基于FPGA和線陣CCD的色選實驗平臺研究＊

孫曉曄 ，蓋素麗

（1.石家莊開發(fā)區(qū)冀科雙實科技有限公司，河北 石家莊 050081；2.河北省科學(xué)院 應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，河北 石家莊 050081）

隨著人民生活水平的逐步提高，人們對食品質(zhì)量的要求日益嚴格，這也促使越來越多的大型糧食加工企業(yè)為了提高谷物的外觀質(zhì)量、食用品質(zhì)和商用價值，開始注重糧食的加工品質(zhì)，不斷采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段來提高色選機的分選效率，研發(fā)新的高科技色選機成為企業(yè)之間競爭的一種手段[1]。為此，本文提出一種基于FPGA和線陣CCD的色選實驗平臺，利用FPGA的高并行性、高系統(tǒng)時鐘速率和靈活的可編程性，配合高速線陣CCD作為色選圖像采集傳感器，從而保證色選算法執(zhí)行電路的高速、高效，為新一代色選機產(chǎn)品的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 色選原理

色選機是利用光電原理，從大量散裝產(chǎn)品中將顏色不正常或感染病蟲害的個體（球狀、塊狀或顆粒狀）以及外來雜質(zhì)進行檢測并分離的設(shè)備[2]，其原理圖如圖1所示。被測物從喂料器進入一定長度的無損傳送帶，并被配送到各分選通道，經(jīng)過一段時間的運動后，在各通道呈穩(wěn)定姿態(tài)進入CCD傳感器的視野范圍?？梢酝ㄟ^改變圖中斜槽的傾斜程度，調(diào)整被測物的下落速度。通過對CCD采集到的圖像的分析和處理，識別出顏色異常的被測物，控制電磁閥在該目標剛好運動到達噴嘴前的位置時，開啟噴氣閥，改變該目標的運動軌跡，使其落入廢料口，而合格的繼續(xù)下落最后進入成品收集口，從而實現(xiàn)合格品和不合格品的分離。

2 硬件平臺設(shè)計

圖1 色選原理圖

色選硬件實驗平臺主要由外圍的CCD圖像傳感器、電磁閥、CCD輸出信號處理電路和FPGA構(gòu)成，如圖2所示。線陣CCD接收光信號，在驅(qū)動脈沖的控制下進行自掃描并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸出與光信號強度成正比的負極性電壓信號。CCD輸出信號經(jīng)預(yù)處理后，在FPGA的控制下，被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給FPGA。FPGA利用其內(nèi)部的存儲器對數(shù)據(jù)進行緩存，再根據(jù)色選算法對數(shù)據(jù)進行處理，判別出異色米粒，然后根據(jù)異色粒的位置開啟相對應(yīng)的電磁閥將其剔除[3-4]。在實際應(yīng)用中，CCD圖像傳感器為多路，每路CCD對應(yīng)1個分選通道，每個通道有多個槽，每個槽對應(yīng)1個電磁閥。

圖2 色選硬件平臺構(gòu)成

2.1 線陣CCD

選別率與選別速度是大米色選的兩個重要指標，這就要求作為色選機核心部件之一的CCD數(shù)據(jù)輸出速率高、分辨率高且成像質(zhì)量高。鑒于此，選用日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的TCD1209D，這是一款高速、低暗電流的線陣CCD，為DIP22封裝形式的雙列直插型器件，可用于傳真、掃描和光學(xué)字符識別（OCR）等。該器件有效像素為2 048個，最佳工作頻率1 MHz，最高驅(qū)動頻率可達20 MHz[5]。

2.2 CCD信號處理電路

由于CCD 輸出信號包含有效的交流信號、直流分量和各種噪聲，不便于系統(tǒng)傳輸、存儲和處理。因此，需要對信號進行預(yù)處理，抑制噪聲[6]。CCD信號處理電路的設(shè)計采用了前置放大加專用芯片的處理方式。前置放大電路用來隔離前后級電路的相互影響，同時提供較大的電流放大倍數(shù)；而專用芯片通過暗電平校正、相關(guān)雙采樣等技術(shù)消除噪聲。專用芯片采用PHILIPS公司的TDA9965，該芯片具有功能強大、性能優(yōu)越及價格便宜等特點。利用TDA9965可對CCD輸出信號進行暗電平校正、相關(guān)雙采樣及A/D轉(zhuǎn)換等，為FPGA要處理的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

2.3 FPGA

FPGA作為整個硬件裝置的核心，不僅需要產(chǎn)生CCD的驅(qū)動時序控制CCD圖像傳感器采集圖像信息，還要對CCD輸出信號的A/D轉(zhuǎn)換進行控制，并利用其內(nèi)部的存儲器對數(shù)據(jù)進行緩存，再根據(jù)色選算法判別出異色米粒，然后控制相應(yīng)的電磁閥將異色米粒剔除。在本 系 統(tǒng) 中 ，F(xiàn)PGA采 用 Cyclone III系 列 中 的EP3C25E144C8， 它 具 有 24 624LEs，66個 M9K RAM blocks，RAM總?cè)萘窟_0.6 MB，適用于視頻幀緩沖；還具有經(jīng)過預(yù)先優(yōu)化的視頻和圖像知識產(chǎn)權(quán) （IP）內(nèi)核，可大大提高圖像處理的效能。EP3C25E144C8有4個PLLs，144個引腳，其中有 82個用戶 I/O，采用 EQFP四方扁平封裝[7]。利用EP3C25E144C8進行設(shè)計，可以提高集成度和性能，降低功耗，讓產(chǎn)品及時面市，同時滿足低成本要求。

