緊湊型卷筒紙制造工藝缺陷檢測系統(tǒng)采用相機(jī)和ADI Blackfin處理器

Hossain Hajimowlana

工業(yè)機(jī)器視覺的目標(biāo)之一是開發(fā)計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)，以取代人類視覺在工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量控制中。卷筒紙檢測系統(tǒng)目前用于許多應(yīng)用中的缺陷檢測和質(zhì)量控制，例如制造高壓電纜絕緣、紙張、塑料袋、鋼條、燃料顆粒、芯片包裝、木材、布料和織機(jī)。與人工檢測相比，自動檢測系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。表面缺陷的手動檢測即使不是不可能，也是一項(xiàng)繁瑣的任務(wù)，通常是因?yàn)樵S多缺陷的尺寸很小，需要檢測的區(qū)域非常大。

傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)由線陣掃描相機(jī)、主機(jī)、圖像采集卡和一個或多個專用處理電路板組成。在本文中，我們將討論開發(fā)一種新的集成設(shè)計(jì)環(huán)境（用于實(shí)時缺陷檢測），該環(huán)境無需外部圖像采集卡，并消除或減少了對其他相關(guān)主機(jī)外圍系統(tǒng)的需求。處理板包含一個可重新配置的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），安裝在DALSA CCD相機(jī)內(nèi)。FPGA直接連接到視頻數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)輸出到相關(guān)的ADI Blackfin型ADSP-BF535P處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理。僅使用 FPGA 進(jìn)行低級處理代表了軟件和專用硬件實(shí)現(xiàn)之間的出色權(quán)衡。處理后的數(shù)據(jù)可以通過 USB 或 Firewire 端口傳輸?shù)?PC 進(jìn)行存儲、監(jiān)控和其他處理。目前的系統(tǒng)是針對卷筒紙檢查的，但可能具有更廣泛的適用性。圖1顯示了無需圖像采集卡即可運(yùn)行的工業(yè)檢測系統(tǒng)的基本框圖。

圖1.工業(yè)檢測過程框圖。

缺陷檢測任務(wù)委托給兩種算法。第一個（預(yù)處理）承擔(dān)保守總過濾器的作用。其目的是檢測所有可能的缺陷。這項(xiàng)任務(wù)將主要使用FPGA作為視頻流濾波器實(shí)時執(zhí)行。這里的目的是提供一種可靠的方法來快速識別可能最終歸類為有缺陷的可疑區(qū)域，也可能不會。在后處理中，我們的目標(biāo)是使用ADI Blackfin ADSP-BF535P處理器識別缺陷的類型和嚴(yán)重程度。通常，后一個過程已在主機(jī)中執(zhí)行，但該過程的很大一部分可以在修改后的相機(jī)系統(tǒng)本身中使用功能強(qiáng)大的ADI Blackfin處理器在本地完成。

為實(shí)時應(yīng)用程序（如 Web 檢查）建立適當(dāng)?shù)挠?jì)算環(huán)境是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在本文中，“實(shí)時”描述了任何能夠接收和處理連續(xù)視頻數(shù)據(jù)的成像系統(tǒng)。實(shí)時系統(tǒng)必須在分配的關(guān)鍵時間范圍內(nèi)執(zhí)行所有必需的操作。即使在極端系統(tǒng)負(fù)載條件下，系統(tǒng)響應(yīng)的執(zhí)行時間和邏輯順序也必須正確。本說明中描述的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)每秒多達(dá) 30 萬個樣本的實(shí)時視頻處理。

測試設(shè)置

如圖2所示，設(shè)置了一個模擬卷材制造過程的測試夾具，并提供了變速操作。測試設(shè)置包括一個DALSA TDI線掃描相機(jī)，一個帶軸編碼器的電動滾筒，用于TDI同步，以及一個帶光纖光導(dǎo)的直流光源。我們的FPGA/DSP處理板安裝在常規(guī)攝像機(jī)控制板的上方。來自各種網(wǎng)絡(luò)來源的缺陷樣本用于測試和驗(yàn)證候選算法。

圖2.生產(chǎn)線模擬的測試設(shè)置。

硬件

完整的硬件組件如圖 3 所示。

圖3.處理硬件。

圖4顯示了處理系統(tǒng)的框圖。來自FPGA的預(yù)處理數(shù)據(jù)存儲在FIFO中，F(xiàn)IFO緩沖數(shù)據(jù)，以便數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)一步處理。處理硬件組件包括三個 PCB——FPGA 板、DSP 板和用于連接到 PC 的 USB/Firewire 板。其他資源在董事會之間共享。

