|
1 引言 隨著(zhù)生活水平的提高，飲料的市場(chǎng)需求量也不斷增加，產(chǎn)品的質(zhì)量已成為生產(chǎn)廠(chǎng)商和消費者關(guān)注的問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上幾乎所有的飲料瓶都是采用PET(環(huán)保塑膠)切片來(lái)注塑加工成型的。在進(jìn)行灌裝的工序時(shí)，高速旋蓋子系統中PET瓶會(huì )出現蓋擰松、高蓋和歪蓋等情況；這些情況中輕微的會(huì )導致產(chǎn)品外觀(guān)不美觀(guān)，嚴重的會(huì )導致飲料內部質(zhì)量發(fā)生變化。所以為了減少不合格品的數量，需要增加必要的檢測工序。 傳統的方法是在計算機中利用軟件實(shí)現圖像處理系統，這是一個(gè)相對耗時(shí)的過(guò)程，而且對于處理速度要求很高的檢測系統來(lái)說(shuō)，用這種方法也會(huì )逐漸不能滿(mǎn)足現代化大生產(chǎn)的高速生產(chǎn)節拍要求，給視覺(jué)檢測實(shí)現100%在線(xiàn)檢測方面帶來(lái)了局限性。FPGA器件的可編程片上系統(SOPC)在設計的靈活性、功能的可裁剪性和軟硬件的可編程性上具有良好的集成度和成本較低等特點(diǎn)，為圖像處理系統帶來(lái)了新的解決方案，并具有極大的靈活性。目前并行處理是解決系統實(shí)時(shí)性問(wèn)題的有效方法。 2 系統硬件的實(shí)現 設計采用FPGA芯片EP2C35F6726C，利用SOPC技術(shù)設計實(shí)現一個(gè)能檢測PET瓶缺陷的系統。即針對PET瓶灌裝后高蓋、歪蓋等缺陷情況進(jìn)行快速檢測判別，以確定并報警剔除不合格產(chǎn)品。系統主要由圖像采集模塊、FPGA圖像處理模塊、圖像顯示模塊和判別模塊四部分組成。系統硬件平臺如圖1所示。 在生產(chǎn)線(xiàn)上待檢測產(chǎn)品經(jīng)過(guò)傳送帶輸送到達指定位置時(shí)，光電傳感器產(chǎn)生感應信號，傳送帶停止一段時(shí)間，系統開(kāi)始進(jìn)行PET瓶缺陷檢測。按下按鍵后由圖像采集模塊(TRDB-DC2)采集圖像數據，通過(guò)硬件器件，將數據RAW轉換成RGB格式，再進(jìn)行圖像預處理，并在SDRAM中保存相應的數據，以利于進(jìn)行后期圖像處理，同時(shí)也可以通過(guò)操作相應按鍵在VGA上實(shí)時(shí)顯示出該圖像。系統在FPGA芯片EP2C35F6726C上配置的NIOSⅡ軟核處理器作為控制核心，并在A(yíng)valon總線(xiàn)上掛接相應的接口模塊和用戶(hù)自定義邏輯模塊，與FPGA的外圍單元共同完成系統后期的圖像處理、實(shí)時(shí)顯示剔除操作等功能。系統硬件設計框如圖2所示。整個(gè)設計采用自上而下的設計方法，在SOPCBuilder中搭建系統硬件模塊。將所需的各功能模塊通過(guò)Avalon總線(xiàn)集成。SOPCBuilder具有強大的系統集成特性，充分利用現有的IP，大大縮短了設計周期，在很短的時(shí)間內就可以構建一個(gè)穩定的系統，進(jìn)而基于硬件完成系統中各模塊的軟件設計，最后集合成系統，如圖3所示。 在各模塊中主要介紹以下幾個(gè)模塊： (1)圖像采集模塊。圖像采集采用的是TRDB-DC2模塊。該模塊由1片高像素的CMOS圖像傳感芯片和1個(gè)聚焦鏡頭組成。圖像采集通過(guò)CMOSSen-sor采集圖像后，再由I2C總線(xiàn)對圖像傳感器進(jìn)行配置，然后再根據圖像傳感器的時(shí)序特性來(lái)讀取采集到的圖像點(diǎn)陣。由于采集到的圖像點(diǎn)陣是：Bayer色彩空間，因而還要由相應的算法將其轉換為RGB色彩空間，再把圖像點(diǎn)陣數據存入SDRAM，而VGA顯示部分則從SDRAM中讀取數據來(lái)顯示。SDRAM控制器采用雙口SDRAM控制方法。圖像處理部分也可以從SDRAM中讀取數據來(lái)處理。其硬件模塊如圖4所示。 (2)圖像預處理模塊。從SDRAM中讀取數據，采用硬件語(yǔ)言對圖像預處理實(shí)現圖像的灰度變化、閾值分割和二值化處理。