2.4 電磁閥

采用美國MAC Valves公司的34C-ABB-GFSA-0BL型號的電磁閥，其速度快、重復(fù)度高且環(huán)境耐受性強。

3 色選算法

采用線陣CCD傳感器和高速FPGA等新技術(shù)的色選硬件平臺，只能從一定程度上提高圖像采集的清晰度和數(shù)據(jù)處理的速度，要進一步提高色選精度，還需要開發(fā)新的高效的色選算法。

針對線陣CCD采集到的大米 （被選物）的顏色信息，本文提出了一種從白米中選出微小異色點（主要是指深色點、微黃或黃色點及腹白點）大米的色選算法。算法核心思想是以像素為單位對被選大米的顏色特征（灰度信息，即反射到CCD的光強大?。┻M行統(tǒng)計、相互比較，從而確定合格大米的灰度閾值范圍，將閾值范圍以外的像素點判斷為異色點，再根據(jù)米粒的異色程度確定米粒是否合格。下面詳細介紹所采用的色選算法。

3.1 算法公式中的符號說明

Ai（t）表示 i處像素在 t時刻（當(dāng)前時刻）的光強值（或灰度值）；BGi（t）表示 i處像素在 t時刻（當(dāng)前時刻）對應(yīng)的背景灰度值，t=0 時表示初始背景；AH（t）和 AL（t）分別是當(dāng)前時刻用于判別像素灰度值是否合格的上限閾值和下限閾值。

3.2 初始背景值計算

由于受周圍光源強度變化的影響，背景的圖像信息也會相應(yīng)變化，為了使背景信息能保持相對穩(wěn)定，在每一次色選前，先多次采集背景灰度值，取其平均值作為初始時刻的背景。這里的平均是以像素為單元，即每個像素點對應(yīng)一個平均運算后的背景光強值，表示為：

3.3 背景判別及背景值更新

背景判別的目的首先是確定CCD視場中是否有被測物進入；其次，當(dāng)被測物進入視場時，需要區(qū)分哪一部分是被測物信息，哪一部分是背景信息；最后，由于背景信息隨周圍光源、溫度的變化時刻改變，因此還需要對背景進行更新，這樣可以提高算法的實用性、靈活性。

（1）對輸入的數(shù)據(jù) Ai（t），若滿足|BGi（t-1）-Ai（t）|BGi（t-1），則可判斷 Ai（t）是背景灰度值，即 CCD 的第i個像素點在t時刻采集到的是背景反射回的光強。對落在背景上的像素點是不用處理的。則對第i個像素點對應(yīng)的背景值按下式更新：BGi（t）={BGi（t-1）+Ai（t）}/2。

（2）對 輸 入 的 數(shù) 據(jù) Ai（t），若 滿 足 |BGi（t-1）-Ai（t）|>εI·BGi（t-1）， 則 可 判 斷 Ai（t）是 被 選 大 米 的 灰 度 值 ， 即CCD的第i個像素點處于被測物邊緣內(nèi)部區(qū)域，為有效像素，須作為后續(xù)異色判別的輸入。這時，第i個像素點對應(yīng)的背景值保持不變，即 BGi（t）=BGi（t-1）。

3.4 閾值確定

利用統(tǒng)計學(xué)“3σ法”的思想，經(jīng)正態(tài)性驗證被測物上點的灰度值變化服從正態(tài)分布。在此前提下，產(chǎn)生初始閾值 AH（t）、AL（t）：

在算法的實際應(yīng)用中，背景和被測物的信息是不斷變化的，為了使色選算法能夠適應(yīng)這些變化，算法的設(shè)計中還應(yīng)當(dāng)考慮閾值的不斷更新。

3.5 異色點判別

在得到了色選判別所需的上限閾值和下限閾值后，對輸入數(shù)據(jù) Ai（t），若滿足 Ai（t）AH（t-1），則可判別 Ai（t）對應(yīng)的像素點為異色點。

3.6 異色米粒的判別

由于被測米粒受到周圍光線等因素的影響，異色點的判別可能會有失誤，因而不能因為偶然出現(xiàn)的異色點信息就判定該被測米粒為異常，而需要給出對被測米粒的總體評價規(guī)則。把大米上所有異色點占總點數(shù)的比例作為該米粒的異色程度，當(dāng)該米粒的異色程度大于某個規(guī)定值時，才認定該大米為異色米，進行剔除。

本文介紹的用于大米色選的線陣CCD實驗平臺在FPGA技術(shù)的支持下實現(xiàn)了高速度和高精度，實驗證明，其可實現(xiàn)米粒的 “即落即判”，非常適合在線檢測的應(yīng)用，對于提高糧食加工行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有重大意義。經(jīng)測試，電路運行良好，可以達到設(shè)想的要求，具有一定的實用價值。

[1]秦鋒，阮競蘭.谷物色選機國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].糧食加工，2011，36（2）：51-53.

[2]BAYRAM M， ?NER M D.Determination of applicability and effects of colour sorting system in bulgur production line[J].Journal of Food Engineering， 2006 （74）：232-239.

[3]尹亮.CCD智能相機圖像采集硬件平臺的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[4]叢昊.色選數(shù)據(jù)采集及傳輸實驗平臺研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[5]TOSHIBA.TCD1209D datasheet[Z].1999.

[6]鄭力新，周凱汀，劉玉玲.CCD色選機信號處理與控制技術(shù)的研究[J].糧食與飼料工業(yè)，2011（1）.

[7]Altera Corporation.Cyclone III Device Handbook[Z].2010.