专利名称：基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及基于机器视觉的纸张缺陷检测技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统及方法。
背景技术：
纸张生产过程中，纸幅表面会不可避免地产生ー些缺陷，即纸病，如斑点、孔洞、 皱褶、刮痕等，这些外观纸病是会严重影响纸张质量，因此纸病检测是生产过程中的ー个重要环节。传统的纸病检测由人工完成，但现代造纸业具有纸幅宽、速度快的特点，依靠人 エ检测纸页纸病已不能满足要求。近年来，随着机器计算机和数字图像处理技术的发展，基于机器视觉的纸病在线监测系统在ー些大型造纸企业得到了广泛应用，该系统能够快速、 有效的实现纸幅纸病在线检測。但在这种系统中，纸病检测主要依靠运行在PC机上的图像处理软件实现，这种检测方案一方面不利于实现大型分布式在线检测，另一方面由于其构建成本一般都比较高，在中小規模的造纸企业的应用受到限制。针对这些问题，基于嵌入式处理器的机器视觉技术逐步应用到的纸病检测领域中，并出现了ー些应用系统，这些系统大多采用高速DSP芯片作为纸病图像分析的核心处理器，一定程度上克服了基于PC机的纸病检测的缺点，但由于纸病图像的采集、预处理、纸病检测等所有的处理操作都由DSP完成， DSP的本身运算负荷就非常大，而且DSP芯片还需频繁与外部存储设备进行数据交換，因此对于实时在线检测，时间裕量不够，采用这种技术方案的速度提升有限。发明内容
本发明的目的就是为了克服现有纸病检测技术存在的缺陷，提供一种基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统，其构成成本低、速度提升空间大、易于实现分布式检测，可实现黑斑、孔洞、褶皱、刮痕等常见纸病的在线检測。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统，它包括至少ー组高速相机，高速相机安装在运动纸幅上方，在运动纸幅下方则设有LED光源；高速相机与嵌入式纸病检测处理器连接，嵌入式纸病检测处理器通过以太网交换机与中心服务器通信；其中，嵌入式纸病检测处理器由FPGA和DSP协作实现，包括FPGA内的图像采集单元，它与FPGA内的双ロ RAM、 纸病图像预处理単元、以太网接ロ控制单元以及FPGA外的千兆网控制与收发芯片依次通信；纸病图像预处理单元与纸病检测DSP、高速SRAM通信；图像采集单元通过LVDS/ LVTTL 转换芯片采集图像数据，通过LVTTL/ LVDS转换芯片控制高速相机；纸病图像预处理单元接收图像采集单元的图像数据，并对其进行预处理，纸病检测DSP接收纸病图像预处理单元的图像数据，并进行纸病检測；以太网接ロ控制单元一方面控制千兆网控制与收发芯片接收来自以太网的相机设置參数，并将其传送至图像采集単元，另一方面接收来自图像预处理单元的纸病检测结果数据，并控制千兆网控制与收发芯片将其传送至以太网。
所述高速相机由多路エ业用线阵CXD相机组成，横向并排安装在运动纸幅的上方；姆路相机通过Camera Link线缆连接到各自的嵌入式纸病检测处理器。
ー种采用基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统的检测方法，它的步骤为(1)參数设置通过中心服务器的前台检测软件操作，对各路高速相机的行频、曝光时间以及图像尺寸等參数进行设置；(2)检测启动參数设置完成后，通过中心服务器的前台检测软件发出纸病检测命令，该命令通过以太网传送至各路嵌入式纸病检测处理器，启动在线纸病检测；(3)纸页图像采集各路嵌入式纸病检测处理器通过FPGA内的图像采集单元和Camera Link接ロ将相机采集的纸页图像数据保存到FPGA内的双ロ RAM中；(4)图像预处理嵌入式纸病检测处理器通过FPGA内的图像预处理单元从双ロ RAM中读取图像数据，并对其进行中值滤波及分段灰度线性变换预处理；(5)纸病检测与定位 预处理后的图像数据输入纸病检测DSP，纸病检测DSP利用阈值分割法将图像中亮斑、 刮痕类高亮度纸病区域和黒斑、褶皱类低亮度纸病区域分别从背景中分离出来；然后计算各个纸病区域的圆形度，井根据圆形度区分孔洞与刮痕、黒斑与褶皱；(6)如果纸病检测DSP检测到纸页图像中存在纸�。