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        基于FPGA 的數(shù)字噴碼識別產(chǎn)品取樣系統(tǒng)研究*

        2021-07-08 14:19:16曾令超曹玉華張名業(yè)鐘小華
        南方農(nóng)機(jī) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:噴碼數(shù)碼管電磁閥

        曾令超,曹玉華,張名業(yè),鐘小華

        (1.廣東省凈菜保鮮包裝裝備工程研究中心,廣東 廣州 510450;2.廣東白云學(xué)院,廣東 廣州 510450)

        0 引言

        隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展和智能制造的廣泛應(yīng)用,通過識別噴涂數(shù)字標(biāo)簽對產(chǎn)品進(jìn)行特定分類,識別產(chǎn)品噴碼不良剔除次品,識別產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行抽樣,是非常重要生產(chǎn)的工序[1]。此工序需要執(zhí)行設(shè)備具有高速的圖像處理能力,且處理速度高于產(chǎn)品的生產(chǎn)速度[2],以達(dá)到最大化生產(chǎn)效率的目的。

        目前,傳統(tǒng)數(shù)字識別裝置的識別算法主要采用機(jī)器學(xué)習(xí)和局部特征匹配兩種。機(jī)器學(xué)習(xí)與特征匹配相比,精度較高,適應(yīng)性較強(qiáng),但識別速率較低,需要更高的硬件性能支持。西安理工大學(xué)研制的顯示屏數(shù)字識別系統(tǒng),通過數(shù)字邊緣灰度軌跡和穿線法,識別速度快且精度較高,但并不能推廣至其他樣式的數(shù)字識別[3];南昌航空大學(xué)研制的嵌入式智能視覺數(shù)字識別裝置,采用字符分割歸一化、模板匹配的方法,能適應(yīng)不同亮度的場景,但識別前需要提前采集模板圖片的數(shù)據(jù)[4];集美大學(xué)研制的儀表數(shù)字字符識別裝置,采用連通域、灰度關(guān)聯(lián)法,通過圖像的特征集與提取圖像進(jìn)行比對,實(shí)現(xiàn)數(shù)字識別,對于不完整和傾斜的數(shù)字識別準(zhǔn)確率高,但效率較低[5];河北工業(yè)大學(xué)研制的噴碼字符檢測系統(tǒng),采用脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行識別數(shù)字,具有魯棒性和識別精度較高的特點(diǎn),但僅通過仿真驗(yàn)證,尚未進(jìn)行實(shí)際測試[6]。

        針對目前應(yīng)用的數(shù)字識別系統(tǒng)在精度、效率方面存在的不足,基于FPGA 芯片圖像數(shù)字信號處理高效率的特點(diǎn),課題組設(shè)計(jì)了一套新型產(chǎn)品噴碼數(shù)字識別系統(tǒng),采用二值化投影分割與特征編碼的方法,最終實(shí)現(xiàn)對工廠生產(chǎn)線產(chǎn)品噴碼編號日期的快速取樣識別。

        1 系統(tǒng)組成與工作原理

        數(shù)字噴碼識別的產(chǎn)品取樣系統(tǒng)由FPGA 控制芯片、電源驅(qū)動(dòng)板LM7812、輸入/輸出設(shè)備組成,系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。輸入設(shè)備有OV5640 攝像頭模塊、按鍵、光電傳感器,輸出設(shè)備有LCD 屏幕、數(shù)碼管、執(zhí)行元件電磁閥,使用板載SDRAM 緩存圖像。當(dāng)需要取樣時(shí)按下按鍵,F(xiàn)PGA 將記錄當(dāng)前時(shí)間,OV5640攝像頭開始采集生產(chǎn)線上產(chǎn)品的圖像,通過輸入行場同步信號對數(shù)據(jù)線上的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,然后傳遞到SDRAM 控制模塊中存儲。FPGA 通過讀取SDRAM 數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理模塊,實(shí)現(xiàn)對圖像的實(shí)時(shí)處理和數(shù)字識別,并發(fā)送結(jié)果顯示在LCD 屏幕和數(shù)碼管上。當(dāng)識別出噴碼上的時(shí)間為取樣時(shí)間時(shí),最后通過電磁閥控制氣缸完成取樣。

        圖1 數(shù)字噴碼識別裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2 識別方法

        數(shù)字識別算法是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵與核心,本文設(shè)計(jì)的識別算法流程圖如圖2所示。

        圖2 數(shù)字識別算法流程圖

        2.1 平滑卷積

        為了降低OV5640采集圖像中的高頻噪音信號,提高圖像信噪比,本文采用高斯平滑卷積算法[6-7]進(jìn)行降噪,得到平滑圖片g(x,y),算法滿足:

        其中,f(i,j) 代表圖像數(shù) 據(jù) 在x=i,y=j 處的RGB三色組成的向量值,為二元高斯函數(shù),滿足:

        由于圖像數(shù)據(jù)需要緩存,且順序要保持不變,系統(tǒng)使用了FIFO來存儲圖像數(shù)據(jù)。從相鄰的三行中每行都抽出三個(gè)數(shù)據(jù),再通過使用三個(gè)FIFO 讀出SDRAM 中的三行相鄰圖像,分別為fifo_CA1、fifo_CA2、fifo_CA3,由此組成可滿足卷積算法的相鄰像素區(qū)域,如圖3所示。

