基于DM642機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)機(jī)器視覺(jué)算法中數(shù)據(jù)量大、高速傳輸、復(fù)雜運(yùn)算及網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了以AD9200為視頻采集A/D，DSPsTMS320DM642為核心處理器，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，并以FPGA控制輸出并實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理功能的實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)。 
關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)、TMS320DM642、以太網(wǎng)

1、引言

機(jī)器視覺(jué)自起步發(fā)展到現(xiàn)在，已有15年的發(fā)展歷史。應(yīng)該說(shuō)機(jī)器視覺(jué)作為一種應(yīng)用系統(tǒng)，其功能特點(diǎn)是隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展而逐漸完善和發(fā)展的。

目前，國(guó)際上視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，1998年的市場(chǎng)規(guī)模為46億美元。在國(guó)外，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用普及主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%-50%都集中在半導(dǎo)體行業(yè)。具體如PCB印刷電路。主要的機(jī)器視覺(jué)公司諸如德國(guó)克朗斯公司，美國(guó)的工業(yè)動(dòng)力機(jī)械有限公司等等。

而在國(guó)內(nèi)，工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)尚處于概念導(dǎo)入期，導(dǎo)致以上各行業(yè)的應(yīng)用很少，即便是有，也只是低端方面的應(yīng)用，大多數(shù)國(guó)內(nèi)公司多代理國(guó)外公司產(chǎn)品，自主研發(fā)的相對(duì)較少，這樣產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)售價(jià)相對(duì)很高，導(dǎo)致很多工廠在權(quán)衡利弊之后，放棄了使用機(jī)器視覺(jué)的想法。

但隨著我國(guó)配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對(duì)采用圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求開(kāi)始廣泛出現(xiàn)，同時(shí)也由于視頻采集系統(tǒng)硬件產(chǎn)品的價(jià)格下降，國(guó)內(nèi)有關(guān)大專院校和研究所近兩年在圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了積極思索和大膽的嘗試，逐步開(kāi)始了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。另外，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動(dòng)化的問(wèn)題以后，已開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向視覺(jué)測(cè)量自動(dòng)化方面。這些應(yīng)用大多集中在如藥品檢測(cè)分裝、印刷色彩檢測(cè)等。真正高端的應(yīng)用還很少，因此，以上相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用空間還比較大。

　　嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展的兩個(gè)趨勢(shì)：

1）  嵌入式系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和圖像檢測(cè)集成得更加緊密，另外基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有極低的功耗。

2）  網(wǎng)絡(luò)化是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，機(jī)器視覺(jué)于網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌。

當(dāng)前，機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌，而同時(shí)具備運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器視覺(jué)，網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的企業(yè)無(wú)疑將走在前列。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以啤酒瓶檢測(cè)為設(shè)計(jì)背景，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)的這兩大發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)以TI公司TMS320DM642為核心的嵌入式系統(tǒng)，并應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸。

設(shè)計(jì)模塊示意圖：

2． 1視頻采集模塊

模擬視頻信號(hào)采用非標(biāo)準(zhǔn)制式,相機(jī)工作在外觸發(fā)方式下,由FPGA提供觸發(fā)信號(hào),每觸發(fā)一次,相機(jī)傳送一場(chǎng)信號(hào)。進(jìn)入電路板的視頻信號(hào)幅值為1V,先經(jīng)過(guò)視頻運(yùn)算放大器EL4089放大并嵌位，使幅值升為2V.之后信號(hào)分兩路，一路送ISL59885視頻同步分離芯片產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步信號(hào)，一路經(jīng)AD9200進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將視頻信號(hào)解碼出行同步、場(chǎng)同步及8位的亮度信號(hào)送入FPGA模塊。

2． 2 FPGA模塊

Altera公司的EP1K100系列是性價(jià)比較高的可編程邏輯器件，它具有10萬(wàn)等效系統(tǒng)門，核電壓為2.5V，端口電壓兼容5V、3.3V，工作頻率可達(dá)250MHz，可滿足本卡多電壓高頻率工作要求。