其硬件模塊圖如圖5所示。 (3)VGA硬件模塊。VGA控制器外接一個(gè)存儲器，以保存當前顯示的數據�？刂破鞲鶕煌瑫r(shí)刻在VGA上顯示的像素位置，計算出存儲器中當前數據存放的地址，并輸出存儲器地址(oAddress信號)。外接存儲器控制器從該地址中讀取數據，返回給VGA控制器(iRed，iGreen，iBlue)。VGA控制器將顯示數據輸出到D／A轉換器上。依據其水平與垂直時(shí)序設計的VGA控制器如圖6所示。通過(guò)VGAcontroller器件，可以實(shí)時(shí)將圖像直接顯示在VGA上。 3 系統軟件實(shí)現 3．1 軟件總體設計 系統配置完成后，攝像頭獲取圖像，送人SDRAM存儲器，每幀圖像經(jīng)轉換生成圖像數據進(jìn)入預處理模塊進(jìn)行灰度變化、閾值分割、二值化和邊緣跟蹤，使用硬件語(yǔ)言進(jìn)行處理和結合NIOSⅡ處理器進(jìn)行圖像的先后續處理和控制，處理后的圖像經(jīng)數模轉換在監視器上實(shí)時(shí)顯示。系統軟件總流程圖如圖7所示。 3．2 圖像后處理算法的設計 3．2．1 NIOS中使用C++實(shí)現圖像檢測判斷準則 (1)求取瓶蓋上邊緣到基準線(xiàn)的最大距離，先與標準瓶蓋的上邊緣到基準線(xiàn)的標準距離比較，判斷瓶蓋旋封是否合格，大于標準距離，認為瓶子不合格，剔除瓶子。 (2)通過(guò)左邊緣直線(xiàn)、右邊緣直線(xiàn)分別和基準線(xiàn)、上邊緣的直線(xiàn)之間的夾角來(lái)判斷瓶蓋旋封是否合格，如果4個(gè)夾角都在(90°－δ)內(δ為一個(gè)允許的誤差，取一個(gè)很小的角度)，認為瓶子合格，否則瓶子不合格，剔除。 3．2．2設計步驟 (1)采集經(jīng)過(guò)適當預處理的圖像數據后，首先找出瓶蓋和瓶身的分割線(xiàn)，該分割線(xiàn)位于瓶頸區域，通過(guò)分割線(xiàn)，確定瓶蓋所在區域，縮小了后面圖像的識別范圍，如圖8所示。 (2)在PET瓶的瓶頸和瓶蓋部分有一個(gè)天然的分隔區域，在該分區區域內能找出一條距離最長(cháng)的線(xiàn)段，規定該線(xiàn)段作為基準線(xiàn)，并求出該基準線(xiàn)與水平方向的夾角，如圖8中所示。 (3)求取瓶蓋上邊緣上的點(diǎn)到基準線(xiàn)的距離，找出上邊緣到基準線(xiàn)距離最大的點(diǎn)，并求出該最大距離d，然后根據第一條判斷準則進(jìn)行判斷。 (4)分別提取出瓶蓋左邊緣、右邊緣和上邊緣上的點(diǎn)，接著(zhù)采用Hough直線(xiàn)變換去除干擾點(diǎn)；然后用最小二乘法線(xiàn)性擬合出3條，并求出其與水平方向的夾角。 (5)利用已求出的4條直線(xiàn)與水平方向的夾角，可以求出左邊緣確定的直線(xiàn)(右邊緣確定的直線(xiàn))與基準線(xiàn)之間的夾角；左邊緣確定的直線(xiàn)(右邊緣確定的直線(xiàn))與上邊緣確定的直線(xiàn)之間的夾角一共有4個(gè)角，然后根據第二條判斷準則判斷瓶子是否合格，流程圖如圖9所示。 4 結果 由系統檢測在VGA上顯示的背光光源效果、邊緣跟蹤效果圖分別如圖10和圖11所示。 圖12和圖13為歪蓋情況經(jīng)二值化后的效果圖與以第一準則識別的功能圖。 由PC機處理的PET瓶缺陷檢測，在灌裝線(xiàn)上實(shí)現檢測的，一般情況約為2～3瓶／s。經(jīng)采用基于FPGA芯片的SOPC方法處理實(shí)現檢測速度可達約90ms處理完一瓶的圖像，且檢測準確率達99％以上。不僅滿(mǎn)足了系統的設計要求，也達到生產(chǎn)線(xiàn)速度性能指標。 5 結語(yǔ) 介紹系統各模塊的功能和設計，依據設計的邏輯需求自制相應的IP，如攝像頭驅動(dòng)CCD_Controller，SDRAMController，VGAcontroller，以及對外連接的PIO組件，如按鍵Key_pio和sw_pio等組成系統硬件的構建，再由計算機生成硬件系統。在構建的硬件系統上建立軟件設計，并針對元器件在NIOSⅡ中的圖像處理程序設計，闡述基于SOPC在圖像處理方面的設計方法。實(shí)際應用證明了FPGA在圖像處理的可行性及在處理速度上的優(yōu)勢。 |
