基于木桶理論的紙病檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

湯 偉 成爽爽，* 馮 波，2 曲蘊(yùn)慧 王孟效

（1.陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安，710021；2.陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院，陜西西安，712046；3.陜西西微測(cè)控工程有限公司，陜西咸陽，712000）

特種紙張?jiān)谏a(chǎn)過程中，容易受內(nèi)部因素和生產(chǎn)環(huán)境的影響產(chǎn)生不同的外觀缺陷，這些紙張表面瑕疵叫做紙病[1]。

基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)是一種新興的紙病檢測(cè)技術(shù)，與人工檢測(cè)相比，具有非接觸、高精度、高效率的特點(diǎn)[1]。但是隨著紙機(jī)車速的提高和幅寬的加大[2]，紙病檢測(cè)的快速性和準(zhǔn)確性大大降低。為了解決現(xiàn)有紙病檢測(cè)系統(tǒng)中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種適用于中高速紙機(jī)的在線紙病檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)要求的檢測(cè)精度、紙張幅寬和紙機(jī)運(yùn)行速度，在成本最低和滿足系統(tǒng)要求的前提下，選擇合適的工業(yè)線陣相機(jī)。工業(yè)線陣相機(jī)可以很好地完成動(dòng)態(tài)圖像的采集，但是必然會(huì)產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)。圖像分析模塊主要完成對(duì)紙病的檢測(cè)和識(shí)別，判斷紙張圖像中是否存在紙病，通過動(dòng)態(tài)閾值算法[3]由FPGA完成對(duì)紙病的檢測(cè)[4]。若存在紙病傳輸?shù)絇C機(jī)，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)紙病類型的識(shí)別；若不存在，則進(jìn)行紙病圖像的保存。由于FPGA具有并行性和高速運(yùn)算能力的特點(diǎn)，由FPGA完成對(duì)紙張圖像的保存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要分為2部分，第一部分由PC機(jī)進(jìn)行控制，主要用于存儲(chǔ)存在紙張缺陷的圖像；第二部分與FPGA相連，完成對(duì)紙張圖像的保存，以便于后期分析，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)性要求高，因此采用高端固態(tài)硬盤完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。木桶理論以滿足系統(tǒng)最高檢測(cè)速度和精度為要求，通過對(duì)各模塊的理論分析，以最低硬件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

通過理論分析，本文設(shè)計(jì)了一種適用于中高速紙機(jī)的紙病檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以滿足系統(tǒng)最高要求的以最低硬件為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。在保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，不僅可以很大程度避免對(duì)資源的浪費(fèi)，還能夠快速和準(zhǔn)確地完成對(duì)紙病的檢測(cè)和識(shí)別。

1 理論基礎(chǔ)

紙病檢測(cè)系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)和選取以木桶理論為基礎(chǔ)。木桶理論又稱短板理論，其核心內(nèi)容為：1只木桶盛水的多少，并不取決于桶壁上最高的那塊木塊，而恰恰取決于桶壁上最短的那塊。根據(jù)這一內(nèi)容，可以有2個(gè)推論：其一，只有桶壁上的所有木板均足夠高，那木桶才能盛滿水。其二，只要這個(gè)木桶里有一塊高度不夠，木桶里的水就不可能是滿的，高于最低木板所使用的材料均是對(duì)資源的浪費(fèi)[5]。引申到基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，就是如果要實(shí)現(xiàn)完整的紙病檢測(cè)過程，需要系統(tǒng)所有模塊均能滿足實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的要求，只要1個(gè)模塊不符合要求，就不能完成紙病的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)功能，而高于最低標(biāo)準(zhǔn)的模塊是對(duì)資源的浪費(fèi)。為了節(jié)約成本，以滿足系統(tǒng)最高要求的最低硬件標(biāo)準(zhǔn)為前提，進(jìn)行紙病檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。結(jié)合紙病算法，完成對(duì)中高速紙機(jī)紙病的檢測(cè)和識(shí)別。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊：光源模塊、圖像采集模塊、紙病檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和機(jī)械控制模塊[6]。工作原理為：根據(jù)紙張的幅寬選擇合適的光源模塊[7]，根據(jù)紙機(jī)速度和幅寬得到相機(jī)的采集頻率和分辨率，相機(jī)將采集到的紙張圖像傳輸給紙病檢測(cè)模塊[8]，該模塊在接收到圖像后，采用合適的算法以最快的速度進(jìn)行紙病檢測(cè)，將沒有紙病的圖像丟棄或保存，將存在紙病的圖像發(fā)送給數(shù)據(jù)分析模塊，同時(shí)給機(jī)械控制模塊發(fā)送指令，對(duì)紙病區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記[9]；數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)紙張圖像進(jìn)行分割，提取紙病區(qū)域的圖像，對(duì)紙病類型識(shí)別并保存，為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供方案。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.1 Architecture block diagram of paper defect detection system based on machine vision

