的PPI接ロ DMA操作及SDRAM的内存分配是按照N条线来操作的，完成这N条线的数据处理时间要求在NXO.1ms内实现；S2、在垂直运动方向上，对采集到的N条线的图像进行分块，并假设相邻两块区域的图像平均亮度相近，以前ー个区域内正常像素的亮度平均值作为下一区域图像分割的阈值，分块时以NXN区域为ー个图像区域；S3、对每个NXN区域块，将上ー个区域内不包括缺陷像素在内的所有像素亮度的平均值作为该区域的分割阈值，统计该区域内不满足阈值分割的图像像素个数，将该统计值作为污溃的面积；如果NXN区域内污溃的面积大于预设的报警阈值，那么DSP在IO管脚上输出判断异常脉冲给CPLD，如果统计的污溃面积小于报警阈值，那么标记该区域及相邻的M个区域，并统计M+1个区域内污溃的面积，以这个面积之和作为断续相连丝状污溃的判断依据。优选的，每个NXN区域数据的处理都是在BlackFin531的内部缓存中进行，并且在内部缓存开辟了两个存储区，采用BlackFin531的存储器DMA通道，将每个NXN区域数据以乒乓操作的形式从SDRAM搬移到DSP内部缓存，这样进行运算时可以忽略数据搬移的时间。优选的，在进行污溃判断之前，对图像进行了滤波处理，以减小噪点对污溃判断的影响，通过示波器查看BlackFin531的IO管脚上的跳变波形，发现该算法计算NX2048个像素所用时间小于NXO.1ms,而工作时考虑检测边界的设定，实际的检测范围每条线是小于2048像素的，所以算法在保证检测精度的同时具有实时性。优选的，对于“统计值大于报警阈值”的判断，如果当前区域的统计像素个数小于设定阈值，则需要标记与当前NXN像素区域相邻的M个区域，如果M+1个区域内的统计值之和超出经验阈值，则认为此范围内存在丝状污溃，系统产生排片脉冲信号，执行机构接收到脉冲信号后将缺陷产品剔除，完成分割区域内的表面污溃检測。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果1、本发明的嵌入式机器视觉检测系统，介绍了系统的多区域分割处理的硬件结构和污溃判断方法，检测时能够避免蓝芯片对污溃判断的影响，降低误判率，提高检测的可靠性。同时该系统集成了人机界面，可以避免依赖计算机而造成的易用性问题。实际应用表明，该系统在线速度为300m/min的纸尿片生产线中，能够检测出I平方毫米的污溃。2、本发明采用嵌入式构架设计的视觉检测系统，集成了人机操作界面，使得系统的调试及參数不再依赖于エ业计算机，不仅降低了成本，而且安装灵活、操作方面，提高了系统的易用性。3、本发明采用2048像素的高速线阵CXD作为图像采集传感器，可以实现30cm宽幅面的高分辨率检测，保证检测的精度。4、本发明具有外同步和外触发信号捕获功能，保证生产线速度变化时采集的图像不变形。5、本发明对采集到的一副完整的成品图像，可以进行多区域分割处理，每个区域可以自定义区域的起始位置及面积，井根据成品的特性选择不同的检测算法，以实现具有压花和蓝芯片的成品表面污溃检测，提高了系统检测的可靠性。
图1是本发明多区域分割视觉检测系统的框架图；图2是图像数据采集信号的结构示意图；图3是本发明检测方法的流程图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进ー步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例机器视觉系统包括图像采集和图像处理两部分，图像采集采用的是电荷耦合元件(CXD)传感器。C⑶传感器从芯片结构上可分为面阵和线阵两种，面阵CXD主要用于记录、存储，线阵CCD主要用于产品外部尺寸的非接触检测、分类、表面质量评定、智能化测控及机器视觉中的精确定位等。线阵CCD具有成像分辨率、像素灰度级和采样速度高及检测尺寸大等特点，可以实现高精度的检测。纸尿片等卫生用品在生产过程中通常具有高速、大幅面的特点，所以采用线阵CCD传感器更符合实际应用要求。嵌入式机器视觉系统在采集图像时，可利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)驱动CCD传感器，并按照DSP数据总线的时序要求，实现图像数据的高速传输，这样不仅可以灵活设计和安装，而且可以保证数据传输的实时性和可靠性。