基于TMS320C6416 DSP的鋼材焊接割面超聲波成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在對(duì)鋼材焊接割面進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)中，超聲波回波信號(hào)經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).為了獲得檢測(cè)物件的二維灰度圖像，需要將數(shù)字信號(hào)高低轉(zhuǎn)換為不同灰度級(jí)別.如果獲得檢測(cè)物件的二維偽彩色圖像，需要將數(shù)字信號(hào)按照預(yù)先定義的調(diào)色板配色.

由于檢測(cè)物件.檢測(cè)設(shè)備性能和檢測(cè)環(huán)境影響，獲得的超聲波回波信號(hào)存在不同程度的噪聲，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行超聲波二維成像時(shí)，得到的圖像質(zhì)量達(dá)不到識(shí)別檢測(cè)物件缺陷的要求，主要表現(xiàn)為圖像模糊，缺陷區(qū)域的圖像和非缺陷區(qū)域圖像邊界不明顯.為了提高圖像質(zhì)量，抑制噪聲影響，必須對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理.圖像增強(qiáng)和邊緣銳化等處理，從而達(dá)到識(shí)別缺陷的要求，同時(shí)對(duì)選取的圖像處理算法一定要考慮超聲波無損檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求和圖像特征不同.

1.超聲波成像系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到實(shí)際檢測(cè)在線實(shí)時(shí)性需要，超聲波成像系統(tǒng)選擇了TI公司的TMS320C6416DSK作為DSP基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)，其具有各16K字節(jié)一級(jí)數(shù)據(jù)和程序緩存，1M字節(jié)二級(jí)統(tǒng)一映射存儲(chǔ)器或者緩存，720MHz主頻，加上內(nèi)部特有的硬件乘法器.并行多功能單元.哈佛總線結(jié)構(gòu).專用尋址單元和流水處理結(jié)構(gòu)，非常適合于實(shí)時(shí)性很高的應(yīng)用，同時(shí)TI公司提供針對(duì)TMS320C6416優(yōu)化的圖像支持庫API函數(shù)，在硬件和軟件兩個(gè)方面都可以保證超聲波無損檢測(cè)中成像的要求.

超聲波成像儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括超聲波傳感器FUS.模擬電子開關(guān)MAX4624.傳感器處理器XRD98L23.緩沖驅(qū)動(dòng)器SN74HC244.TMS320C6416DSK.USB控制器CY7C68001和上位機(jī)及軟件.超聲傳感器產(chǎn)生超聲波聲信號(hào)，接收超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過模擬電子開關(guān)，模擬信號(hào)進(jìn)入傳感器處理器完成放大和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入緩沖驅(qū)動(dòng)器，最后進(jìn)入TMS320C6416完成超聲波檢測(cè)物件二維圖像處理，處理后的圖像通過USB控制器上傳到上位機(jī)軟件，進(jìn)行演示.分析和存儲(chǔ).

2.超聲波成像系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

TMS320C6416具有豐富的編程資源，包括外部存儲(chǔ)器接口EMIF.增強(qiáng)直接存儲(chǔ)器訪問EDMA.多通道緩沖串口MCBSP.定時(shí)器TIMER.中斷和通用輸入輸出GPIO等.TMS320C6416 DSK充分將這些編程資源進(jìn)行了外圍擴(kuò)展.超聲波成像儀主要接口設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1描述了TMS320C6416與外圍硬件接口設(shè)計(jì)，其中細(xì)實(shí)線箭頭表示數(shù)據(jù)信號(hào)流程，細(xì)虛線箭頭表示控制信號(hào)流程.

3.超聲波成像處理

檢測(cè)物件的超聲波數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)后可用二維矩陣f（x,y）表示.其中m為X方向的像素點(diǎn)數(shù)，n為Y方向的像素點(diǎn)數(shù)，f（x,y）為點(diǎn)（x,y）的灰度值.超聲圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)與檢測(cè)的每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng).但是由于超聲圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)是相鄰的，而檢測(cè)物件上的每個(gè)采樣點(diǎn)卻是不相鄰的，所以超聲圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)實(shí)際代表了檢測(cè)物件上以相應(yīng)采樣點(diǎn)為中心的以采樣間隔為邊長(zhǎng)的方形區(qū)域.

3.1 超聲波偽彩色成像

由于人的視覺系統(tǒng)能夠區(qū)分的灰度等級(jí)只有二十多個(gè)，但是卻能區(qū)分不同亮度.色調(diào)和飽和度的幾千種彩色，而且彩色圖像相對(duì)灰度圖像也更舒服些.所以，可以對(duì)超聲波圖像的特征量進(jìn)行必要的彩色增強(qiáng)，具體使用偽彩色定義方法實(shí)現(xiàn).圖像偽彩色處理分為頻域偽彩色處理和空域偽彩色處理.空域偽彩色處理是將不同灰度值映像映射為不同色彩值.在超聲成像時(shí)，偽彩色處理常采用空域偽彩色處理方式，即超聲偽彩色圖像是按某種規(guī)則給圖像的各灰度級(jí)別映射不同的彩色.映射的方法根據(jù)檢測(cè)物件材料和人為因素會(huì)有不同選擇.基本過程是先將圖像的灰度值劃分為0到M分成N個(gè)區(qū)間，區(qū)間的大小可以不一致，然后給每一個(gè)區(qū)間指定一種顏色.對(duì)于超聲波檢測(cè)，N取值要適當(dāng)，過大容易造成圖像繁雜不直觀，過小容易造成圖像特征不完整.

