一種光柵條紋圖像非線性矯正算法的DSP實(shí)現(xiàn)

孔小麗，金 永，王召巴

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

投影柵線法是結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量技術(shù)的重要分支，直接利用被調(diào)制條紋的相位畸變信息就可以得到物體表面高度的信息。投影柵線法將余弦光柵投影到玻璃表面，利用玻璃缺陷會(huì)導(dǎo)致云紋變形來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[1-3]。在玻璃缺陷檢測(cè)過(guò)程中，LED光源導(dǎo)致產(chǎn)生不一致的光柵云紋圖像。在非線性矯正算法中，“逐行”矯正算法具有計(jì)算量小，矯正精度高，處理時(shí)間較快、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；“曲線擬合”法有更高的矯正精度和動(dòng)態(tài)范圍，有更好的實(shí)用前景。

隨著玻璃缺陷檢測(cè)系統(tǒng)不斷追求小型化、高成像質(zhì)量，以及嵌入式和集成電路技術(shù)的發(fā)展，對(duì)圖像處理軟件的要求也越來(lái)越高。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)擁有特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，因此將引入到玻璃缺陷檢測(cè)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)玻璃缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的小型實(shí)時(shí)化[4-5]。本文介紹了一種以TMS3206437為核心，用于“曲線擬合”矯正算法的玻璃條紋圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。

1 圖像矯正

理想狀態(tài)下，在玻璃缺陷檢測(cè)系統(tǒng)中，各圖像處理和采集單元之間采用并行處理，每路分別獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)玻璃表面條紋圖像的采集和處理。在采集的玻璃條紋圖像中，同一列的無(wú)缺陷條紋圖像的灰度值一致，光柵云紋在空域上表現(xiàn)為周期的正弦函數(shù)，同一行的條紋曲線的灰度值呈余弦分布。由于LED光源的光強(qiáng)不一致以及CCD相機(jī)、投影儀圖像采集卡自身參數(shù)影響，導(dǎo)致線陣CCD相機(jī)采集的條紋曲線的背景灰度和對(duì)比度發(fā)生變化，同一行的條紋曲線并不是理想的余弦分布；并且這種變化的頻率較低，使得頻域內(nèi)背景灰度的頻譜發(fā)生擴(kuò)展，造成條紋的頻率與背景灰度的頻率混疊，無(wú)法準(zhǔn)確地提取出條紋的頻率。因此，需要對(duì)圖像進(jìn)行逐行矯正處理，以消除頻譜圖中高級(jí)次的譜點(diǎn)干擾。

玻璃表面的條紋圖像可表示為

其中：（x，y）——條紋圖像上任意像素的坐標(biāo)，x=1，…，5 150，y=1，…，200N；

I（x，y）——條紋圖像的灰度值；

f0=1/p——條紋的頻率；

p——透射光柵的柵距；

a（x，y）——背景灰度分布；

b（x，y）——條紋的幅值；

b（x，y）/a（x，y）——條紋對(duì)比度；

ψ（x，y）——條紋相位。

本文在玻璃表面上形成的條紋周期為10個(gè)像素，所選取的光柵柵距p=1mm，因此條紋曲線的頻率f0=0.1。理想情況下，條紋圖像中同一行的灰度分布應(yīng)為理想的余弦曲線，即 a（x，y）、b（x，y）和 ψ（x，y）均為常數(shù)，設(shè) a（x，y）=A、b（x，y）=B 和 ψ（x，y）=0，則一條理想的條紋曲線I′（x）可表示為

參數(shù)A和B的確定方法為：檢測(cè)開(kāi)始前，采集200行無(wú)缺陷條紋圖像，按照下式求得一條均值條紋曲線I″（x）：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

玻璃條紋圖像處理系統(tǒng)以TMS320DM6437為核心進(jìn)行構(gòu)建，結(jié)構(gòu)如圖1[6-8]所示。

圖1 玻璃條紋圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)接收模擬PAL制玻璃條紋信號(hào)視頻輸入，解碼成為數(shù)字圖像信號(hào)。視頻解碼芯片采用TVP5l50PBS，與DM6437的S-Video相連，它將模擬PAL制視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCbCr為4∶2∶2的BT.656數(shù)字視頻格式[9]。在DM6437中，采用“曲線擬合”校正算法對(duì)玻璃條紋圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正處理，將校正后的圖像數(shù)據(jù)輸出到DM6437的VGA視頻口。S-Video工作在display模式，與視頻編碼芯片相連。視頻編碼芯片采用SAA7121，它可以將符合BT.656格式的數(shù)字視頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成PAL制或者NTSC格式的模擬視頻信號(hào)，系統(tǒng)輸出的視頻信號(hào)格式為PAL標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼器編碼后，生成PAL制的復(fù)合視頻信號(hào)，通過(guò)顯示器顯示出來(lái)[10]。

由于TMS320DM6437的內(nèi)部SRAM容量只有64K×16位，需要設(shè)計(jì)外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。DDR芯片容量為2048Mb。Flash芯片數(shù)據(jù)寬度為8位，容量為32Mb，用于存放校正參數(shù)和程序代碼[11]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