圖4.處理板框圖。

FPGA 與 DSP 的對比

我們的處理板支持在 FPGA 和/或 DSP 中進(jìn)行處理。如何為應(yīng)用程序選擇處理能力的配置？

DSP是一種專用的微處理器，通常用C語言編程，偶爾使用匯編代碼來提高系統(tǒng)性能。DSP非常適合極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)密集型任務(wù)，涉及條件處理。它的性能受到時鐘速率以及每個時鐘可以執(zhí)行的有用操作數(shù)的限制。相比之下，F(xiàn)PGA是一個未承諾的“大門之?！薄Ｔ撈骷ㄟ^將門連接在一起以形成乘法器、寄存器、加法器等來編程。數(shù)學(xué)是通過互連這些構(gòu)建塊在硬件中完成的。這些模塊的復(fù)雜程度可以從單個柵極到非常高水平的FIR濾波器或FFT，前提是有足夠的門和互連它們的能力。性能受芯片上可用門數(shù)和時鐘速率的限制。

因此，F(xiàn)PGA和DSP代表了兩種截然不同的信號處理方法，每種方法都擅長于不同的事情。FPGA可以輕松完成許多高采樣率應(yīng)用，但DSP不適合這些應(yīng)用。同樣，F(xiàn)PGA也無法解決許多復(fù)雜的軟件問題（對于DSP來說很容易）。

由于這些互補(bǔ)的特性，理想的系統(tǒng)將在FPGA和數(shù)字信號處理器之間分配工作。在我們的網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)中，對圖像本身的大多數(shù)操作都很簡單且非常重復(fù);因此，這些基元操作最好在FPGA中實(shí)現(xiàn)。但是，成像管道通常用于識別被檢查對象中的“斑點(diǎn)”或“感興趣區(qū)域”。這些 blob 的大小可能有所不同，因此后續(xù)處理往往更加復(fù)雜。使用的算法通常是自適應(yīng)的，具體取決于 blob 的結(jié)果?？紤]到所有因素，基于 DSP 的方法在成像管道的后端通常更有效。

賽靈思 Spartan IIE 系列 FPGA 用于我們的系統(tǒng)，因?yàn)樗哂蓄~外的可配置邏輯塊 （CLB） 功能，可在基于存儲器的設(shè)計(jì)中以更高的速度運(yùn)行，并支持高達(dá) 200 MHz 的系統(tǒng)時鐘速率。負(fù)載均衡包括四輸入函數(shù)發(fā)生器、進(jìn)位邏輯和存儲元件。每個CLB還包含組合函數(shù)生成器以提供五或六個輸入功能的邏輯。

目前，我們的設(shè)計(jì)使用XC2S200E，它具有5292個邏輯單元和200K系統(tǒng)門。該FPGA為我們的許多目標(biāo)應(yīng)用提供了足夠的資源，并經(jīng)過適當(dāng)封裝，可以構(gòu)建到單板相機(jī)內(nèi)系統(tǒng)中。

選擇合適的 DSP

為我們的應(yīng)用選擇合適的處理器非常重要。功耗、成本和封裝、速度、性能以及合適的外設(shè)和開發(fā)工具的可用性是我們決定選擇ADSP-BF535P的主要因素。

ADSP-BF535P是ADI公司Blackfin DSP產(chǎn)品系列的成員。它將雙 MAC DSP 引擎、類似 RISC 的微處理器指令集和單指令、多數(shù)據(jù) （SIMD） 多媒體功能集成到單個指令集架構(gòu)中。

權(quán)力

電源在卷材檢測系統(tǒng)中起著重要作用。在現(xiàn)場使用十幾個這樣的相機(jī)并不少見?？赡苡行?yīng)用不需要通過 DSP 進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，或者應(yīng)用可以以較低的 DSP 時鐘速度運(yùn)行。通過使用ADSP-BF535P，我們無需為了性能而犧牲功耗。在Blackfin中，ADSP-BF535P可以通過降低內(nèi)核電壓和頻率來降低功耗。為此，可以使用外部配套電源管理芯片ADP3053對內(nèi)核電壓電平進(jìn)行動態(tài)控制。Blackfin DSP允許動態(tài)調(diào)度每個外設(shè)的時鐘輸入，從而提供額外的功率控制功能。此外，內(nèi)部時鐘僅路由到設(shè)備的啟用部分。例如，256KB片上L2存儲器分為八個32KB組。此功能可以降低功率，因?yàn)檫@些組僅在訪問時才會計(jì)時。

成本和包裝

Blackfin ADSP-BF535P是一款通用DSP，其成本通常遠(yuǎn)低于最接近的數(shù)字處理同類產(chǎn)品。在此應(yīng)用中，其緊湊的 PBGA260 封裝形式非常適合我們的 3.5“ × 3.5” PCB。

速度

卷筒紙檢測系統(tǒng)是使用密集實(shí)時算法的苛刻處理應(yīng)用。因此，需要快速可編程的通用數(shù)字信號處理器來應(yīng)對高速數(shù)據(jù)速率帶來的挑戰(zhàn)。ADSP-BF535P的最大內(nèi)核時鐘（CCLK）為350 MHz。我們能夠在 300 MHz 下成功運(yùn)行我們的應(yīng)用程序（在某些情況下更低，以降低功耗）。CCLK 脈沖通過 PLL 生成，該 PLL 具有 1 到 31 的可用 CCLK 與系統(tǒng)時鐘 （SCLK） 比率。借助 20 MHz 外部振蕩器，我們能夠?qū)崿F(xiàn) 300 MHz 的 CCLK。 根據(jù) CCLK 的不同，可實(shí)現(xiàn) 133 MHz 的最大 SCLK。