为了把压花和蓝芯片跟成品表面其他部分分割处理，实现算法的多区域分割处理，系统采用了 ARM作为控制器，ARM编程的便利性有助于实现人机界面以及区域分割操作。而DSP提供了丰富的图像处理函数且有高速的数字处理能力，可以在短时间内完成图像处理算法，保证在线检测算法的实时性。由图1可知，系统主要由包括CPLD子系统、ARM子系统、DSP子系统、IO子系统。原始图像数据采集电路由CCD驱动电路、专用图像信号处理器及外围电路构成，CPLD子系统根据外部同步信号和触发信号驱动图像信号处理器采集原始图像数据，同时人机界面也要由CPLD进行显存管理及VGA输出管理。ARM子系统生成主要控制人机界面中的用户菜单的生成以及响应手操板动作完成图像采集工作參数的设置、多区域分割參数设置等，这些工作參数分别交给CPLD实现图像采集和DSP进行图像运算。系统工作时由CPLD产生符合DSP数据总线时序的信号，将图像数据写入到DSP数据总线的缓存中，并由DSP的DMA操作将缓存中的数据保存到SDRAM中，完成图像存储，最后由DSP根据ARM子系统设置的工作參数和区域，分别完成分割出来的多个区域内的图像处理，产生判断结果并输出脉沖。系统的IO接ロ信号包括系统的同步信号、外触发信号及次品剔除信号。同步信号来自生产线的伺服放大器脉冲，用来控制生产线的速度变化与CCD采样行频率之间的对应关系，避免生产线速度的变化导致采集的图像出现拉伸或压缩变形。外触发信号来自电子凸轮的输出，主要用来标识运动方向上不连续的检测区间；次品剔除信号传输给执行机构以剔除发现有缺陷的产品。系统图像采集使用线阵CXD传感器，其型号为东芝公司的T⑶1209D，它的有效像敏单元为2048个，数据率为20MB。由CPLD驱动CCD传感器进行图像数据采集的信号由图3所示。图2所示T⑶1209D的输出通过VSP1021专用CXD传感器图像采集芯片完成A/D转换，其支持双采样技木，内置输入钳位电路和可编程增益放大器。系统通过CPLD提供的SR、SV和ADCCLK时序信号，对双采样过程进行调节。ARM通过I2C接ロ提供的串行SCLK、SDIN和CS接ロ时序，配置VSP1021芯片上的寄存器和调节增益。VSP1021输出8位精度的原始图像数据，由CPLD进行逻辑处理后，按照DSP数据总线的写入时序及显存芯片的写入时序要求，写入到DSP内存和显存中，供后续处理。视觉系统在调试时，一般需要采集实时图像进行分析，以设置正确的工作參数。以PC为平台设计调试界面，不仅面临大批量数据传输的实时性问题，而且要将PC安装在生产线上，降低了系统的易用性，増加了推广难度。为此，在设计系统时就集成了人机界面，通过其VGA接ロ，直接将界面显示在标准VGA显示器上，并以简易手操板来操作系统的界面，完成工作參数设置和区域分割选择，这些工作參数和选择区域的起始位置、检测算法參数等，都保存在系统的外置EEPROM中，保证上电后自动加载參数。人机界面有三方面功能保存实时图像以完成区域选择等操作、生成系统菜単、VGA显示，实现这三方面功能的关键在于显存管理，设计系统时将SRAM静态存储器作为显存，主要通过ARM读写CPLD的寄存器来实现显存数据的更新，实现人机界面的菜单功能。实时图像的刷新是在CPLD获取VSP1021输出的图像数据后，在每个行同步周期内，将一次扫描的2048个有效数据写入DSP，同时以4:1的采样比例将图像数据保存在显存中。系统界面采用VGA的标准640X480分辨率，其行周期是31. 77 y s，CPLD采用20MHz作为驱动VGA时序的时钟频率,姆个像素的扫描宽度为50ns,姆行总的像素单元数为31. 77ii s/50ns=636，而有效像素单元数为25. 17 y s/50ns=512。行分辨率采用标准的形式，每行总的像素単元数为524，有效行数为480。同时为了防止对显存进行读写操作的数据之间发生冲突，要求在进行读操作时不能进行写操作，而且写操作完成后要使其数据引脚处于高阻。