蚪扛鲋讲〉睦嘈�、面积、位置參数及相应纸病图像通过千兆以太网传送至中心服务器；(7)中心服务器通过多个子窗ロ对多路检测结果及纸病图像进行更新显示，同时将其保存到后台数据库中。
所述步骤(I)中，在中心服务器上的检测软件将各路高速相机的行频、曝光时间、 图像大小等參数从硬盘上直接调入内存，然后通过以太网传送至嵌入式纸病检测处理器中 FPGA内的图像采集单元，图像采集单元由此产生相机控制信号，并由LVTTL/LVDS转换芯片和Camera Link线缆传送至高速相机。
所述步骤(3)中，高速相机输出图像的有效像素数据经Camera Link连接电缆和 LVDS/LVTTL接ロ转换芯片，传送至FPGA内的图像采集单元；图像采集单元以行同步信号作为写有效信号，以像素时钟作为写时钟将高速相机的图像数据写入到双ロ RAM中。
所述步骤(4)中，当采集到ー帧图像数据后，FPGA内的图像预处理单元读取双ロ RAM中的图像数据，先根据图像尺寸对图像进行边界裁剪处理，然后进行中值滤波，以消除随机噪声干扰，之后再进行分段线性灰度变换，增强图像中的纸病区域，抑制其背景区域； 预处理结果保存到FPGA外的高速SRAM中；预处理结束后，图像预处理单元向纸病检测DSP 发出中断信号。
所述步骤(5)中，纸病检测DSP接收到中断信号后，读取SRAM中图像数据；先利用阈值分割出图像中孔洞和刮痕类高亮度纸病区域以及斑点、褶皱类低亮度纸病区域；利用开运算去除噪声干扰后，再利用标记法确定图像中各个纸病区域的位置及面积；然后计算各个纸病区域周长平方与面积比得到圆形度，圆形度较大的区域为褶皱或刮痕，圆形度较小区域的为黑斑与亮斑。
所述步骤(6)中，纸病检测DSP完成图像检测后，如果纸病的个数不为零，则将每个纸病的类型、面积、位置等參数传送至FPGA的以太网接ロ控制单元，该单元将纸病參数、 纸病图像以及所属的相机号数据进行打包，并控制千兆网控制与收发芯片将数据传送至以太网，再由以太网传送至中心服务器。
所述步骤(7)中，在中心服务器的前台检测软件界面上，每个相机都有一个对应的子窗ロ，用于显示该路相机检测结果；软件接收到以太网传送过来的数据后，根据其所属的相机号将采集的纸病图像及相应的纸病參数显示在对应的子窗口中，并将其保存到后台数据库中。
本发明采用了并排的多路エ业用线阵CXD相机采集运动纸幅图像数据，图像数据经Camera Link接ロ传送至各自对应的嵌入式纸病检测处理器，由于Camera Link接ロ的传输速率最高可达2. lGbps，可以保证数据采集的高速性。
嵌入式纸病检测处理器通过对纸病图像进行分析处理实现纸病检测，是整个检测系统的核心，也是制约整个检测系统速度的瓶颈。为了保证图像分析处理的高速性，该单元由FPGA和DSP协作实现，充分利用DSP的高速数据处理能力和FPGA的复杂逻辑处理能力。 嵌入式纸病检测处理器完成纸病检测后，检测结果及对应的纸病图像通过千兆以太网传送至中心服务器。中心服务器由计算机及运行在计算机上的前台检测软件及后台数据库组成。服务器接收各路检测单元的检测結果，并进行显示和保存。
本发明的有益效果是通过Camera Link接ロ线阵(XD相机实现了纸页图像的快速采集；利用FPGA和DSP嵌入式处理器实现了快速纸病检测与定位；利用千兆以太网保证了检测结果和纸病图像的快速传输。构建的纸病在线检测系统具有成本低、速度提升空间大、易于实现分布式检测优点，可应用于车速不低于lkm/min的运动纸幅的黒斑、孔洞、褶皱、刮痕等常见纸病高速在线检測。