2.1 系統(tǒng)硬件需求分析

2.1.1 相機(jī)的選擇

基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，相機(jī)的選取決定了圖像質(zhì)量，間接決定了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，所以選取合適的相機(jī)對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性起著決定性作用[10]。相機(jī)數(shù)據(jù)處理能力實(shí)時(shí)性的計(jì)算主要以相機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。

（1）相機(jī)分辨率的計(jì)算

相機(jī)分辨率指相機(jī)單次采集圖像時(shí)可采集到的圖像的像素總個(gè)數(shù)，一般由相機(jī)可采集的橫向上的像素總數(shù)乘以縱向上的像素總數(shù)來確定。紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，相機(jī)分辨率一般需要根據(jù)被檢測(cè)面的寬度和用戶要求的精度來確定，如式（1）所示。

式中，Pn為所需要像素的總個(gè)數(shù)；w為檢測(cè)區(qū)域的橫向?qū)挾龋琺m；ε為用戶要求的單位精度，mm2；n為單位精度的像素個(gè)數(shù)。n值越大，單位精度內(nèi)需要的像素也就越多，相同采集頻率下系統(tǒng)可檢測(cè)的速度就越小，n的取值一般集中在{1,4,9,16,25}。當(dāng)紙機(jī)幅寬比較大時(shí)，Pn的值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單個(gè)相機(jī)的分辨率，單個(gè)相機(jī)的分辨率無法滿足全幅檢測(cè)的需求，需要將多個(gè)相機(jī)橫向并行排列才能滿足檢測(cè)需求。相機(jī)個(gè)數(shù)由橫向檢測(cè)寬度所需像素總數(shù)除以單個(gè)相機(jī)橫向分辨率計(jì)算得出。

（2）相機(jī)采集頻率的計(jì)算

相機(jī)的采集頻率主要由指定的檢測(cè)單位精度和檢測(cè)速度來確定。一般情況下，同樣頻率的相機(jī)，要求的檢測(cè)精度高時(shí)，系統(tǒng)的檢測(cè)速度就會(huì)變慢，反之當(dāng)要求的檢測(cè)精度低時(shí)，系統(tǒng)的檢測(cè)速度就會(huì)變快。相機(jī)的采集頻率與檢測(cè)精度和檢測(cè)速度之間的關(guān)系如式（2）所示。

式中，fc為相機(jī)的采集頻率，Hz；s為紙機(jī)的運(yùn)行速度，m/min；ε為用戶要求的單位精度，mm2；n為單位精度的像素個(gè)數(shù)。當(dāng)檢測(cè)的精度和速度均比較高時(shí)，相機(jī)頻率也隨之變高，硬件成本也會(huì)增加。

2.1.2 相機(jī)鏡頭的選擇

鏡頭的好壞影響了圖像的采集范圍和成像效果，鏡頭的選取主要考慮以下因素。

（1）鏡頭尺寸

只有當(dāng)鏡頭的尺寸大于等于相機(jī)的成像尺寸時(shí)才能充分發(fā)揮相機(jī)的成像能力，否則會(huì)造成相機(jī)有效尺寸的浪費(fèi)。為了更好地發(fā)揮相機(jī)的性能，建議選擇比相機(jī)成像尺寸大一些的鏡頭。

（2）鏡頭焦距

由相機(jī)的成像原理可知，焦距的長(zhǎng)短與相機(jī)到被采集對(duì)象的距離成正比，當(dāng)相機(jī)與被采集對(duì)象的距離確定時(shí)，焦距大的鏡頭可采集的區(qū)域比較小，而焦距小的鏡頭可采集的區(qū)域比較大。為了選擇合適的鏡頭，可以通過式（3）的計(jì)算來選用合適焦距的鏡頭。

