基于以太網(wǎng)的嵌入式視覺傳感器*

　　摘要： 本文介紹了基于硬件協(xié)議棧的以太網(wǎng)和DSP的嵌入式視覺傳感器。給出了系統(tǒng)的硬件設計和圖像采集傳輸?shù)能浖鞒?，并以圓尺寸檢測為例介紹系統(tǒng)的實現(xiàn)效果。

　　關鍵詞： CMOS圖像傳感器;DSP;以太網(wǎng);圖像采集

　　引言

　　隨著計算機科學和自動控制技術的發(fā)展，視覺系統(tǒng)被廣泛用于工業(yè)檢測、生物醫(yī)學、軍事偵察等領域。嵌入式視覺系統(tǒng)，是將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案。同時，視覺傳感器需要通過網(wǎng)絡化設計完成控制信息、圖像數(shù)據(jù)的通信任務，網(wǎng)絡通信裝置是視覺傳感器的重要組成部分。筆者采用DSP和CPLD作為核心芯片來控制圖像采集處理和傳輸，采集的圖像經(jīng)DSP的處理后，可經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至微機進一步處理，或與其他視覺系統(tǒng)、自動化檢測裝置通信，組成分布式監(jiān)測網(wǎng)絡。本系統(tǒng)的設計優(yōu)點為：

　　·使用CMOS為圖像傳感器直接采集數(shù)字圖像，采用高速DSP和CPLD作為核心芯片來控制圖像采集和處理，簡化了電路的復雜度，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了成本。 ?在DSP內對采集到的圖像實現(xiàn)快速圖像的預處理，提高了系統(tǒng)的智能化。

　　·通過以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰?lián)網(wǎng)計算機，利于圖像的傳輸、保存和與其他視覺傳感器通信交換數(shù)據(jù)，組成視覺網(wǎng)絡。并可與PLC、機器人和其他自動化裝置通信。

　　系統(tǒng)設計

　　圖1為系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)通過DSP給CPLD發(fā)出一個采集命令，由CPLD控制CMOS圖像傳感器向FIFO寫入圖像數(shù)據(jù)，同時DSP通過DMA將圖像轉移至SDRAM中并進行圖像處理，在處理結束后，將處理的結果通過以太網(wǎng)傳給微機或其他設備，對其I/O接口經(jīng)擴展后，可與PLC等執(zhí)行裝置相連，被外部執(zhí)行器觸發(fā)，完成圖像的采集處理，達到控制檢測目的。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　圖像采集過程

　　圖像采集過程主要通過DSP給CPLD(ALTERA的MAX II系列 EPM240)發(fā)送命令字，包括單幀采集、連續(xù)采集等控制命令。每次采集的圖像時都先復位FIFO,防止上一次采集過程出錯有數(shù)據(jù)滯留而導致本次采集的圖像出錯。CPLD采集程序的仿真波形如圖2所示，可以看出當采集單幀數(shù)據(jù)時，CPLD通過控制連續(xù)兩個VSYNC(幀同步信號)間的FIFO( CYPRESS的CYCY7C4291V)的/WE(寫使能信號)低有效來達到圖像采集的目的。OV7640每幀圖像的時間為33ms(30f/s),工作在黑白模式下，每幅圖像數(shù)據(jù)有300K(640×480),即9.3MByte/s，而DSP讀取的速度可以到66.7Mbyte/s，若采用16Bit總線寬度的FIFO，則可達到133Mbyte/s。本系統(tǒng)中由CPLD對圖像的行進行計數(shù)，為保證圖像數(shù)據(jù)不溢出FIFO(FIFO為128K字節(jié))，選取每80行圖像數(shù)據(jù)觸發(fā)一次DMA傳輸(DMA選擇為外觸發(fā)模式)，每幅圖像分成6次傳輸(共480行數(shù)據(jù))。

圖2 CPLD采集程序的仿真波形

　　以太網(wǎng)的圖像傳輸

　　本系統(tǒng)的以太網(wǎng)設計，采用Wiznet公司全功能硬件協(xié)議棧芯片W5100。W5100內有16K的發(fā)送/接收緩存，支持TCP、UDP、ICMP、IPV4 ARP、IGMP等協(xié)議，本系統(tǒng)中采用TCP/IP協(xié)議，接收上位機的命令并執(zhí)行相應的圖像采集和處理任務。Wiznet公司提供了完整的Socket API函數(shù)，其工作方式類似于Windows的Socket API，程序在TI公司的CCS集成開發(fā)環(huán)境下，非常方便用C語言編寫。圖3是利用VC編寫的基于異步Socket的系統(tǒng)軟件。在不同的命令代碼下上傳圖像。如果所示輸入命令1，可以上傳單幅不加任何圖像處理的灰度圖。

圖3 帶有命令選項的圖像接受軟件

　　軟件流程

　　系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化后配置網(wǎng)絡設置，建立命令Socket，Socket連接成功后處在TCP連接狀態(tài)中。當接收到命令時，通過中斷觸發(fā)使DSP從W5100讀取命令字，根據(jù)命令字做出相應的操作，添加圖像預處理程序。然后關閉命令Socket，啟動數(shù)據(jù)Socket進行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送處理后的圖像數(shù)據(jù)以便上位機進行更高級的圖像處理，最終得到用戶想要的結果和數(shù)據(jù)。