這一部分主要負(fù)責(zé)整個(gè)板卡的邏輯控制，時(shí)序調(diào)整。FPGA接收視頻的行、場(chǎng)同步及亮度信號(hào)，并在FPGA中進(jìn)行圖像的預(yù)處理，可以在FPGA中進(jìn)行二值化、sobel邊緣分割、中值濾波。將處理后的亮度信號(hào)送入DM642的視頻口。由于ISL59885產(chǎn)生的行同步信號(hào)每?jī)尚蟹蛛x出一個(gè)，為了正確的采集，F(xiàn)PGA須在每?jī)蓚€(gè)行同步的中間加入一個(gè)行同步信號(hào)，送往DM642的視頻口。另外FPGA還負(fù)責(zé)視頻采集部分的采樣頻率、嵌位信號(hào)的產(chǎn)生，并行IO控制信號(hào)的產(chǎn)生，以及串行接口部分通信協(xié)議RS-232、RS-442的選擇等等。

2．3 DM642模塊與存儲(chǔ)模塊

2．3．1 TMS320DM642模塊：

DM642是TI公司新近推出的一款應(yīng)用于視頻和圖像處理方面的芯片,他采用TMS320C64X系列DSPs的內(nèi)核,集成了一些面向視頻及圖像處理的外圍設(shè)備,例如集成了三個(gè)可配置的視頻口,10/100Mbps Ethernet MAC，多通道串行音頻接口（McASP）及66MHz32位PCI總線。TMS320DM642采用TI公司開(kāi)發(fā)的第二代高性能超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)VelociT1.2TM，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行2個(gè)16*16位的乘法或4個(gè)8*8位的乘法。TMS320DM642內(nèi)含6個(gè)算術(shù)邏輯單元,在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都可執(zhí)行2個(gè)16位或4個(gè)8位的加減比較移動(dòng)等運(yùn)算。在600MHz的時(shí)鐘頻率下,DM642每秒可以進(jìn)行24億次16位的乘累加或48億次8位的乘累加。這樣強(qiáng)大的運(yùn)算能力，使得DM642可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的多視頻處理和圖像處理。

本設(shè)計(jì)利用視頻口進(jìn)行圖像采集，用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。

視頻口能夠支持BT.656、HDTV Y/C、MPEG-2 Transport stream input等多種格式的視頻數(shù)據(jù)的輸入輸出。本次設(shè)計(jì)采用逐行掃描且只采集亮度數(shù)據(jù)，視頻口工作在YcbCr 4：2：2方式下。視頻口與DM642的EDMA結(jié)合，每采集一行圖像數(shù)據(jù)便啟動(dòng)一次EDMA同步事件，將數(shù)據(jù)從接收FIFO中倒到SDRAM中暫存下來(lái)。一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)采集之后，采用EDMA鏈接自動(dòng)重新配置EDMA參數(shù)。整個(gè)圖像采集只消耗極少的CPU時(shí)間，使CPU能夠把精力集中到后面的圖像處理工作中。

2．3．2 存儲(chǔ)器模塊

外擴(kuò)了SDRAM及FLASH兩種存儲(chǔ)器。

1 )SDRAM存儲(chǔ)器

在CE0空間連接了64bit的SDRAM總線。選取2片48LCHM3282來(lái)構(gòu)成SDRAM。這32M的SDRAM空間用來(lái)存儲(chǔ)程圖像數(shù)據(jù)和圖像處理中間結(jié)果等信息。總線由外部PLL驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制，在133MHz的最佳運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行。SDRAM的刷新由TMS320DM642自動(dòng)控制。

2 )FLASH存儲(chǔ)器

    本系統(tǒng)擴(kuò)展了1M的FLASH，映射在CE1空間的低位。FLASH存儲(chǔ)器選用1M*8的MBM29DL800。FLASH存儲(chǔ)器主要用于DSPs程序的存儲(chǔ)。CE1空間被配置成8bit，異步接口，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器也是8bit。復(fù)位后的默認(rèn)地址是000，并進(jìn)行1K數(shù)據(jù)的上電自動(dòng)引導(dǎo)。

2．  4 以太網(wǎng)模塊

DM642上的EMAC接口為DSP處理內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)有效的接口。他支持10Base-T、100 Base-TX，可工作在10Mbits/second 和 100Mbits/second的速度下進(jìn)行全雙工或半雙工傳輸。并提供硬件流量控制和QOS支持。