系统菜单主要由ARM生成，因为CPLD也需要用到ー些工作參数如外同步的分频比例，而ARM调节A/D的工作点时也需要获取经CPLD计算得到的线速度信息，因此设计时CPLD以寄存器的形式开放总线给ARM，ARM以其异步存储器总线对这些寄存器进行读写操作，实现ARM与CPLD之间的协调工作。CPLD先把ARM写入到其寄存器中的菜単数据值，保存到显存中固定的地址单元，再通过读取显存中的数据进行VGA显示，实现菜单界面。ARM是基于iiC/OS-1I系统构架进行编程的，可以方便地实现多任务调度，尤其对于多区域选择时候的操作实现了类似于鼠标拖拽选择框的动作。实际工作吋，DSP进行多区域图像分析与检测的參数也是由ARM通过串ロ发送给DSP的。另外，基于片上总线的数据操作，可以保证界面显示的实时性，克服基于PC界面进行调试的不方便。系统的IO主要包括两部分功能图像采集控制及次品剔除控制。图像采集控制是通过外同步与外触发输入信号来实现的。系统在运行过程中，CCD是连续扫描的，然而成品的生产是有间隔的，这样就要通过外触发信号，在运动方向上正确标识出每个产品的起始位置，以通知CPLD将这部分图像数据写入到DSP中进行计算。外触发是将生产线上的编码器信号作为电子凸轮计数，通过电子凸轮的计数输出来实现的。另外，因为系统采用线阵CCD扫描图像，扫描的行频率需要跟生产线的线速度相对应，以保证图像不会因为生产线速度的变化而变形，影响区域选择的精确性，保证图像检测精度，这样采集图像时要同歩。采用伺服放大器的伺服驱动信号作为同步信号基准，并以设置的分频比例来确定图像的采样频率。CPLD在采集图像时，获取的实时图像以4:1的采样比保存在显存中。VGA界面中显示出来的实时图像，会在界面的最左边一列用白色的竖线标识出触发区域内的图像，以区别非触发区域的图像，方便调试与监控。次品剔除是当DSP进行图像运算后，发现有异常情况时，通过输出管脚上的脉冲信号通知CPLD，再由CPLD发出排片脉冲信号给生产线的执行机构来实现的.因为DSP是等待获取CPLD写入的图像数据并进行计算的，而产品的分界信号(即外触发信号)是接入到CPLD来控制图像采集的，也就是说DSP只要有数据就进行计算，而不管外部触发信号何时开始。但执行机构剔除的次品所在的位置与视觉系统安装的位置不在同一个地方，有可能相差几个产品的位置。当DSP发出异常脉冲给CPLD时，就意味着当前这个产品有问题，不过这个次品要在生产线上再往前几个位置才能被执行机构剔除，因此剔除脉冲要延迟发出，这个延迟的单位就是若干次外触发的计数。CPLD根据界面上预先设置的延迟数，在接收到DSP发出的检测异常脉冲后，对随后的外触发进行计数，每次计数相当于走过一个产品位置，当计数值等于设置的延迟数时，就发出剔除脉冲给执行机构，从而完成次品的剔除。系统中的DSP不仅要完成原始图像的存储分配与检测时的多区域图像提取等控制任务，还要完成图像的分析与运算，因此设计时采用了 ADI的BlackFin531为核心处理器。BlackFin系列DSP体系结构是在ADI和Intel联合开发的微信号机构(MSA)的基础上实现的，不仅适用于数字信号处理，还提供了综合的控制能力，消除了多个不同处理器之间相联系的复杂性，简化了系统设计的结构，在一定程度上増加了系统的可靠性。设计时BlackFin531采用y C/0S-1I构架进行编程，以方便多任务调度，工作的总线时钟频率由外部27MHz晶振倍频得到，倍频系数是20，即DSP的总线时钟频率是540MHz。 CPLD将采集到的CXD传感器数据，通过BlackFin531处理器的PPI接ロ写入到PPI接ロ缓存中，由PPI结合DMA技术进行数据传输。BlackFin531的PPI接ロ在进行DMA数据传输吋，将两个8位的图像数据打包为16位的数据进行传输，可以提高存储空间的利用率及数据传送的速度。为了防止数据的破坏性写入，保证图像数据的完整性和有效性，系统在BlackFin531的外部SDRAM存储空间里开辟了 2个BANK作为原始图像的缓冲区域，分别保存2048X2048个像素的图像数据，表示可以存储2048条CXD扫描的图像数据。。视觉系统在实际生产线上运行时，检测算法在保证检测精度的同时必须具有实时性。