图I基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统结构示意图；图2嵌入式纸病检测处理器原理框图；图3纸病检测算法总体流程图；图4确定纸病面积、位置及分离孔洞、刮痕的算法流程图；图5示例纸病图像及纸病类型识别結果。
其中，I.高速相机，2.运动纸幅，3. LED光源，4.嵌入式纸病检测处理器，5.以太网交换机，6.中心服务器，7. LVDS/ LVTTL转换芯片，8. LVTTL/LVDS转换芯片，9.图像采集单元，10.双ロ RAM，11.图像预处理单元，12.纸病检测DSP，13.高速SRAM，14.以太网接 ロ控制单元，15.千兆网控制与收发芯片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进ー步说明。
如图I所示，基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统主要包含LED光源3、运动纸幅2、高速相机I、嵌入式纸病检测处理器4、以太网交換机5和中心服务器6。LED光源、3安装在运动纸幅2的下方，高速相机I由多路线阵CCD相机组成，横向并排安装在运动纸幅2的上方。姆路相机通过Camera Link接ロ连接到各自的嵌入式纸病检测处理器4。如图2所示，嵌入式纸病检测处理器4主要由FPGA内的图像采集単元9、纸病图像预处理单元11、以太网接ロ控制单元14、双ロ RAMlO以及纸病检测DSP12组成，此外还包括片外高速 SRAMl3和LVDS/LVTTL转换芯片7、LVTTL/LVDS转换芯片8、千兆网控制与收发芯片15等外部接ロ芯片。各路嵌入式纸病检测处理器4内的以太网接ロ控制单元14通过以千兆网控制与收发芯片15连接到以太网交換机5，再由以太网交換机5连接到中心服务器6。中心服务器6由计算机及运行在计算机上的前台检测软件及后台数据库组成。
本发明的纸病检测方法为(I)參数设置。中心服务器6的前台检测软件从硬盘上调入各路高速相机I的行频、 曝光时间、图像大小等设置參数，设置參数通过以太网传送至嵌入式纸病检测处理器4。如图2所示，FPGA内的图像采集单元9产生TTL形式的相机控制信号，该控制信号由LVTTL/ LVDS转换芯片8转换成LVDS形式，并由Camera Link连接电缆传送至各路高速相机I。
(2)检测启动。通过软件界面发出纸病检测命令，该命令通过以太网传送至嵌入式纸病检测处理器4，启动在线纸病检测。
(3)图像数据采集。如图2所示，高速相机I 输出的图像数据经Camera Link连接电缆传送至LVDS到LVTTL转换芯片7，该芯片将4对LVDS数据信号和I对LVDS时钟信号转换成TTL形式28位数据和I路时钟信号。28位数据中包含帧同步信号(FVAL，本系统中无效)、行有同步信号(LVAL)。FPGA内的图像采集单元9以LVAL作为写有效信号，以像素时钟作为写时钟将高速相机I的图像数据写入FPGA内的双ロ RAMlO中。存储在双ロ RAMlO 中的是8位灰度图像，共256个灰度等级。
(4)图像预处理。当采集到ー帧图像数据后，FPGA内的图像预处理单元9读取双ロ RAMlO的图像数据，如图3所示，先根据图像尺寸对图像进行边界裁剪处理，再利用3X3的十字形模板进行中值滤波，然后利用分段线性灰度变换对纸病区域进行增强处理，图5a是一幅经过预处理后纸病图像(512X512)。预处理后的图像数据存入到高速SRAM13中。预处理结束后，FPGA内的图像预处理单元9向纸病检测DSP12发出中断请求。
