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摘 要：針對在機器視覺的應用中普遍存在的待處理的圖像數據量多且算法復雜，單機CPU 無法實時完成圖像處理任務，需要多臺計算機組成局域網平行處理，成本高昂且可靠性低的問題。給出了集成DSP芯片的高速圖像采集卡以替代主機CPU進行圖像算法處理的解決方案，并指出在單臺PC機上插入多塊高速圖像采集卡，主機的CPU只負責統一協調作用就可以較好的處理此類問題。由于該高速卡設計靈活，只需稍作改動即可應用于嵌入式設備。該高速圖像處理卡在機器視覺領域內有著重要和廣泛的應用前景。<!--摘要CH(結束)←-->
<!--→關鍵CH(開始)--> 關鍵詞：機器視覺；PCI總線；DSP；圖像處理<!--關鍵CH(結束)←--><!--→標題EN(開始)--> Application of the Frame Grabber Integrated DSP in the Machine Vision
<!--標題EN(結束)←--><!--→作者EN(開始)--> CHANG Cong
<!--作者EN(結束)←--> (College of ElectricalEngineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China)
<!--→摘要EN(開始)-->
機器視覺(Machine Vision)是以機器模仿人類視覺的光學識別系統，他利用攝影機和電腦擷取、分析及解釋影像內容，進而下達某些決策。由于機器視覺系統可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統廣泛地用于工況****、成品檢驗和質量控制等領域。機器視覺系統的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度。視覺的最大優點是與被觀測的對象無接觸，因此對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，十分安全可靠。
1 機器視覺系統的構成
機器視覺一般由以下幾個部分構成：照明部分；光學系統，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；工業計算機；控制執行機構。如圖1所示。 
2 傳統機器視覺技術中存在的問題
機器內存中的工作由主機CPU來完成。在一些圖像數據量大且算法較復雜的情況下，單機的CPU往往無法實時完成運算量。這時需要由若干臺計算機組成一個局域網，其中的一臺計算機作為服務器，其他計算機進行圖像下面以弘達儀器公司開發的銅箔板表面質量在線檢測系統為例具體說明。銅箔板表面質量在線檢測要求對線上的銅箔板進行非接觸在線檢測，該種板的尺寸為1240mm×1080mm(寬×長)，流水線速率為0.5m/s；自動識別各種瑕疵如劃痕、氧化點、墊傷、異物等；檢測精度為0.2mm。
由于項目要求檢測精度較高，流水線速率較高，導致了圖像處理數據量的龐大。基于目前的計算機處理速度，單機是無法完成檢測任務的，所以他們采用基于局域網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臺客戶計算機接4只CCD攝像機完成圖像數據的實時采集、處理，將數據通過局域網傳輸到一臺服務器，所有客戶機的數據在服務器進行整合后，給出檢測結果。
銅箔板表面質量在線檢測系統的這種解決方案的缺陷顯而易見，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 改進方案
通過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進行圖像處理。這時DSP相當于上述解決方案中的一臺計算機的CPU。進一步通過在一臺計算機上插置4塊這種高速卡，由主機的PCI總線控制器負責控制協調4塊高速圖像處理卡對總線的占用。這時主機的CPU 相當于上述解決方案中的服務器。這樣就節省了PC機的開銷，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 硬件線路關鍵部分詳解
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時，DSP將這些數據讀入到內部RAM中，進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、墊傷、異物等進行檢測，并與標準進行對比，對于超標的，進行紀錄。DSP將最后的運算結果輸入給PCI總線控制器。 PCI總線控制器以DMA方式將運算結果傳到主機的內存中。這時主機的CPU相當于上述方案中的服務器，他只對4片集成高速DSP的視頻處理卡處理后的結果進行統計分析，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)。
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。每一個時鐘周期(1/27MHz)并行輸出1個字節，除了輸出數字象素外，SAA7114還輸出時鐘信號以同步。可以通過設置SAA7114的相關寄存器來控制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中快寫滿數據時，給DSP發出控制信號以使DSP產生中斷，取走 FIFO中的數據。
為了和PCI總線控制器接口，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的同步信號來觸發。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。通過設置相關的寄存器，可以將L2P分割為不同比例的程序存儲器和數據存儲器。處理銅箔板表面質量情況的圖像處理算法放置在L1P和分割出的L2P中，而通過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DSP的外部存儲器接口局部總線(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總線空閑，就將FIFO中的數據發出。由于在PCI 總線上，基本的傳輸機制是一次成組傳輸(burst)，一次burst通常由一個地址周期和一個或幾個數據周期組成。這種線性突發傳輸方式可以確保總線不斷滿載數據，能有效地運用總線頻率帶寬去傳輸數據，減少無謂的尋址作業。PCI獨特的同步操作功能可確保微處理器能與這些總線主控同時操作，一旦PCI總線空閑，高速圖像處理卡馬上將數據傳送到內存中，無需等待CPU操作完成。
3 結語
集成DSP的高速視頻處理卡可廣泛應用到機器視覺所涉及到的技術領域以減少成本，增加可靠性。以產品表面質量監測領域來說，集成DSP的高速視頻處理卡就可以應用到鋼鐵生產過程中的冷軋鋼板、鍍鋅鋼板等彩鋼板的表面質量檢測；造紙生產過程中對紙張表面(包括厚度)質量的檢測；塑料生產過程中對表面質量要求較高的塑料制品的表面檢測；電子產品生產過程中對表面質量要求較高的器件表面質量檢測，如晶圓表面質量檢測等。
在一些特殊的工作環境里，對主機的穩定性、可靠性、安全性和體積等有著苛刻的要求(如礦山、超市的監控)。基于PC機的監測系統在這種場合下可能不符合要求，這時可以設計嵌入式的系統：參照圖3只需做少許改動即可：即集成DSP的高速圖像處理卡的最后端不接PCI總線控制器9054，而是接一個CPU(如 ARM或者PowerPC)，在其上移植操作系統如嵌入式的Linux從而構成一個嵌入式的應用系統以滿足特殊的要求。
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參考文獻
［1］李貴山，陳金鵬.PCI局部總線及其應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2003.
［2］任麗香，馬淑芬.TMS320C6000系列DSPS的原理與應用［M］.北京：電子工業出版社，2000.
［3］趙海洋，馮心海.基于機器視覺的瓷磚表面質量與檢測［J］.西安建筑科技大學學報，2000，32(3).
66821730(技術支持)
