周敬東 黃云朋 周明剛 等

摘要：為解決物料顏色分選過程中的圖像高速采集與處理問題，采用TMS320F28335為核心處理芯片，以FPGA實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸與緩沖，分析并改進圖像處理算法，并通過分選執(zhí)行模塊執(zhí)行分選，設(shè)計了基于DSP的色選機分選控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)能達到設(shè)計的各項性能指標要求，具有很強的實用性。

關(guān)鍵詞：DSP；圖像處理；色選

中圖分類號：TN911.73 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）04-1021-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.051

Sorting Control System of Color Sorter Based on DSP

ZHOU Jing-dong，HUANG Yun-peng，ZHOU Ming-gang，CHEN Yuan，CHENG Chai，LI Min-hui

（Research and Design Institute of Agricultural Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： In order to solve the problem of high-speed image acquisition and processing in material color sorting process， the TMS320F28335 core is applied as a processing chip， the FPGA are used to realize the transmission and buffer of image data， analyzing and improving the image processing algorithms and perform sorting through sorting execution module， thus realize a image processing system based on the material color analysis and sorting of DSP. The test shows that the system is practical which can achieve the requirements of design.

Key words： DSP； image processing； color sorting

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，實時圖像處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于科研與生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。色選是指通過顏色的區(qū)分來清除物料中的受損、異色粒以及其他雜質(zhì)[2，3]。DSP采用改進的哈弗結(jié)構(gòu)，具有硬件乘法器[4，5]，適用于數(shù)字信號處理系統(tǒng)的，在圖像處理系統(tǒng)中可以大大提高處理速度，在圖像處理過程中具有重要的作用。本研究在通過對分析現(xiàn)有色選機圖像處理系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前DSP在圖像處理領(lǐng)域的重要地位[6]，通過對色選機圖像處理系統(tǒng)硬件的改進以及圖像處理算法的優(yōu)化，設(shè)計了一種基于DSP的色選機分選控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

基于DSP的色選機分選控制系統(tǒng)由圖像采集模塊[7]、圖像處理模塊[8]、分選執(zhí)行模塊、調(diào)試模塊4個部分組成，如圖1所示。其中，圖像采集模塊利用線陣CCD相機采集圖像數(shù)據(jù)，通過FPGA將圖像數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)緩存器FIFO；圖像處理模塊中DSP通過數(shù)據(jù)總線讀取FIFO中的圖像數(shù)據(jù)，調(diào)用圖像處理程序，對圖像進行分割、識別；處理完成后，將識別結(jié)果發(fā)送給分選執(zhí)行模塊，該模塊對接收的數(shù)據(jù)進行解析，控制分選機構(gòu)執(zhí)行分選；調(diào)試模塊在系統(tǒng)調(diào)試過程中PC可通過CAN總線讀取DSP中的圖像數(shù)據(jù)，讀取完成后，調(diào)用模糊聚類程序計算分選閾值，隨后將分選閾值發(fā)送給DSP。

色選機圖像處理系統(tǒng)在設(shè)計過程中，需要保證圖像數(shù)據(jù)處理的實時性，待分選物料從被相機捕捉到分選執(zhí)行完成的間隔時間只有4 ms，必須保證在該時間內(nèi)實現(xiàn)圖像傳輸、圖像處理和分選控制。其中，圖像處理占用時間最長，需要盡可能縮短圖像處理的時間，考慮到圖像傳輸以及分選控制的時間，圖像處理過程必須保證在3 ms以內(nèi)完成。在實際過程中，相機拍攝的圖片寬度為2 048像素，設(shè)定兩幀圖像處理1次。若需滿足系統(tǒng)實時性，則選用TI公司DSP（TMS320F28335）[9]，由于DSP采用改進的哈弗結(jié)構(gòu)、硬件乘法器，指令系統(tǒng)的流水線操作大大提高了運算速度，在圖像處理方面有著明顯的優(yōu)勢，可以滿足系統(tǒng)實時性需求。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

2.1 圖像處理模塊

圖像處理模塊是該系統(tǒng)的核心部分，包括DSP系統(tǒng)必需的電源控制、復位控制、時鐘系統(tǒng)以及JTAG接口外，還包括與調(diào)試模塊通訊的CAN總線驅(qū)動電路、與分選控制系統(tǒng)通訊的RS485驅(qū)動電路、圖像數(shù)據(jù)緩存器FIFO、DSP片外存儲器SDRAM以及FLASH（圖2）。