玻璃條紋圖像處理系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。程序中，DM6437以非連續(xù)幀模式進(jìn)行圖像采集和顯示。DM6437視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）包括了視頻處理前端（VPFE）和視頻處理后端（VPBE），獨(dú)立于DSP內(nèi)核工作，分別用于外部圖像輸入設(shè)備和視頻輸出設(shè)備。VPFE采集完1幀圖像后，通知DSP內(nèi)核進(jìn)行處理并同時(shí)繼續(xù)下1幀的采集。在下1幀采集完成之前，DSP完成“曲線擬合”校正處理，將數(shù)據(jù)放入顯示緩沖區(qū)，并啟動(dòng)EDMA將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)搬移至VPBE顯示。

圖2 應(yīng)用程序流程圖

通過(guò)設(shè)置相關(guān)寄存器的值，DM6437的EMIF（外部存儲(chǔ)器接口）可以和各種類型的存儲(chǔ)器芯片相連。

相關(guān)寄存器的設(shè)置值如表1和表2所示。

DM6437的VPFE配置為8位BT.656視頻數(shù)據(jù)的Capture模式，用于采集圖像數(shù)據(jù)。VPBE則配置為Display模式，將圖像數(shù)據(jù)組合成8位BT.656視頻數(shù)據(jù)流，輸出給視頻編碼器。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

以TMS320DM6437為核心的玻璃條紋圖像矯正處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“曲線擬合”非線性矯正算法。選取玻璃生產(chǎn)過(guò)程中具有代表性的4種典型缺陷，包括夾雜缺陷、氣泡缺陷、劃傷缺陷以及光學(xué)變形缺陷中的癤瘤缺陷，進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，對(duì)比圖如圖3～圖6所示。

表l DDR相關(guān)寄存器的設(shè)置值

表2 Flash控制寄存器設(shè)置值

對(duì)比圖3、圖4、圖5可以看出，經(jīng)過(guò)矯正的玻璃條紋圖像的背景灰度和幅值趨于一致，降低了光強(qiáng)不一致所引起的頻譜混疊。從圖中可以看出，使用“曲線擬合”法校正后的圖像，邊緣更加清晰，背景更加均勻。

圖3 氣泡缺陷校正前后圖像對(duì)比

圖4 劃傷缺陷校正前后圖像對(duì)比

圖5 癤瘤缺陷校正前后圖像對(duì)比

圖6 夾雜缺陷校正前后圖像對(duì)比

表3 兩種方法處理時(shí)間對(duì)比 ms

此外，文中在32位，3.4GHz Intel處理器，4.0GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上選用Matlab 2012b進(jìn)行DSP與傳統(tǒng)軟件處理時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表可知，DSP處理方法的處理時(shí)間明顯比軟件處理的處理時(shí)間短，通過(guò)與軟件求解算法相比，該系統(tǒng)可很大程度上提高條紋圖像的矯正處理速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

非線性矯正技術(shù)是玻璃缺陷檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中以TMS320DM6437為核心構(gòu)建了玻璃條紋圖像處理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了“曲線擬合”矯正算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法的矯正效果較好，可以使矯正后的圖像，邊緣更加清晰，背景更加均勻，并且計(jì)算量小，滿足實(shí)時(shí)性要求。與軟件求解算法相比，該系統(tǒng)可以在保證檢測(cè)準(zhǔn)確度的同時(shí)，很大程度上提高條紋圖像的矯正處理速度。

[1]石兵華，金永，王召巴.基于數(shù)字光柵投影的浮法玻璃缺陷檢測(cè)方法研究[J].光電子·激光，2014（3）：521-525.

[2]韓仲卿，楊圣.基于同心圓光柵的遠(yuǎn)心三維測(cè)量系統(tǒng)[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33（5）：920-925.

[3]郭文靜，石兵華，金永.關(guān)于提高傅里葉變換輪廓術(shù)測(cè)量精度的研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（5）：845-848.

[4]黃竹鄰，柳剛，何兆湘，等.基于TMS320C6711 DSP的紅外熱成像非均勻性校正技術(shù)[J].光電子技術(shù)與信息，2005，18（3）：80-84.

[5]胡斌強(qiáng)，蘇紹，王躍科.基于DSP的周期信號(hào)等效采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（11）：1557-1559.

[6]陳志華，張洪濤，陳坤.基于TI DSP的紅外圖像采集預(yù)處理系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)[J].紅外，2006，27（7）：16-19.

[7]張洪濤，陳志華.基于TIDSP的紅外圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（5）：32-34.

[8]張彥鐸,陳馳,于寶成.高速圖像采集系統(tǒng)的研制[J].武漢工程大學(xué)報(bào)，2013，35（5）：67-71.

[9]李武森，遲澤英，陳文建.高速DSP圖像處理系統(tǒng)的模擬視頻輸入接口設(shè)計(jì)[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，1（27）：102-105.

[10]代少升，袁祥輝.提高DSP圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一種有效方法[J].光學(xué)精密工程，2003，11（6）：617-620.

[11]TMS320C6000 CPU and Instruction Set Reference Guide[M].San Francisco：Texas Instruments Incorporated，October 2000.