3.2 超聲圖像平滑處理

由于檢測(cè)物件.檢測(cè)設(shè)備性能和檢測(cè)環(huán)境影響，超聲波圖像中包含多種噪聲，而這些噪聲會(huì)影響檢測(cè)物件超聲波圖像的缺陷分析，因此在對(duì)檢測(cè)物件超聲圖像進(jìn)行缺陷分析前必須去除這些噪聲.由于在超聲檢測(cè)中的許多噪聲產(chǎn)生機(jī)理是未知的，而且即使知道產(chǎn)生機(jī)理，一般情況下也很難進(jìn)行數(shù)學(xué)建模.在這樣情況下，一般采用根據(jù)噪聲一般性質(zhì)進(jìn)行噪聲消除的平滑處理方法.要求平滑處理方法既要保證不損壞圖像輪廓及邊緣等重要信息，也要保證圖像清晰.

一般圖像降噪有空間域法和頻率域法.

空間域法是在空間域中對(duì)圖像灰度值直接進(jìn)行計(jì)算.頻率域法是在將圖像從空間域變換到頻域中，然后對(duì)圖像的變換值進(jìn)行計(jì)算，最后變換回空間域.但是由于頻域算法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，處理速度慢，一般不適合超聲檢測(cè)使用.

由于TI公司針對(duì)TMS320C64x+ DSP提供的圖像/視頻處理庫，其中提供了中值濾波等平滑函數(shù)，因此實(shí)際主要采用中值濾波方法來實(shí)現(xiàn)超聲圖像平滑降噪.

以C掃描圖像為例來說明圖像平滑處理方法的效果.圖2為C掃描原始圖像，圖像中麻點(diǎn)和突變點(diǎn)較多，主要是由超聲隨機(jī)噪聲引起的.圖3為中值濾波后圖像，可以看出噪聲得到了一定程度的消除，同時(shí)能對(duì)圖像的邊沿細(xì)節(jié)較為完好的保留.

3.3 超聲圖像邊緣檢測(cè)

在數(shù)學(xué)上，對(duì)于這種由灰度值變化引起的階躍情況可用梯度來表示，在后續(xù)的對(duì)階躍求一階導(dǎo)數(shù)的運(yùn)算過程，即是用梯度操作數(shù)來完成的.根據(jù)梯度操作數(shù)計(jì)算涉及到偏導(dǎo)計(jì)算，這就要求對(duì)圖像的每個(gè)像素進(jìn)行計(jì)算，這樣產(chǎn)生的計(jì)算開銷較大，不適合實(shí)際使用.在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用基于方向?qū)?shù)小區(qū)域模板求卷積的方式來近似計(jì)算.X方向和Y方向的梯度各自使用一個(gè)模板，這兩個(gè)模板共同構(gòu)成一個(gè)梯度操作數(shù).由于TI公司針對(duì)TMS320C64x+ DSP提供的圖像/視頻處理庫，其中提供了Sobel算子多種模板的邊緣檢測(cè)函數(shù)，因此實(shí)際主要采用某一模板的Sobel算子方法來實(shí)現(xiàn)超聲圖像邊緣檢測(cè).圖4是采用Sobel算子對(duì)圖3所示中值濾波后超聲波圖像處理的結(jié)果.從邊緣檢測(cè)的結(jié)果可以看出，Sobel算子對(duì)灰度漸變和噪聲較多的圖像可以達(dá)到較好的處理效果，但是Sobel算子處理的圖像缺陷邊緣并不是完全連通的，有一定程度的斷開，這是因?yàn)樵摬僮鲾?shù)不是各向同性的.

4.結(jié)論

采用上述設(shè)計(jì)方案的鋼材焊接割面的超聲波成像系統(tǒng)能夠完成鋼材焊接割面特征信息的轉(zhuǎn)換.采集.存儲(chǔ).處理和顯示，在正常的生產(chǎn)環(huán)境下基本可以達(dá)到進(jìn)行特征識(shí)別的要求.

但是在特殊生產(chǎn)環(huán)境中存在很多干擾因素，環(huán)境變化大，造成獲得的特征信息圖像不能完全反映物件特征，提高特征識(shí)別難度，降低特征識(shí)別準(zhǔn)確度，降低系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求進(jìn)一步要解決的問題，降低特征識(shí)別難度，提高特征識(shí)別準(zhǔn)確度.