模塊所選用的DSP芯片是TI公司的TMS320F28335系列芯片，F(xiàn)IFO采用的是TI公司的SN74V245、512 K的SDRAM、256 K的FLASH。圖像在傳輸過程中，由FPGA到DSP之間經(jīng)過了圖像緩存器FIFO。FIFO的寫時鐘（WCLK）、寫使能（WEN）、復位信號（RS）由FPGA控制，讀時鐘（RCLK）、讀使能（REN）、輸出使能（OE）、數(shù)據(jù)滿（HF）由DSP控制。其中，HF連接到DSP中的DMA中斷信號，當FIFO中數(shù)據(jù)寫滿后，HF變?yōu)楦唠娖剑瑔覦MA中斷，DSP通過DMA通道將FIFO中的圖像數(shù)據(jù)讀入到SDRAM中，從而減少了DSP由于讀取圖像數(shù)據(jù)占用的時間，大大提高了DSP的圖像處理效率。

2.2 圖像采集模塊

在圖像采集模塊中，采用了彩色線陣CCD相機以及Altera公司的CycloneⅣ系列芯片的FPGA。線陣CCD相機采集圖像，并通過相機的Camera Link輸出口輸出。由于相機輸出信號不能直接由DSP接收，因而采用FPGA將該信號進行轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA轉(zhuǎn)換完成后傳輸給FIFO。FPGA在進行信號轉(zhuǎn)換的同時，也可對待傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)進行預處理，可降低DSP的處理負擔。

2.3 分選執(zhí)行模塊

分選執(zhí)行模塊包括與DSP通訊的RS485模塊、FPGA以及32路噴吹閥控制電路。DSP通過RS485模塊將分選處理結(jié)果發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA將對分選處理結(jié)果進行解析，通過噴吹閥控制電路控制噴吹閥工作，從而執(zhí)行分選。如圖3所示，單個噴吹閥驅(qū)動電路，實際過程中使用的噴吹閥是100 V啟動，12 V維持。EX111、EX110是12 V電壓輸入開關(guān)，由FPGA的I/O通過光耦PS2801控制，當FPGA1、FPGA2控制噴吹閥1開啟和閉合，當FPGA1、FPGA2均為低電平時，EX111輸入12 V，EX110輸入0 V，J1輸出100 V電壓，噴吹閥啟動；當FPGA1輸出高電平時，J1可由FPGA2控制輸出12 V或0 V，控制噴吹閥開啟和關(guān)閉。

2.4 調(diào)試模塊

調(diào)試模塊由PC以及USB轉(zhuǎn)CAN模塊組成。該模塊在系統(tǒng)調(diào)試過程中，可通過CAN總線讀取DSP采集到的樣本圖片，對其進行特征提取，利用模糊聚類算法求出分選閾值，通過CAN總線將分選閾值以及其他的分選參數(shù)發(fā)送到DSP中。

3 算法與軟件設(shè)計

3.1 圖像處理算法

色選機在分選過程中，對相機拍攝的圖片進行分割，分割為k個通道。分割完成后，逐步對每個分割區(qū)域內(nèi)的圖像單獨進行處理。首先將分選圖片中在（x，y）處像素點的分量均減去背景在（x，y）處相應(yīng)分量，處理過程中將單個像素點處3個分量值均小于10的點當作背景處理，排除分選過程中下落物料對光線的遮擋造成的背景像素值的擾動。分量求差函數(shù)如式1所示。

r（x，y）=R（x，y）-Rb（x，y）g（x，y）=G（x，y）-Gb（x，y）b（x，y）=B（x，y）-Bb（x，y）x∈[■·i-1，■·（n-1）-1）；y∈[0，m）；i∈[1，k]；其中x，y，i均為整數(shù) （1）

其中，R（x，y），分選圖片在（x，y）處的像素點的紅色分量；G（x，y），分選圖片在（x，y）處的像素點的綠色分量；B（x，y），分選圖片在（x，y）處的像素點的藍色分量；Rb（x，y），背景在（x，y）處的像素點的紅色分量；Gb（x，y），背景在（x，y）處的像素點的綠色分量；Bb（x，y），背景在（x，y）處的像素點的藍色分量； r（x，y），處理后坐標為（x，y）的像素點的紅色分量； g（x，y），處理后坐標為（x，y）的像素點的藍色分量； b（x，y），處理后坐標為（x，y）的像素點的綠色分量；k，分選通道數(shù)；i，表示第i個通道。