        圖3 SDRAM 讀取數(shù)據(jù)示意圖

        進(jìn)行平滑算法前后得到的結(jié)果,如圖4所示,可以看出卷積后的圖像中噪音水平降低。

        圖4 平滑卷積結(jié)果

        2.2 二值化處理

        為了更好地提取圖像信息,凸顯圖像中的數(shù)字特征,需先提取圖像的明亮度信息。系統(tǒng)采用OV5640 中的RGB轉(zhuǎn)換YCbCr 模塊(rgb2ycbcr 模塊接口如圖5 所示)。YCbCr色彩空間是針對RGB 色彩空間所作的編碼[8-9],Y表示明亮度,其數(shù)值體現(xiàn)光非線性的濃度,可通過式(3)進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換,得到灰度值Y。

        圖5 rgb2ycbcr 模塊接口

        在OV5640 芯片上進(jìn)行由RGB 格式轉(zhuǎn)換為YCbCr 格式的過程中,需要先將RGB565 轉(zhuǎn)換為RGB888[10]。通過對RGB565格式進(jìn)行高位填充低位,得到有一定的線性補(bǔ)償?shù)腞GB888格式,其最終結(jié)果在精度上不會有太大的丟失。

        為了便于數(shù)字分割,采用閾值二值化的方法進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理。將灰度圖像輸入的像素的灰度值Y(程序中color)在模塊中與閾值t_color 比較后,采用式(4)的算法,將[0,255] 的數(shù)據(jù)映射到{0,1} 中,最終輸出二值化的圖像monoc(x,y),如圖6 所示。

        2.3 二值化處理

        2.4 特征編碼

        3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

        在生產(chǎn)中使用的直流電電壓為24 V,而在本系統(tǒng)中作為光電傳感器和電磁閥兩種元件的供電電壓,開發(fā)板EP4CE10F17C8的供電為直流12 V,而控制信號為5 V,因此直流電電壓通過LM7812穩(wěn)壓芯片把外部24 V直流電源降壓至12 V,最大輸出電流為1.5 A。識別的目標(biāo)為牛奶飲品包裝上的噴碼數(shù)字,通過FPGA 板上的按鍵調(diào)節(jié)閾值t_color,以獲取最適合當(dāng)前環(huán)境的分割結(jié)果。測試運(yùn)行時(shí)的實(shí)際資源占用情況,如表4所示。

        表4 FPGA 資源使用情況

        識別算法的時(shí)間復(fù)雜度直接影響識別效率和顯示結(jié)果的刷新率,通過QuartusⅡ13.1 對識別算法的仿真模擬,得到平滑卷積、二值化處理、投影分割和特征編碼函數(shù)模塊的運(yùn)行時(shí)間占總時(shí)間比例,如圖9所示。

        圖9 各識別模塊函數(shù)占用時(shí)間比例圖

        由于OV5640采集的原始數(shù)據(jù)量最大,卷積運(yùn)算涉及二重循環(huán)、乘除運(yùn)算,時(shí)間復(fù)雜度為O(n2),對算法效率起決定性影響。從圖9 中看出,平滑卷積占用的時(shí)間達(dá)到90%以上。通過Quartus Ⅱ中的實(shí)例加載器[12]得到卷積FIFO 緩存過程和卷積FIFO運(yùn)算過程數(shù)字波形圖像,如圖10、圖11所示。緩存過程包括向SDRAM 發(fā)送讀請求sdram_rd_req,三個(gè)卷積FIFO 讀取相鄰三行像素值,共耗時(shí)936 個(gè)時(shí)鐘周期;卷積FIFO 運(yùn)算過程包括輸出端向卷積FIFO 發(fā)出請求CA_ACK,F(xiàn)IFO卷積部分運(yùn)算,F(xiàn)IFO輸出到圖像輸出,共耗時(shí)2個(gè)時(shí)鐘周期。

        圖10 卷積FIFO 緩存過程數(shù)字波形圖

        圖11 卷積FIFO 運(yùn)算過程數(shù)字波形圖

        在圖像識別完成后,識別的數(shù)字通過數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管模塊中輸入的24 位以顯示識別結(jié)果(圖12 為生產(chǎn)時(shí)間噴碼數(shù)字識別結(jié)果),由于數(shù)碼管不能顯示“:”,最終顯示用E代替。

        圖12 系統(tǒng)測試結(jié)果

        4 結(jié)論

        本設(shè)計(jì)采用Altera公司的Cyclone IV系列的FPGA開發(fā)板EP4CE10F17C8,應(yīng)用OV5640攝像頭模塊、按鍵、光電傳感器、LCD 屏幕、數(shù)碼管、執(zhí)行元件電磁閥,通過對圖像的平滑卷積、二值化處理、投影分割和特征編碼,實(shí)現(xiàn)具備自動(dòng)化采集圖像、數(shù)字識別、識別結(jié)果顯示及聲音提醒等功能的數(shù)字識別流水線產(chǎn)品取樣系統(tǒng)。對飲品噴碼的識別測試結(jié)果顯示,該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化噴碼識別。

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