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1、目录1 绪论11.1 背景11.2智能相机与一般数字相机的比较21.3智能相机系统构成及工作原理31.4智能相机实现的技术基础41.5智能相机的数学模型41.6本文研究的主要内容42 智能相机系统概述52.1智能相机系统构成框图52.2数字信号处理器DM642介绍62.2.1 DM642的特点及内部结构62.2.2 DM642的主要特点及性能：72.2.3 DM642视频口72.2.4 DM642 EDMA82.2.5 DM642 Cache结构82.2.6 DM642 I2C模块82.2.7通用I/O端口GPIO92.2.8其他外设接口92.3 CCS IDE集成开发环境92.4 CPLD技
2、术102.3嵌入式实时操作系统DSP/BIOS113 智能相机的硬件电路设计与实现123.1系统硬件组成概述123.2 DM642处理器单元123.2.1 VLIW(very long instruction word)：123.2.2 大端(Big Endian)和小端(Little Endian)：123.3电源电路模块133.3.1 系统所需电源种类133.3.2 电源电路类型143.3.3 电源监视和系统监视153.3.4 TMS320DM642供电方案设计153.4 存储器电路模块173.4.1 TMS320DM642的存储空间173.4.2 同步动态存储器：SDRAM183.4.3
3、 异步存储器：FLASH193.5视频输入/输出模块203.5.1 DM642的VP口203.5.2 视频输入部分213.5.3 视频输出部分233.6 CPLD逻辑控制模块243.6.1 CPLD技术概述243.6.2 CPLD的逻辑功能243.6.3 CPLD电路模块的实现253.7 网络通信模块263.7.1 以太网模块263.7.2 网络接口简介263.8其他功能模块273.8.1 调试模块273.8.2 UART模块294 图像传感器与CCD图像采集单元314.1 CMOS图像传感器的发展与特性314.1.1 CMOS图像传感器的工作原理314.1.2 CMOS图像传感器的特性参数3
4、14.2 CCD图像传感器的工作原理与特性324.2.1 CCD图像传感器的工作原理324.2.2 CCD图像传感器的特性参数324.3 CCD与CMOS的性能比较324.4 CCD数字相机的系统结构334.4.1 TVP5150芯片介绍334.4.2 CCD相机的电路设计345 智能相机的软件实现355.1 DSP 程序开发的流程355.2智能相机实现的数学模型355.2.1预处理算子355.2.2缺陷分割算子355.2.3缺陷特征提取算子365.2.4缺陷分类算子365.3智能相机的算法实现366 总结与展望37附录30参考文献42致谢441 绪论1.1 背景智能相机是指通过传感器（即图像
5、摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。智能相机的特点是能够提高生产制造的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人类视觉难以满足要求的场合，如钢厂对钢板或钢带的检验，造纸厂对纸张的均匀度，亮度等质量标准进行检验，就常用智能相机来替代人类视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人类视觉检查产品质量效率低且精度不高，用智能相机可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且智能相机易于实现信息集成，通过对
6、生产线上产品的检验结果的分析可以实时对生产线的运行情况进行监控，并将结果反馈给控制系统，以随时对生产线进行调整。因此，智能相机是实现计算机集成制造的基础技术3。正是由于智能相机系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将智能相机广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。在我国，这种应用也在逐渐被认知，带来最直接的反应就是国内对于智能相机的需求将越来越多。但由于国内对智能相机研究刚刚起步，与国外的应用情况相比有一定差距。从组成结构来分类，典型的机器视觉系统可分为两大类：PC式或板卡式机器视觉系统（PCBased Vis
7、ion System），以及嵌入式机器视觉系统，亦称“智能相机”（Smart Camera）或“视觉传感器”（Vision Sensor）。PC式视觉系统是一种基于个人计算机（PC）的视觉系统，一般由光源、光学镜头、CCD或CMOS相机、图像采集卡、图像处理软件以及一台PC机构成。基于PC的机器视觉应用系统尺寸较大、结构复杂，开发周期较长，但可达到理想的精度及速度，能实现较为复杂的系统功能。另一类是嵌入式视觉系统，嵌入式视觉系统具有易学、易用、易维护、易安装等特点，可在短期内构建出可靠而有效的机器视觉系统，从而极大的提高了应用系统的开发速度5。从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠PC技术，并
8、且与数据采集等其他控制和测量的集成会更紧密。且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品，这是一个不断增长的趋势。主要原因是随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛，尤其是其具备低功耗技术的特点得到人们的重视1。随着专用的数字处理芯片（DSP）和CPLD/FPGA的性能的不断提高，体积的不断减小，能耗的不断降低，使得智能相机的性能在不断增加的同时体积在不断的减小，使其应用的范围越来越广。另外，嵌入式操作系统绝大部分是以C语言为基础的，因此使用C高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性的工作，使用高级语言的优点是可以提高工作效率，缩短开发周期，更主要的是开发出的产品可靠性高
9、、可维护性好、便于不断完善和升级换代等。智能相机不但能够获取图像，同时还能够描述和分析它们所“看”到的图像，因此被广泛应用于检测，监视和运动分析等领域。随着对实时图像处理需求的不断增长，智能相机被集成到各种应用中以提供低费用，低能耗的系统，这些系统不但能够完成图像的处理和压缩，还能够运行大量的算法以便从视频流中提取有用的信息。随着技术的发展，智能相机不但拥有自己的实时的操作系统，也开始向多内核，分布式的方向发展。总的来说，智能相机是由图像传感器，高速的图像处理器件和通讯器件所组成的一个嵌入式的设备。图像传感器一般采用CCD或COMS器件，图像处理器件一般选用专用的数字信号处理器（DSP），通讯
10、器件随工作环境的不同可采用不同的通讯手段，近距离的可以采用串行口或并行口，远距离的可以通过以太网来交换数据。1.2智能相机与一般数字相机的比较智能相机与一般的数字相机有着很大的不同：虽然智能相机和数字相机的输入都是CCD或CMOS所产生的数字图像信号，但是智能相机输出的是对数字图像理解和分析的结果，并不是一幅数字图像；而数字相机输出的是一幅数字图像11。智能相机中图像处理算法例如预处理、边缘检测的目的是为了后续处理的方便，为特征提取等算法作准备；而数字相机的图像处理算法是为了提高输出图像的清晰度。在算法实现上智能相机主要准则是提高“机器”对图像“理解”的能力，而数字相机准则是满足人类视觉系统（
11、HVS）对图像的质量评价。智能相机的目的是满足工业生产控制、质量控制等需要，是为工业生产服务的；而数字相机为了满足人们对图像获取、保存等需求，是为了满足人们日常生活的需要7。1.3智能相机系统构成及工作原理智能相机是利用光电成像技术形成的一种能从图像信号中实时地自动识别目标、提取目标的特征进而根据处理判别结果来控制现场设备动作的嵌入式机器视觉系统。显示模块图像摄取装置图像处理模块实时记录模块通信控制模块光学系统一般智能相机系统由六部分组成，光学系统、图像摄取装置、图像处理模块、通信控制模块、显示模块和实时记录模块构成，组成框图如图1-1所示13。图1-1智能相机组成框图智能相机的工作过程如下：
12、光学系统为图像摄取装置（即图像传感器，分CMOS和CCD两种）提供清晰的图像，图像传感器把光学图像转变为全数字信号（即数字图像）；图像处理模块对数字图像进行处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息来抽取目标的特征并根据特征对处理的目标进行分类；通信控制模块根据处理结果给出相应的控制信号来控制现场设备的动作，也可以接受外部控制信息；显示模块用来在调试时对处理结果进行评价，一般调试完毕就很少使用；记录设备可以记录工作信息，以提供一段时间内的统计信息2。1.4智能相机实现的技术基础所谓数字图像处理是指通过处理数字图像来识别图像中指定的目标，因此它必须完成下述工作:搜索图像中目标存在的区域；检测、识别并分
13、割图像中的目标；提取目标特征；对目标进行分类。将上述各点综合起来可表述为:数字化的智能相机就是要实时地搜索、识别目标图像，确定其特征，并根据不同特征将不同的目标识别开来15。智能相机的实现涉及多种技术知识的融合，包括图像处理、模式识别、信号分析、神经网络等多领域的知识，特别是复杂背景下对目标的检测、识别技术是一个对实时性和识别精度都有很高要求的技术。在过去的几十年里，智能相机一直是机器视觉中一个非常活跃的研究领域，采用数字信号进行处理的先进性得到一致认同。1.5智能相机的数学模型预处理算子缺陷分割算子缺陷特征提取算子缺陷分类算子f(x,y,t,)图1.2智能相机的数学模型智能相机获得的图像信息
14、通常为空域二维的图像f(x,y,t,)，其中x,y分别为空域二维的坐标，t为获取图像对应的时刻，是系统工作的光谱的波长。如果采用一些特殊的方法智能相机也可以在紫外或红外波段工作，本文在后续的讨论中把省略，其基本任务是在可见光条件下对目标进行识别处理6。1.6本文研究的主要内容嵌入式数字化的智能相机系统是本文研究的主要内容。本文针对数字化的智能相机系统的硬件结构和软件框架，进行了深入的分析。在此基础上，设计并实现了嵌入式智能相机系统的硬件平台，并利用此平台进行产品缺陷检测的算法实现。2 智能相机系统概述2.1智能相机系统构成框图DM642SDRAM1TVP5150SDRAM2EMACEMIFRJ
15、45PHYUARTMAX3243MAX3243RS232RS232CPLDSAA7105CPLDFLASHVP0智能相机的硬件组成框图如图2.1所示：图 2.1：系统硬件构成CMOS图像传感器或CCD+解码器TVP5150与数字信号处理器DM642的视频端口VPort构成系统的图像采集部分，图像采集模块与系统主板采用柔性电缆连接，在主板稳定后可通过单独设计图像采集模块来开发不同性能的产品。利用DM642强大的数据处理能力来完成各种算法处理、网络协议栈等功能，其中以太网媒体访问控制器EMAC和网络收发器LXT971A、变压器XFMR以及以太网接口RJ-45构成系统的网络传输部分3。FLASH存储器用于存储系统的BootLoader代码、主程序代码、相机的配置信息、IP地址、MAC地址以及工程信