在检测精度的计算上，根据T⑶1209D传感器的手册可知，传感器可以工作在20MB的数据率下，其分辨率为2048像素，那么其扫描的行频率就为20MB/2048=10000，即CCD以最快的行频率工作时，每扫描一次的时间是0.1ms0已知垂直运动方向安装的CCD分辨率为2048像素，一般无纺布成品在30cm的宽度内，那么对应的分辨率约为每毫米7个像素，因此垂直运动方向上的检测精度是可以保证的。而运动方向上的精度取决于CXD的扫描频率，当生产线在300m/min的线速度下运行，CXD也在最高频率下工作，这时ー个扫描周期生产线走过的距离为0. lmSX5m/S_0. 5mm，也就是每毫米的距离至少可以扫描两次，因而系统可以保证在300m/min的线速度下Imm2的检测精度。由上述检测精度分析可知，为了保证检测的精度，CXD需要工作在IOkHz的行频率下，DSP只有在0.1ms内完成一次扫描的2048个数据的处理，才能保证运算的实时性。由于图像存储时采用DMA通道进行数据传输，并使用了两个个缓冲区域进行数据缓沖，因此数据的传输时间可以不考虑在算法时间以内。针对检测精度要求，检测算法是从运动方向及垂直运动方向上考虑图像的特性来进行设计的。我们采用定位域的方式来确定图像边缘的起始位置，因为其他的分割出来的区域块都是基于定位域的相对起始位置而实现的，定位域的确定我们采用边缘检测算法来实现。当确定定位域以后，其他区域的位置也就相对固定了，这些区域的原始图像，可以通过DSP的DMA ニ维操作进行原始图像提�。庑┨崛〕隼吹母鞲銮虻脑纪枷瘢涂梢酝ü蚰谠ど璧募钢旨觳馑惴ń形劾＜觳猓饫锝樯堠`种阈值分割统计算法实现过程。算法首先考虑运动方向上的问题。采用线阵CCD可以获取高速扫描的图像，然而成品的表面通常不是光滑的表面，如果以一次扫描的2048个数据进行检测，必然无法反映出图像的特征，容易造成误判断。所以程序设计时，将20行的数据拼在一起，构成ー个局部范围内的面阵图像，再进行检測，这样图像的特征信息更加丰富，从而在保证检测精度的同吋，提高检测的可靠性。完成这20条线的数据处理时间要求在2ms内实现。其次，考虑垂直运动方向上的问题。在安装系统时，因为机械安装的原因，导致CCD传感器左右两端光照不均匀，从而出现采集到的图像数据左右两端亮度不同的情況。如果采用统ー的阈值进行图像分割，容易造成误判断。所以设计图像检测算法时需要考虑动态阈值，即对20行的图像再进行分块，并假设相邻两块区域的图像平均亮度相近，以前ー个区域内正常像素的亮度平均值作为下一区域图像分割的阈值。分块时以20X20区域为ー个图像区域。在产品生产线中，成品表面的污溃类型很多，污溃的面积有大有小。对于断续相连的丝状污溃，在20X20的区域内，检测时所统计的污点面积不足以达到报警的阈值，因此需要将发现污点的区域进行标记，并对标记的相邻区域内的污点面积进行累加。对每个20X20区域块，将上ー个区域内不包括缺陷像 素在内的所有像素亮度的平均值作为该区域的分割阈值，统计该区域内不满足阈值分割的图像像素个数，将该统计值作为污溃的面积。如果20X20区域内污溃的面积大于预设的报警阈值，那么DSP在IO管脚上输出判断异常脉冲给CPLD。如果统计的污溃面积小于报警阈值，那么标记该区域及相邻的8个区域，并统计9个区域内污溃的面积，以这个面积之和作为断续相连丝状污溃的判断依据。算法在DSP上实现时，为了有更快的处理速度，保证运算的实时性，每个20X20区域数据的处理都是在BlackFin531的内部缓存中进行，并且在内部缓存开辟了两个存储区，采用BlackFin531的存储器DMA通道，将每个20X 20区域数据以乒乓操作的形式从SDRAM搬移到DSP内部缓存，这样进行运算时可以忽略数据搬移的时间。图像处理流程如图3所示，在进行污溃判断之前，对图像进行了滤波处理，以减小噪点对污溃判断的影响。通过示波器查看BlackFin531的IO管脚上的跳变波形，发现该算法计算20X2048个像素所用时间小于2ms，而工作时考虑检测边界的设定，实际的检测范围每条线是小于2048像素的，所以算法在保证检测精度的同时具有实时性。