式中，f為焦距；A為相機(jī)的成像尺寸；H為相機(jī)鏡頭到被采集對(duì)象之間的高度；L為需要采集區(qū)域的長(zhǎng)度。一般情況下相機(jī)的成像尺寸A是可以提前確定的，可以根據(jù)檢測(cè)精度和相機(jī)的分辨率來確定。短焦鏡頭可以實(shí)現(xiàn)廣角采集，但距離中心較遠(yuǎn)的區(qū)域，可能會(huì)產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致圖像失真；長(zhǎng)焦鏡頭與被采集對(duì)象的距離確定時(shí)，可采集到的區(qū)域變小，在被采集對(duì)象的寬度一定時(shí)，需要更多的相機(jī)才能實(shí)現(xiàn)被采集對(duì)象的全幅采集，系統(tǒng)成本會(huì)更高。

（3）鏡頭光圈

鏡頭的光圈決定單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相機(jī)光量的多少，光圈越大單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相機(jī)的光量越多，采集到的圖像越亮。一般情況下光圈大小用F加數(shù)字的方法來表示，光圈的大小與F后面跟的數(shù)字成反比，數(shù)字越大，光圈越小。計(jì)算公式如（4）所示。

式中，F(xiàn)為光圈值；f為鏡頭的焦距；d為鏡頭有效口徑直徑。

（4）鏡頭分辨率

鏡頭的分辨率是指在像平面處1 mm內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“線對(duì)/毫米”，是將圖像的對(duì)比清晰度量化的一種方式。相機(jī)分辨率一定的情況下，鏡頭的分辨率越高，采集到的圖像清晰度也就越高。

2.2 圖像分析模塊的設(shè)計(jì)

相機(jī)完成圖像采集后會(huì)將采集好的圖像通過數(shù)據(jù)傳輸接口傳遞給數(shù)據(jù)分析模塊。根據(jù)系統(tǒng)的功能需要還可以將數(shù)據(jù)分析模塊再細(xì)化為2個(gè)模塊：檢測(cè)模塊主要完成紙病檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)的功能，此模塊對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比較高，必須以最快的速度檢測(cè)圖像上是否存在缺陷，否則會(huì)造成圖像數(shù)據(jù)的丟失。識(shí)別模塊對(duì)接收到的圖像進(jìn)行紙病區(qū)域分割和識(shí)別出紙病的類型。然后根據(jù)紙病類型和出現(xiàn)頻率對(duì)產(chǎn)生紙病的原因進(jìn)行分析。

在紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，光源優(yōu)化的主要目的是保證相機(jī)采集到的圖像的背景均勻度[11]和比較明顯的缺陷區(qū)域的圖像對(duì)比度，保證相機(jī)獲取到的圖像符合圖像分析模塊的要求。

能否實(shí)時(shí)完成檢測(cè)的工作，首先需要知道檢測(cè)的數(shù)據(jù)量，相機(jī)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量計(jì)算如式（5）所示。

式中，Data為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，B/s；P為相機(jī)分辨率；fc為相機(jī)的采集頻率。

當(dāng)紙機(jī)的速度和幅寬提高時(shí)，串行的CPU無法實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)的處理。FPGA可以實(shí)現(xiàn)多內(nèi)核之間的資源調(diào)度，為流水線和數(shù)據(jù)并行奠定了良好的基礎(chǔ)，再加上其可快速定制化的優(yōu)點(diǎn)，適用于紙病檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求高的檢測(cè)模塊。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以分為2個(gè)部分：第一部分由PC機(jī)來進(jìn)行控制，主要用于存儲(chǔ)有紙病的圖像，對(duì)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性要求不高；第二部分與FPGA連接，由FPGA負(fù)責(zé)將采集到的所有圖像利用數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)在設(shè)備上，此模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，要求存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)速度要大于相機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化配置需要對(duì)不同存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)速度進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。從表1中可以看出，固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)速度比機(jī)械硬盤和閃存盤的存儲(chǔ)速度要高很多，普通的固態(tài)硬盤也可以實(shí)現(xiàn)300 Mbps的速度，同樣是固態(tài)硬盤，PCIe GEN3*4接口的高端固態(tài)硬盤比SATA 3.0接口的固態(tài)硬盤要高出接近10倍的存儲(chǔ)速度，這主要是由2種不同接口的存儲(chǔ)方式不同造成的。在傳統(tǒng)SATA接口的固態(tài)硬盤中，數(shù)據(jù)需要先從硬盤讀取到內(nèi)存，再將數(shù)據(jù)提取至CPU內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后也需要通過CPU寫入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，然后再由內(nèi)存存儲(chǔ)到固態(tài)硬盤中。PCIe GEN3*4接口沒有內(nèi)存環(huán)節(jié)，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以直接通過系統(tǒng)總線與CPU通信，傳輸效率與速度均有了成倍的提升。