將式1中處理后像素點的分量與上位機傳輸?shù)姆诌x閾值進行比較，對于滿足式2中條件的像素點計為有效點。比較通道內(nèi)所有像素點后，求出有效點數(shù)b與參與比較的總點數(shù)的比值q。其中，每一個像素點在圖片中有一個固定的面積，參與比較的所有點數(shù)表示通道內(nèi)物料面積大小，有效點數(shù)表示通道內(nèi)物料特征面積大小，計算后為通道內(nèi)的物料特征面積占總面積百分比。將q與基準值p進行比較，可根據(jù)q與p的大小關(guān)系對物料進行判定，其中p表示判定過程中特征區(qū)域占物料總區(qū)域的百分比的設(shè)定值，若q>p則表示滿足特征分選，物料可識別，控制分選系統(tǒng)進行分選；反之則不可識別，分選系統(tǒng)不動作，物料自由下落。分量比較函數(shù)如式2所示。

Rl≤r（x，y）≤RhGl≤g（x，y）≤GhBl≤b（x，y）≤Bh （2）

其中，Rl，紅色閾值下限；Rh，紅色閾值上限；Gl，綠色閾值下限；Gh，綠色閾值上限；Bl，藍色閾值下限；Bh，藍色閾值上限。

3.2 軟件設(shè)計

DSP在圖像處理的過程分為預選過程和分選過程，圖4所示是分選過程的流程。在預選過程中，需要調(diào)試模塊參與，調(diào)試模塊通過CAN總線讀取樣本圖片的數(shù)據(jù)，該模塊通過對樣本圖像的特征提取以及模糊聚類，計算分選閾值。在分選過程中，DSP通過CAN總線接收調(diào)試模塊發(fā)送的分選閾值，將其存入FLASH中；同時，DSP讀取FPGA采集到的背景圖像，將背景圖像數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中，分選閾值接收完畢后，可啟動系統(tǒng)分選。系統(tǒng)啟動分選后，DSP中DMA中斷檢測FIFO中滿標志位HF的信號，當FIFO寫滿后，產(chǎn)生DMA中斷，DSP通過DMA通道讀取圖像數(shù)據(jù)，將其放入內(nèi)存中。在處理過程中，每兩幀圖像處理1次，當數(shù)據(jù)量達到兩幀圖像時，DSP調(diào)用圖像處理程序，先將采集到的圖像減去相應(yīng)的背景，然后對其進行通道劃分，通道劃分完成后，在各個通道內(nèi)實現(xiàn)分量比較，求出單個通道內(nèi)符合要求的點與參與比較的所有點的比值，與設(shè)定值進行比較，判定分選結(jié)果。判定結(jié)束后，調(diào)用串口程序，將分選結(jié)果發(fā)送給分選執(zhí)行模塊。

4 結(jié)論

色選機圖像處理系統(tǒng)是基于DSP為核心的圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，利用了DSP在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的諸多優(yōu)勢。在硬件系統(tǒng)上采用了DMA通道，實現(xiàn)DSP對圖像數(shù)據(jù)的讀取，在讀取過程中不占用系統(tǒng)資源大大降低了DSP的處理負擔；在軟件系統(tǒng)上才用了圖像分割、特征點閾值比較等方式實現(xiàn)了對分選物料的識別，可通過對分選閾值的調(diào)節(jié)實現(xiàn)多種大顆粒物料的分選。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于油茶果分選機上，在該設(shè)備上，油茶果分選效率以及分選質(zhì)量較基于計算機的分選設(shè)備均有所提升，同時大大降低了設(shè)備的成本。在該系統(tǒng)中，可對分選參數(shù)進行調(diào)整，以適應(yīng)各種有顏色差異的顆粒物分選中，具有非常廣闊的前景。

參考文獻：

[1] 郭卓鋒，丁 艷.基于DSP的實時圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計[J].光學技術(shù)，2004（1）：78-79，82.

[2] 丁潤鎖，尚立新，寧書臣，等.農(nóng)產(chǎn)品色選技術(shù)的發(fā)展分析[J].農(nóng)業(yè)工程，2012（S1）：54-56.

[3] 王 忠.我國谷物色選機應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機化研究，2006（4）：23-25.

[4] 陳金金.基于DSP的色選機技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[5] 魏禮俊.基于DSP的大米色選機的研制（信號與處理部分）[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2005.

[6] 魯昌華，石洪源，梁銀海，等.基于FPGA_DSP的實時圖像處理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（12）：72-75.

[7] 黃德天，劉雪超，吳志勇，等.基于CameraLink的高速圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林大學學報（工學版），2013（S1）：309-312.

[8] 朱 明，魯劍鋒，趙 建，等.基于TMS320C6202的實時數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計[J].光學精密工程，2003（5）：497-501.

[9] 劉陵順，高艷麗，張樹團，等.TMS320F28335DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：航空航天大學出版社，2011.