对于“统计值大于报警阈值”的判断，如果当前区域的统计像素个数小于设定阈值，则需要标记与当前20X20像素区域相邻的8个区域，如果9个区域内的统计值之和超出经验阈值，则认为此范围内存在丝状污溃，系统产生排片脉冲信号，执行机构接收到脉冲信号后将缺陷产品剔除，完成分割区域内的表面污溃检测。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，包括CPLD子系统、ARM子系统、DSP子系统以及IO子系统； CPLD子系统根据外部同步信号和触发信号驱动图像信号处理器采集原始图像数据，并将这些数据写入到DSP中，同时CPLD子系统对人机界面进行显存管理及VGA输出管理； ARM子系统控制人机界面中的用户菜单的生成以及响应手操板动作完成图像采集工作参数的设置和多区域分割参数设置； DSP子系统，根据ARM子系统设置的工作参数和区域，分别完成分割出来的多个区域内的图像处理，产生判断结果并输出脉冲； IO子系统，系统的IO包括图像采集控制及次品剔除控制；处理外触发和外同步信号，保证采集的原始图像不会因为生产线速度的变化而产生变形；另外当DSP检测到污点后，根据计数预设的延迟排片数后，发出次品剔除信号。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，所述CPLD子系统包括图像采集、显存管理、外同步和外触发管理，CPLD子系统响应外部同步信号和触发信号，驱动图像信号处理器采集原始图像数据，并将产生符合DSP数据总线时序的信号，将这些采集到的图像数据写入到DSP数据总线的缓存中；人机界面是由CPLD管理SRAM静态存储器作为显存，CPLD以寄存器的形式开放总线给ARM，ARM以其异步存储器总线对这些寄存器进行读写操作，通过ARM读写CPLD的寄存器来实现显存数据的更新，CPLD先把ARM写入到其寄存器中的菜单数据值，保存到显存中固定的地址单元，再通过读取显存中的数据进行VGA显示，实现菜单界面。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，所述ARM子系统包括与CPLD相连接的异步存储总线接口、配置图像处理芯片的I2C接口、与DSP相连接的串口、以及扩展接口，ARM系统作为视觉系统的控制器，主要负责人机界面管理及系统工作参数的设置，ARM通过I2C接口设置VSP1021专用C⑶传感器图像采集芯片的相关寄存器；CPLD以寄存器的形式开放总线给ARM，ARM以其异步存储器总线对这些寄存器进行读写操作，实现ARM与CPLD之间的协调工作、完成人机界面的管理；同时ARM通过串口与DSP连接，把图像检测、区域分割的参数提供给DSP，以完成图像的分析。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，所述DSP子系统包括，包括图像存储部分、图像处理部分、外部接口部分构成，图像存储部分由DSP提供了 PPI接口给CPLD，工作时CPLD产生符合DSP数据总线时序的信号，将采集到的原始CCD图像数据写入到DSP的PPI接口数据总线的缓存中，并由DSP的DMA操作将缓存中的数据保存到SDRAM中，完成图像存储；这些原始的图像由DSP根据ARM子系统设置的工作参数和区域，分别完成分割出来的多个区域内的图像处理；外部接口部分通过串口与ARM相连接，获取图像处理参数，最后图像运算产生的判断结果也通过外部管脚输出信号给CPLD处理。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，所述IO子系统包括，IO子系统由外同步、外触发、次品剔除的排片信号构成，系统在运行过程中，CCD是连续扫描的，在运动方向上正确标识出每个产品的起始位置，以通知CPLD将这部分图像数据写入到DSP中进行计算，外触发是将生产线上的编码器信号作为电子凸轮计数，通过电子凸轮的计数输出来实现的；外同步采用伺服放大器的伺服驱动信号作为同步信号基准，并以设置的分频比例来确定图像的采样频率；次品剔除是当DSP进行图像运算后，发现有异常情况时，通过输出管脚上的脉冲信号通知CPLD，再由CPLD发出排片脉冲信号给生产线的执行机构来实现的；CPLD根据界面上预先设置的延迟数，在接收到DSP发出的检测异常脉冲后，对随后的外触发进行计数，每次计数相当于走过一个产品位置，当计数值等于设置的延迟数时，就发出剔除脉冲给执行机构，完成次品的剔除。
