基于FPGA玻璃缺陷圖像采集處理系統

引 言
??? 玻璃缺陷檢測是玻璃生產過程中一個相當重要課題。玻璃缺陷(氣泡、結石、錫點等)妨礙了它在重大技術領域中的應用，不但影響了產品的外觀，同時由于它的不平整度及屈光度的影響，使得人透過玻璃觀察實物時受到障礙。目前，國內外在該領域的研究成果大致為分別利用線、面陣CCD獲取表面圖像，由后續軟件對圖像加以分析的方法來實現對表面質量的檢測處理。在此正是基于這樣一種指導思想下，設計了一種基于FPGA的玻璃缺陷在線檢測系統方案，利用FPGA實時、高速、可重構的特點，對玻璃缺陷圖像進行的預處理(卷積運算)，從而大大降低了后期數據處理的壓力，使得圖像處理系統運算速度快，具有很好的適應性。

1 圖像采集處理系統硬件平臺
??? 在圖像信號處理過程中為保證實時性，首先要求實時圖像處理系統具有處理大數據的能力；其次對系統體積的大小、功能、穩定性等也有嚴格要求。實時圖像處理算法中經常要用到對圖像的求和、求差、二維梯度、圖像分割等不同層次、不同種類的運算。基于上述因素，考慮到FPGA和DSP的優異性能，這里在玻璃缺陷檢測系統中采用了如圖1所示的硬件平臺。

??? 系統內各模塊功能簡要描述如下：
??? (1)視頻采集異步FIFO模塊(內嵌于FPGA中)接收從視頻A／D芯片SAA7113送來的數字視頻流，解決系統數據緩沖和異步時鐘的問題，因為SAA7113送過來的LLC頻率為27 MHz，而FPGA系統時鐘頻率為48 MHz。
??? (2)視頻解碼模塊用來對得到的數字視頻流進行解碼，識別出行、場同步信號，并且根據需要選擇采集圖像的大小。
??? (3)I2C配置接口模塊(通過EP2C35進行模擬配置)通過I2C總線對SAA7113進行初始化配置，選擇產生的數字視頻格式等。
??? (4)圖像幀存控制模塊用來讀／寫系統兩片幀存儲器，并且可以在它們之間進行讀／寫切換操作。
??? (5)圖像低級處理模塊從幀存中讀取一幀圖像數據，對其進行底層大量運算的圖像預處理，如噪聲消除、邊緣檢測等，最后將處理完的圖像數據經通信模塊送至后端DSP處理器做進一步操作。此外由于采用基于SDRAM工藝的FPGA芯片，所以還需要配置電路在上電時對FPGA進行配置。
??? 系統上電時，FPGA首先從外部配置芯片中讀取配置數據，通過AS主動串行方式完成自身的程序加載，進入工作模式狀態。隨后I2C配置接口模塊完成對SAA7113的初始化，初始化結束后，FPGA等待采集圖像的命令。FPGA收到采集命令后，啟動采集視頻數據模塊、異步FIFO模塊和視頻解碼模塊進行解碼，將數據輪換寫到兩個幀存中，供圖像低級處理模塊處理、經DSP對圖像做進一步處理，然后由通信模塊送往工控PC。

2 系統中內存管理和圖像低級處理技術
2．1 SDRAM控制實現及仿真
??? 視頻轉換芯片輸出的視頻圖像數據通過8位總線VPO傳輸給FPGA，FPGA需要將數據保存到SDRAM中，SDRAM在讀寫上有嚴格的時序要求。SDRAM的命令由RAS_n，CAS_n，WE_n和LOAD_mode構成，分別表示行選擇、列選擇、讀／寫控制和寄存器配置控制。在該系統中，設計了SDRAM(基于FPGA)接口模塊，該模塊控制SDRAM的命令與時序。模塊內設計了初始化機制和系統指令分析機制。初始化機制不僅要完成對SDRAM的初始化配置，還要完成對控制器的初始化配置，從而使控制器與外部SDRAM的工作模式一致。為了實現高效的SDRAM存取，提高SDRAM總線的利用率，SDRAM接口模塊CLK采用133 MHz的高速時鐘，當得到數據存取模塊的讀FIFO要求后．向SDRAM連續寫入16個字；當得到PC接口模塊的讀SDRAM請求后讀出1個字；其他時間保證SDRAM進行刷新工作，以免數據丟失。從該硬件設汁平臺可以看出，系統中的SDRAM分別由PFGA和DSP控制。當DSP和FPGA完成對相應SDRAM的操作后，需要進行總線切換。總線切換后，DSP和FPGA開始對另一塊SDRAM進行相應操作。

其主要代碼如下：

2．2 圖像低級處理的FPGA實現
??? 圖像處理系統中，底層的圖像預處理(濾波、銳化)的數據量很大，要求運算速度很快，但運算結構相對比較簡單，適應于FPGA通過硬件實現。而在數字信號處理中，卷積器經常被用于圖像濾波、邊緣檢測、圖像銳化，在玻璃缺陷檢測系統中，對采集的圖像進行濾波去噪處理，以降低后續處理運算的壓力。設對于兩個長度分別為m和n的序列f(i)和g(j)，于是可以給出一個長度為N=m+n-1輸出序列：

???
設f(i)為模板序列{ω1，ω2，…，ωk}，g(j)為輸入序列{x1，x2，…，xn}，模板匹配后的結果序列為{y1，y2，…，yn-k+1}，則：

???
??? 上式顯然與常規意義下的卷積有所不同，但只要將{ω1，ω2，…，ωk}從左到右按鏡像排列預置于模塊中即可。可以看出，每個輸入點xi都要與模塊中的所有元素進行累加和相乘。
??? VHDL程序頂層文件代碼如下：

???

?假設模板為{1，l，1}，其仿真波形如圖3所示。

??? 在實際操作中，模板的值預置于每個單元中，很容易修改，可以方便地完成各種“窗口”的卷積運算。在卷積實現的基礎上，只要采用不同系數的模板就可以完成各種運算，而且如果將卷積中的乘法和加法運算，分別換成比較運算和布爾運算中的“與”運算，那么卷積問題就換成了圖像匹配問題。如果將乘法運算改為加減法，將累加運算改為取最大、最小值，就可以完成灰度圖像的膨脹和腐蝕運算，這對于進行玻璃缺陷檢測是有著極大幫助的。

3 結 語
??? 這里闡述了一種基于FPGA的玻璃缺陷圖像采集處理系統方案，給出了具體的應用和設計框圖，它體積小、系統集成度高，能有效地對圖像進行高速采集處理。系統中采用的圖像數據卷積算法，大大減輕DSP后期數據處理的壓力，在研究過程中表明，采用FPGA實現圖像低層次算法，設計者必須非常了解FPGA器件內部的資源，同時系統中涉及到時鐘信號、RAM、PCI接口等各種器件，大量復用的數據、地址線要求設計者必須精心考慮邏輯結構和功能時序才能充分發揮出FPGA的功能，取得理想的應用效果。