表1 不同存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)速度對(duì)比Table 1 Comparison of storage speed of different storage devices

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)的軟件需求分析

利用集成環(huán)境Visual studio 2015進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，使用C++作為主要編程語言，在圖像采集方面使用了DALSA提供的Sapera++類庫，包括兩大類：基礎(chǔ)應(yīng)用類（basic classes）和界面設(shè)計(jì)類（GUI classes）。在界面開發(fā)方面使用了微軟基礎(chǔ)類庫MFC[12]。MFC包含了大量的Windows API接口，較好的減輕了程序開發(fā)的工作壓力。

系統(tǒng)分成以下幾個(gè)模塊：紙病圖像采集模塊、紙病檢測(cè)模塊、紙病位置標(biāo)記模塊[12]（可選）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊（可選）、紙病區(qū)域分割模塊、紙病類型識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、人機(jī)交互模塊、同步觸發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

軟件模塊中，紙病圖像采集模塊由相機(jī)完成；紙病檢測(cè)模塊主要由FPGA負(fù)責(zé)完成；紙病位置標(biāo)記模塊由FPGA和打標(biāo)機(jī)合作完成；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊由FPGA和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器完成[13]；紙病區(qū)域分割模塊、紙病類型識(shí)別模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊主要由上位機(jī)完成；網(wǎng)絡(luò)通信模塊由上位機(jī)、FPGA模塊和工業(yè)線性相機(jī)一起完成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紙病檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure diagram of paper defect detection system

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要模仿實(shí)際生產(chǎn)中紙張的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)際生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)展開設(shè)計(jì)。以各個(gè)模塊的功能為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分成支架固定模塊、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、光源模塊、圖像采集模塊、紙病檢測(cè)模塊和紙病識(shí)別模塊。

圖3 紙病檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental platform of the paper disease detection system

為了對(duì)比不同系統(tǒng)架構(gòu)可達(dá)到的效果，設(shè)計(jì)了2套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：一套低速紙機(jī)紙病檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用“線陣相機(jī)+采集卡+PC機(jī)[14]”的系統(tǒng)架構(gòu)，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)低速紙機(jī)紙病的檢測(cè)，本文不再做過多敘述；另一套中高速紙機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用“工業(yè)線陣相機(jī)+FPGA+PC機(jī)”的系統(tǒng)架構(gòu)，主要對(duì)中高速紙機(jī)系統(tǒng)的硬件匹配策略進(jìn)行說明，并對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 低速紙機(jī)紙病檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Low-speed paper machine paper disease detection experiment platform

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)介紹

在保證實(shí)驗(yàn)安全的情況下，為了提高紙機(jī)的速度，設(shè)計(jì)了大直徑輥筒，小轉(zhuǎn)速電機(jī)的方案。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 中高速紙機(jī)紙病檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of paper defect detection system for medium and high speed paper machine

支架固定模塊采用鑄鐵框架結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)、寬、高分別為1.2、0.8、0.6 m，為了更好地采集高速運(yùn)動(dòng)紙張的圖像，在輥筒的外圈采用了長(zhǎng)度0.8 m，直徑0.6 m的高透光亞克力輥筒，亞克力輥筒兩端使用不銹鋼法蘭固定，將法蘭直接焊接到動(dòng)軸上，動(dòng)軸與中間的空心硬軸使用軸承連接，動(dòng)軸與固定底座之間也采用軸承連接，最終實(shí)現(xiàn)中間的空心硬軸不動(dòng)，通過外圈的動(dòng)軸帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的目的；底光源模塊則需要固定在中間的空心硬軸上，而上光源和相機(jī)低速紙機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用相同的方式，為了避免轉(zhuǎn)動(dòng)裝置在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)影響相機(jī)的采集效果，特意安排與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置物理分開。