6.根据权利要求1所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统的检测方法，其特征在于，包括下述步骤 51、在水平运动方向上，采用线阵CCD获取高速扫描的图像，将N次扫描的数据拼在一起，构成一个局部范围内的面阵图像，再进行检测；因此DSP的PPI接口 DMA操作及SDRAM的内存分配是按照N条线来操作的，完成这N条线的数据处理时间要求在NXO.1ms内实现； 52、在垂直运动方向上，对采集到的N条线的图像进行分块，并假设相邻两块区域的图像平均亮度相近，以前一个区域内正常像素的亮度平均值作为下一区域图像分割的阈值，分块时以NXN区域为一个图像区域； 53、对每个NXN区域块，将上一个区域内不包括缺陷像素在内的所有像素亮度的平均值作为该区域的分割阈值，统计该区域内不满足阈值分割的图像像素个数，将该统计值作为污溃的面积；如果NXN区域内污溃的面积大于预设的报警阈值，那么DSP在IO管脚上输出判断异常脉冲给CPLD，如果统计的污溃面积小于报警阈值，那么标记该区域及相邻的M个区域，并统计M+1个区域内污溃的面积，以这个面积之和作为断续相连丝状污溃的判断依据。
7.根据权利要求6所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，每个NXN区域数据的处理都是在BlackFin531的内部缓存中进行，并且在内部缓存开辟了两个存储区，采用BlackFin531的存储器DMA通道，将每个NXN区域数据以乒乓操作的形式从SDRAM搬移到DSP内部缓存，这样进行运算时可以忽略数据搬移的时间。
8.根据权利要求6所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，在进行污溃判断之前，对图像进行了滤波处理，以减小噪点对污溃判断的影响，通过示波器查看BlackFin531的IO管脚上的跳变波形，发现该算法计算NX2048个像素所用时间小于NXO.1ms,而工作时考虑检测边界的设定，实际的检测范围每条线是小于2048像素的，所以算法在保证检测精度的同时具有实时性。
9.根据权利要求6所述的基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统，其特征在于，对于“统计值大于报警阈值”的判断，如果当前区域的统计像素个数小于设定阈值，则需要标记与当前NXN像素区域相邻的M个区域，如果M+1个区域内的统计值之和超出经验阈值，则认为此范围内存在丝状污溃，系统产生排片脉冲信号，执行机构接收到脉冲信号后将缺陷产品剔除，完成分割区域内的表面污溃检测。
全文摘要
本发明公开了一种基于嵌入式构架的多区域分割视觉检测系统及检测方法，系统包括CPLD子系统、ARM子系统、DSP子系统以及IO子系统，CPLD子系统根据外部同步信号和触发信号驱动图像信号处理器采集原始图像数据，同CPLD子系统对人机界面进行显存管理及VGA输出管理；ARM子系统控制人机界面中的用户菜单的生成以及响应手操板动作完成图像采集工作参数的设置和多区域分割参数设置；DSP子系统，根据ARM子系统设置的工作参数和区域，分别完成分割出来的多个区域内的图像处理,产生判断结果并输出脉冲；本发明检测时能够避免蓝芯片对污渍判断的影响，降低误判率，提高检测的可靠性。同时该系统集成了人机界面，可以避免依赖计算机而造成的易用性问题。
文档编号G01N21/94GK103018259SQ201210556819
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者张谦, 裴海龙, 王乃洲, 贺跃帮 申请人:华南理工大学
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