性能

Blackfin處理器經(jīng)過高度優(yōu)化，可以有效地執(zhí)行DSP應(yīng)用程序代碼。在圖像處理應(yīng)用中，我們通常處理不同尺寸和種類的濾波器（無限脈沖響應(yīng)，IIR;和有限脈沖響應(yīng)，F(xiàn)IR）或?qū)?shù)據(jù)應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）。表1顯示了在ADSP-BF535P上進(jìn)行的一些基準(zhǔn)測試。

表 1.ADSP-BF535P信號處理算法基準(zhǔn)測試。

外設(shè)

ADSP-21535P包含一組豐富的外設(shè)，通過多條高帶寬總線連接到內(nèi)核，提供系統(tǒng)配置靈活性和出色的整體系統(tǒng)性能。它提供 USB 和 PCI 總線，用于無縫外設(shè)擴(kuò)展，無需昂貴的外部組件。

對于以中等數(shù)據(jù)速率將處理后的數(shù)據(jù)從相機(jī)傳輸?shù)絇C，USB似乎是一個很好的解決方案。但是，由于處理板的功耗相對較高，因此無法使用USB的總線供電功能。USB最有用的功能之一是它是可熱插拔的，掃描相機(jī)可以插入或拔出監(jiān)控系統(tǒng)（在這種情況下是PC），而無需關(guān)閉PC。對于使用一系列監(jiān)控?cái)z像機(jī)的高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，建議使用 IEEE Std. 1394 Firewire，它的帶寬是 USB 30.1 的 1 倍。

開發(fā)工具

我們使用了 VisualDSP++?開發(fā)和調(diào)試我們的代碼。VisualDSP++ 包括一個集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 和一個調(diào)試器，可提供高效的項(xiàng)目管理，使我們能夠在程序的編輯、構(gòu)建和調(diào)試之間輕松切換。還提供ADSP-BF535評估平臺。

算法

不同的算法已經(jīng)在FPGA/DSP處理系統(tǒng)中成功仿真和實(shí)現(xiàn)。在這里，我們簡要介紹模糊邏輯和一維AR算法。有興趣的讀者可以參考參考資料以獲取更多詳細(xì)信息。

模糊邏輯

模糊邏輯的一個新的令人興奮的應(yīng)用是卷材檢測系統(tǒng)中的缺陷檢測。手動檢測系統(tǒng)中的缺陷通常由語言變量描述和識別，例如，較暗或較亮的區(qū)域;更小或更大的對象，因此模糊邏輯似乎是缺陷檢測應(yīng)用的良好候選者。為了應(yīng)用該算法，從“金色”（無缺陷）模板離線派生一組紋理特征。這些紋理特征用作模糊決策引擎的輸入。獲得整個可能輸入范圍的輸出，并存儲在查找表（LUT）中。所提出的算法已在具有多個染色缺陷的隨機(jī)紋理樣本上進(jìn)行了測試（圖5）;圖像以 256 行× 256 列的分辨率進(jìn)行數(shù)字化，具有 8 位灰度級信息。應(yīng)用該算法的結(jié)果如圖 6 所示。

圖5.對樣品上的缺陷進(jìn)行染色

使用ADSP-BF535P，采用一維自回歸（1D AR）算法，定位缺陷的確切位置。

圖6.圖5中所選缺陷線的圖像。

一維AR算法的硬件實(shí)現(xiàn)

圖7顯示了1D AR算法的簡化信號流。

圖7.1D AR的簡化信號流程圖。

1D AR算法可以在ADSP-BF535P中輕松實(shí)現(xiàn)，并與模糊邏輯算法結(jié)合使用，以檢測缺陷線中缺陷的確切位置。

AR算法的核心是IIR濾波器（AR預(yù)測器）。由于IIR濾波器比FIR濾波器更快，因此它們更適合實(shí)時應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)表明，8階濾波器適用于大多數(shù)紋理。計(jì)算單元執(zhí)行單周期操作，并且沒有計(jì)算管道。缺陷線像素的灰度可以存儲在片上SRAM中，然后通過DMA控制器以不可見的方式傳輸?shù)酵獠看鎯ζ骰騊C。

結(jié)論

我們已經(jīng)介紹了一個攝像頭內(nèi)原型處理板，它基本上由FPGA和ADI Blackfin處理器組成。會議討論了實(shí)時卷材檢測系統(tǒng)的一些重要問題，以及功耗、成本、封裝、速度、性能以及對正確外設(shè)和開發(fā)工具的需求等參數(shù)，促使我們?yōu)閼?yīng)用選擇ADSP-BF535。我們展示了Blackfin ADSP-BF535為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能、實(shí)時嵌入式應(yīng)用提供了一個出色的平臺。

審核編輯：郭婷