圖4 軟件流程圖

　　圖像采集和處理程序示例

　　本系統(tǒng)可以應用于視覺系統(tǒng)的多個領域，通過開發(fā)標準的軟件處理模塊，如幾何邊緣提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OCR、簡單的定位和搜索等，由用戶根據(jù)實際的測量需求選擇相應的處理模塊，由上位機編譯成相應的固件并下載到系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)特定功能的視覺檢測。目前系統(tǒng)開發(fā)，只能完成特定的幾種功能，以下以圓盤的直徑檢測為例，介紹系統(tǒng)的處理效果。

　　算法的基本思想是：先對采集的圖像進行濾波，再用邊緣檢測算法檢測出圓的邊緣，最后再利用圓檢測算法算出圓的外徑和孔徑。

　　檢測基本過程如下：

　　標定

　　在能夠進行檢測之前，系統(tǒng)必須要標定。標定決定圖像與物理世界之間的映射關系。因此，把圖像中的每個點與一定的物理世界坐標以及反過來建立一一映射。使用一個無畸變的理想二維標定平面來進行標定。首先，可以使用一個標準的網(wǎng)格變換把物理坐標變換到目標平面;然后使用非線性映射把這些中間坐標變換到圖像平面。用于變換運算的參數(shù)可以通過對一個包含已知位置信息的已知特征標定物成像來獲取。非線性變換是通過在確定的測量點之間進行線性插補來實現(xiàn)。

　　圖像預處理

　　圖5為采集到的原始圖象。由于CMOS傳感器本身的噪聲或系統(tǒng)的擾動等其它原因，原始圖像中會含有噪聲，所以要先對原始圖像做低通濾波處理，可采用3×3模板的低通濾波器，或選擇一些其它的更為復雜的濾波器，如自適應濾波器。

圖5 原始采集圖片

　　邊緣檢測

　　采用牛頓插值法對圖像實現(xiàn)高精度的邊緣檢測，具體計算步驟如下：

　　·搜索像邊緣過渡區(qū)計算向量

　　根據(jù)像邊緣的位置沿著灰度值對應的行或列從亮區(qū)向暗區(qū)搜索，若相鄰的兩個點的灰度值下降幅度大于閾值(閾值應由實驗確定)，即認為該點為像邊緣過渡區(qū)的起始節(jié)點，過渡區(qū)包含有3~4個節(jié)點，把其定義為一維數(shù)組，以像邊緣過渡區(qū)起始節(jié)點為首項，沿灰度值矩陣的行或列順序存放由亮到暗像邊緣的灰度值。

　　·使用牛頓插值函數(shù)實現(xiàn)像邊緣光強函數(shù)軟件解調設向量u[m]={u1，u2，......un}，m=0，1，.......n。

　　在基點m=0處向前5階差分為：

　　D1u0=u1-u0

　　D2u0=u2-u1+u0

　　D3u0=u3-3u2+u1-u0 (1)

　　D4u0=u4-4u3+6u2-4u1+u0

　　D5u0=u5-5u4+10u3-10u2+5u1-u0

　　設t為[0.5]內的連續(xù)變量，則五階牛頓向前插值函數(shù)為：

　　v(t)=u0+tD1u0+(t-1)D2u0/2+t(t-1)(t-2)D3u0/6+t(t-1)(t-2)(t-3)D4u0/24+t(t-1)(t-2)(t-3)(t-4)D5u0/120 (2)

　　·確定像邊緣特征點的坐標

　　式(2)給出了表征象邊緣位置的連續(xù)函數(shù)，對其求二階導數(shù)，即，

　　d2u/dt2=D2u0+(t-1)D3u0+(12t2-36t+22)D4u0/24+(20t3-120t2+210t-100)D5u0/120 (3)

　　其零交叉點(d2u/dt2=0)即為特征點。圖6為邊緣檢測的效果圖。

圖6 邊緣檢測效果圖

　　直徑的計算

　　通過圓檢測算法，計算出圓的外徑和內徑。限于篇幅，具體算法在此不作詳細介紹。

　　在實驗中，使用的f=35mm的鏡頭，采用LED環(huán)形光源從底部同軸照明，圖像分辨率為640×480，相面尺寸為3.6mm×2.7mm。系統(tǒng)標定在XY方向上每像素為0.0375mm。對標稱外徑為15mm，內徑為9mm的元件做了10次檢測，檢測直徑的平均外徑值為401.6像素即15.06mm，內徑為241.3像素即9.049mm。

　　實驗結果

　　圖7為我們設計的視覺傳感器樣機的系統(tǒng)實物圖。其由三部分組成，分別為主板、電源板和CMOS電路板。采用抓包程序Ethereal對數(shù)據(jù)傳輸速度進行了測試。我們分別對發(fā)送數(shù)據(jù)量為100kbyte，200kbyte和300kbyte進行了測試，實驗結果如表1所示，對于本系統(tǒng)可以達到10f/s的圖像傳輸速度。

圖7 系統(tǒng)實物圖

表1 傳輸數(shù)據(jù)速度實驗結果

　　結語

　　本文介紹的的視覺系統(tǒng)，在硬件系統(tǒng)，采用CMOS圖像傳感器，CPLD時序控制，以及高速DSP和以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸，構成了一個典型嵌入式視覺系統(tǒng)。通過以太網(wǎng)接口可組成分布式視覺檢測網(wǎng)絡。對于簡單的視覺檢測任務，系統(tǒng)可滿足在線檢測的要求。當然，要想最終脫離微機高速的完成復雜的圖像處理任務，單DSP還不能滿足要求。今后改進是添加FPGA實現(xiàn)FPGA與DSP融合的處理系統(tǒng)以及多DSP并行處理系統(tǒng)，實現(xiàn)高速嵌入式視覺系統(tǒng)。

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