亞克力材料的硬度和柔韌度相對(duì)較低，為了保證滾筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)兩端的平衡性，在機(jī)械驅(qū)動(dòng)方面設(shè)計(jì)了單軸雙端驅(qū)動(dòng)的連接方式，即在滾筒兩端的動(dòng)軸上各加一個(gè)同步帶輪，用同步帶與驅(qū)動(dòng)軸兩端的同步帶輪相連接，最大可能地避免了因受力不均造成的滾筒扭動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸采用軟連接的方式與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用了信達(dá)電機(jī)定制的6D300GU-C直流調(diào)速電機(jī)，最小轉(zhuǎn)速為10 r/min，最大轉(zhuǎn)速600 r/min，最快可以實(shí)現(xiàn)1130.1 m/min轉(zhuǎn)速。

3.2 紙病檢測(cè)系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

中高速紙機(jī)紙病檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置寬度為0.8 m，檢測(cè)精度要求為0.1 mm×0.1 mm，假設(shè)需要單位精度內(nèi)使用1個(gè)像素，則根據(jù)式(1)可以得出在橫向上需要的像素?cái)?shù)量為8000個(gè)，4臺(tái)2K相機(jī)、2臺(tái)4K相機(jī)、1臺(tái)8K相機(jī)3種方式均可滿足橫向像素的要求；最快可以實(shí)現(xiàn)1130.1 m/min的線速度，代入式(2)可得系統(tǒng)需要的采集頻率為188.35 kHz，根據(jù)相機(jī)的頻率分機(jī)情況，需要相機(jī)的采集頻率在200 kHz以上，當(dāng)前在工業(yè)線陣相機(jī)中能達(dá)到200 kHz以上的CCD相機(jī)可供選擇的種類不多[15]，而很多CMOS相機(jī)可以達(dá)到300 kHz以上[16]，因此只能選擇CMOS相機(jī)；每秒鐘可以產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量是1436.996 MB，在傳輸接口的選擇上就只有Camera link HS[17]和光纖2種可以滿足條件；在圖像數(shù)據(jù)處理方面，每秒鐘能處理1436.996 MB數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備也只有DSP和FPGA可以滿足；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，每秒鐘要寫入到硬盤的數(shù)據(jù)超過1 GB，普通硬盤不滿足此要求，只能選用高端固態(tài)硬盤。

單從性能進(jìn)行分析，可以滿足紙病檢測(cè)系統(tǒng)硬件配置有很多種，例如相機(jī)的選擇上，選用一臺(tái)具有200 kHz采集頻率、分辨率為8192、采用Camera link HS的CMOS相機(jī)；在數(shù)據(jù)檢測(cè)上選用FPGA板[18]；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上選擇采用M.2接口的高端固態(tài)硬盤；在紙病類型識(shí)別上可以選用高端上位機(jī)。滿足以上條件的硬件設(shè)備也有多種可供選擇。但對(duì)于造紙企業(yè)來說，在硬件選配的過程中，不僅要滿足系統(tǒng)的要求，經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也比較高，越高端的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)難度和實(shí)現(xiàn)難度均會(huì)變高，價(jià)格也會(huì)相應(yīng)變高，比如當(dāng)前4臺(tái)2K的相機(jī)的總價(jià)格小于一臺(tái)8K相機(jī)，而且分辨率低的相機(jī)穩(wěn)定性相對(duì)更高；單臺(tái)2K相機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相對(duì)也比較少，更容易找到適配的FPGA板。

根據(jù)上述分析，決定采用CMOS相機(jī)+FPAG+上位機(jī)[19]的模式，為有效保存數(shù)據(jù)，同時(shí)也測(cè)試FPGA的存儲(chǔ)效果，在此選用了三星970 EVO Plus 250GB M.2接口(NVMe協(xié)議)固態(tài)硬盤，實(shí)際存儲(chǔ)速度可以達(dá)到2300 MB/s，滿足系統(tǒng)要求。

基于木桶理論的紙病檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，除了按用戶需要設(shè)計(jì)可以平穩(wěn)運(yùn)行外，還需要考慮硬件的成本問題。實(shí)現(xiàn)1+1>2的效果，否則會(huì)造成硬件資源的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)現(xiàn)有紙病檢測(cè)系統(tǒng)中存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，通過分析系統(tǒng)中圖像采集模塊、數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊和圖像處理模塊等主要硬件模塊的要求，選擇合適的硬件，提出了基于木桶理論的紙病檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，避免了因硬件配置不均衡造成的檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)車速不高、幅寬小的問題，同時(shí)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的利用率得到有效提高，整個(gè)紙病檢測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本更加合理。