(5)纸病检测。纸病检测DSP12接收到中断请求后，读取高速SRAM13中图像数据， 并进行纸病检测与定位。如图5a所示，由于LED光源3在运动纸幅2的下方，孔洞和刮痕属于图像中的高亮度区域，斑点及褶皱是属于图像中的低亮度区域。如图3所示，利用较小的经验阈值ろ分割出黒斑、褶皱等低亮度纸病区域，分割结果如图5b所示。再利用开运算去除噪声，标记连通域确定纸病位置、面积，然后计算各个区域的圆形度，圆形度较小的为黒斑，圆形度较大的为褶皱，如图4所示。黒斑识别结果如图5c所示，褶皱识别结果如图5d 所示。如图3所示，利用较大的经验阈值T2分割出图像中孔洞、刮痕等高亮度纸病区域，分割结果如图5e所示。再用同样的方法区分孔洞和刮痕并确定其位置、面积參数。孔洞识别结果如图5f所示,刮痕识别结果如图5g所示。
(6)检测结果传送。纸病检测DSP12完成图像检测后，如果纸病的个数不为零，则将每个纸病的类型、面积、位置等数据传至FPGA内的以太网接ロ控制单元14，该单元将纸病參数、纸病图像以及所属的高速相机号进行打包，再通过千兆网控制与收发芯片15将数据传送至以太网，再由以太网传送至中心服务器6。
(7)检测结果更新、显示。 在中心服务器6的前台检测软件界面上，每路高速相机 I都有一个对应的子窗ロ，用于显示该路高速相机I检测結果。软件接收到以太网传送过来的数据后，一方面根据其所属的高速相机号将纸病图像及相应的纸病參数显示在对应的子窗口中，另一方面将其保存到中心服务器6的后台数据库中。
权利要求
1.一种基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统，其特征是，它包括至少ー组高速相机，高速相机安装在运动纸幅上方，在运动纸幅下方则设有LED光源；高速相机与嵌入式纸病检测处理器连接，嵌入式纸病检测处理器通过以太网交换机与中心服务器通信；其中，嵌入式纸病检测处理器由FPGA和DSP协作实现，包括FPGA内的图像采集单元，它与FPGA内的双ロ RAM、纸病图像预处理単元、以太网接ロ控制单元以及FPGA外的千兆网控制与收发芯片依次通信；纸病图像预处理单元与纸病检测DSP、高速SRAM通信；图像采集単元通过 LVDS/ LVTTL转换芯片采集图像数据，通过LVTTL/ LVDS转换芯片控制高速相机；纸病图像预处理単元接收图像采集单元的图像数据对其进行预处理，纸病检测DSP接收纸病图像预处理单元的图像数据，并进行纸病检测；以太网接ロ控制单元一方面控制千兆网控制与收发芯片接收来自以太网的相机设置參数，并将其传送至图像采集単元，另一方面接收来自图像预处理单元的纸病检测结果数据，并控制千兆网控制与收发芯片将其传送至以太网。
2.如权利要求I所述的ー种基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统，其特征是，所述高速相机由多路エ业用线阵CCD相机组成，横向并排安装在运动纸幅的上方；每路相机通过Camera Link线缆连接到各自的嵌入式纸病检测处理器。
3.ー种采用权利要求I所述的基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统的检测方法，其特征是，它的步骤为(1)參数设置通过中心服务器的前台检测软件操作，对各路高速相机的行频、曝光时间、图像尺寸等參数进行设置；(2)检测启动參数设置完成后，通过中心服务器的前台检测软件发出纸病检测命令，该命令通过以太网传送至各路嵌入式纸病检测处理器，启动在线纸病检测；(3)纸页图像采集各路嵌入式纸病检测处理器通过嵌入式FPGA内的图像采集单元和Camera Link接ロ 将相机采集的纸页图像数据保存到FPGA内的双ロ RAM中；(4)图像预处理嵌入式纸病检测处理器通过FPGA内的图像预处理单元从双ロ RAM中读取图像数据，并对其进行中值滤波及分段灰度线性变换进行预处理；(5)纸病检测与定位预处理后的图像数据输入纸病检测DSP，纸病检测DSP利用阈值分割法将图像中亮斑、 刮痕类亮度纸病区域和黒斑、褶皱类低亮度纸病区域分别从背景中分离出来；然后计算各个纸病区域的圆形度，井根据圆形度区分孔洞与刮痕、黒斑与褶皱；(6)纸病检测DSP如果发现纸页图像中存在纸�。蚪扛鲋讲〉睦嘈�、面积、位置參数及相应纸病图像通过千兆以太网传送至中心服务器；(7)中心服务器通过多个子窗ロ对多路检测结果及纸病图像进行更新显示，同时将其保存到后台数据库中。