    DM642的EMAC接口支持到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，支持標(biāo)準(zhǔn)的MII接口（媒體無(wú)關(guān)接口）與物理層設(shè)備相連。物理層設(shè)備使用BROADCOM公司的BCM5221，加Pulse公司的1：1型隔離變壓器H1102。

    網(wǎng)絡(luò)圖像及控制信息的傳輸采用非面向連接的UDP協(xié)議，對(duì)于480*480大小的8位灰度的圖像，每秒可傳送20幅。

2．  5 IO模塊與串行接口模塊

IO接口由FPGA控制，用于向機(jī)械部分、自動(dòng)控制部分發(fā)送控制信號(hào)，并行IO接口有兩路，一路經(jīng)LV162245驅(qū)動(dòng)輸出，一路經(jīng)光耦進(jìn)行隔離輸出。

串行接口使用TI公司的TL16C752B UART，他與ST16C550 UART引腳兼容，并具有更大的發(fā)送、接收FIFO緩存（發(fā)送、接收各64Byte ），支持硬件、軟件流量控制。電平轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司的MAX3160，RS-232、RS-485、RS-422等多種傳輸協(xié)議。

3、FPGA實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理算法

    以FPGA實(shí)現(xiàn)3*3 Sobel邊緣檢測(cè)為例，介紹FPGA實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理的方法。

    首先,應(yīng)從視頻信號(hào)中提取出3*3 大小的圖像框。須使用三個(gè)FIFO，其大小與一行像素大小相同，將三個(gè)FIFO串行連接在一起。用視頻信號(hào)的前三行充滿三個(gè)FIFO，之后每來(lái)一個(gè)像素在寫(xiě)入FIFO的同時(shí),從每個(gè)FIFO中讀出一個(gè)像素的亮度值，分別放入三個(gè)移位寄存器。如此，在三個(gè)像素點(diǎn)之后就得到一個(gè)3*3的矩形框。隨著視頻信號(hào)的不斷流入，矩形框?qū)⒈闅v整個(gè)圖像區(qū)域。

    之后，就可以對(duì)提取出來(lái)的像素點(diǎn)，進(jìn)行各種算法的處理。

    以下是用Verilog語(yǔ)言描述的3*3 Sobel算子：

wire[10:0] temp1,temp2,temp3,temp4;

wire[7:0] sobel1,sobel2,sobel3,sobel4;

wire[7:0] dataout;

assign temp1 = temp[1] + temp[2] + temp[3];

assign temp2 = temp[7] + temp[8] + temp[9];

assign temp3 = temp[1] + temp[4] + temp[7];

assign temp4 = temp[3] + temp[6] + temp[9];

    assign sobel1 = (temp1>temp2)?(temp1-temp2):0 ;

    assign sobel2 = (temp3>temp4)?(temp3-temp4):0 ;

    assign sobel3 = (sobel1>8’d 255) ? 8’d255 : sobel1;

    assign sobel4 = (sobel2>8’d 255) ? 8’d255 : sobel2;

    assign dataout[7:0] = ((sobel3 > sobel4)?sobel3[7:0]:sobel4[7:0]);

    其中，考慮到了數(shù)據(jù)計(jì)算的溢出或結(jié)果為負(fù)值的情況，邊緣檢測(cè)效果良好。

4、結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)搭建圖像處理部分的硬件平臺(tái)，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展的兩大趨勢(shì)：嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；诿绹?guó)德州儀器公司新近推出的6000系列DSPs芯片TMS320CDM642，利用TMS320DM642芯片上提供的Video Port和Ethernet Media Access Controller實(shí)現(xiàn)視頻采集與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。利用在線可編程技術(shù)，在FPGA中實(shí)現(xiàn)必要的圖像預(yù)處理算法，減輕TMS320DM642的負(fù)擔(dān)，為后續(xù)的圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)打下了良好的基礎(chǔ)。

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于480*480的灰度圖像，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行25 Frames/s的流暢的傳輸。

以下為FPGA實(shí)現(xiàn)的Sobel邊緣提取算法的效果：

圖3.原始圖像與Sobel邊緣提取后的圖像

創(chuàng)新觀點(diǎn):

本文將機(jī)器視覺(jué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,使用TI公司新近推出的6000系列DSPsTMS320DM642為核心,應(yīng)用ALTERA公司的FPGA,用其實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理,減輕了DSPs的負(fù)擔(dān).應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像傳輸.

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