4.如权利要求3所述检测方法，其特征是，所述步骤(I)中，中心服务器上的检测软件将各路高速相机的行频、曝光时间、图像大小等參数从硬盘上直接调入内存，然后通过以太网传送至嵌入式纸病检测处理器中FPGA内的图像采集単元，图像采集単元由此产生相机控制信号，并由LVTTL/LVDS转换芯片和Camera Link线缆传送至高速相机。
5.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤(3)中，高速相机输出图像的有效像素数据经Camera Link连接电缆和LVDS/LVTTL接ロ转换芯片，传送至FPGA内的图像采集单元；图像采集単元以行同步信号作为写有效信号，以像素时钟作为写时钟将高速相机的图像数据写入到双ロ RAM中。
6.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤(4)中，当采集到ー帧图像数据后，FPGA内的图像预处理单元读取双ロ RAM中的图像数据，先根据图像尺寸对图像进行边界裁剪处理，然后进行中值滤波，以消除随机噪声干扰，之后再进行分段线性灰度变换，增强图像中的纸病区域，抑制其背景区域；预处理结果保存到FPGA外 的高速SRAM中；预处理结束后，图像预处理单元向纸病检测DSP发出中断信号。
7.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤(5)中，纸病检测DSP接收到中断信号后，读取SRAM中图像数据；先利用阈值分割出图像中孔洞和刮痕类高亮度纸病区域以及斑点、褶皱类低亮度纸病区域；利用开运算去除噪声干扰后，再利用标记法确定图像中各个纸病区域的位置及面积；然后计算各个纸病区域周长平方与面积比得到圆形度，圆形度较大的区域为褶皱或刮痕，圆形度较小区域的为黑斑与亮斑。
8.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤(6)中，纸病检测DSP完成图像检测后，如果纸病的个数不为零，则将每个纸病的类型、面积、位置等參数传送至FPGA的以太网接ロ控制单元，该单元将纸病參数、纸病图像以及所属的相机号数据进行打包，并控制千兆网控制与收发芯片将数据传送至以太网，再由以太网传送至中心服务器。
9.如权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述步骤(7)中，在中心服务器的前台检测软件界面上，每个相机都有一个对应的子窗ロ，用于显示该路相机检测结果；软件接收到以太网传送过来的数据后，根据其所属的相机号将采集的纸病图像及相应的纸病參数显示在对应的子窗ロ中，并将其保存到后台数据库中。
全文摘要
本发明涉及一种基于嵌入式处理器的分布式纸病检测系统及方法，它采用并排的多路工业用线阵CCD相机采集运动纸幅图像数据，图像数据经CameraLink线缆传送到各自对应的嵌入式纸病检测处理器。嵌入式纸病检测处理器先利用FPGA对图像进行采集、预处理，再利用DSP检测图像中存在的纸病的类型、面积、位置等数据。各检测处理器的检测结果及对应的纸病图像通过千兆以太网传送至中心服务器。中心服务器通过子窗口对多路检测结果及纸病图像进行更新显示，并将其保存到后台数据库中。该系统具有构建成本低、速度提升空间大、易于实现分布式检测优点，可应用于车速不低于1km/min的运动纸幅的黑斑、孔洞、褶皱、刮痕等常见纸病高速在线检测。
文档编号G01N21/89GK102721702SQ20121021553
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者刘雪真, 张少蔚, 张海伦, 李庆华, 李晓婷, 王晓芳, 豆丹丹 申请人:山东轻工业学院
