湯 偉 成爽爽，* 馮 波，2 曲蘊慧 王孟效

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

特種紙張在生產(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]。

基于機器視覺的紙病檢測系統(tǒng)是一種新興的紙病檢測技術，與人工檢測相比，具有非接觸、高精度、高效率的特點[1]。但是隨著紙機車速的提高和幅寬的加大[2]，紙病檢測的快速性和準確性大大降低。為了解決現(xiàn)有紙病檢測系統(tǒng)中存在的問題，本文設計了一種適用于中高速紙機的在線紙病檢測系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)要求的檢測精度、紙張幅寬和紙機運行速度，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。工業(yè)線陣相機可以很好地完成動態(tài)圖像的采集，但是必然會產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)。圖像分析模塊主要完成對紙病的檢測和識別，判斷紙張圖像中是否存在紙病，通過動態(tài)閾值算法[3]由FPGA完成對紙病的檢測[4]。若存在紙病傳輸?shù)絇C機，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡完成對紙病類型的識別；若不存在，則進行紙病圖像的保存。由于FPGA具有并行性和高速運算能力的特點，由FPGA完成對紙張圖像的保存。數(shù)據(jù)存儲模塊主要分為2部分，第一部分由PC機進行控制，主要用于存儲存在紙張缺陷的圖像；第二部分與FPGA相連，完成對紙張圖像的保存，以便于后期分析，對數(shù)據(jù)存儲實時性要求高，因此采用高端固態(tài)硬盤完成對數(shù)據(jù)的存儲。木桶理論以滿足系統(tǒng)最高檢測速度和精度為要求，通過對各模塊的理論分析，以最低硬件標準設計系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

通過理論分析，本文設計了一種適用于中高速紙機的紙病檢測系統(tǒng)實驗平臺，以滿足系統(tǒng)最高要求的以最低硬件為標準進行系統(tǒng)架構(gòu)的設計。在保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提下，不僅可以很大程度避免對資源的浪費，還能夠快速和準確地完成對紙病的檢測和識別。

1 理論基礎

紙病檢測系統(tǒng)硬件模塊的設計和選取以木桶理論為基礎。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資源的浪費[5]。引申到基于機器視覺的紙病檢測系統(tǒng)中，就是如果要實現(xiàn)完整的紙病檢測過程，需要系統(tǒng)所有模塊均能滿足實時處理數(shù)據(jù)的要求，只要1個模塊不符合要求，就不能完成紙病的實時在線檢測功能，而高于最低標準的模塊是對資源的浪費。為了節(jié)約成本，以滿足系統(tǒng)最高要求的最低硬件標準為前提，進行紙病檢測系統(tǒng)架構(gòu)的設計。結(jié)合紙病算法，完成對中高速紙機紙病的檢測和識別。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

基于機器視覺的紙病檢測系統(tǒng)主要包括5個模塊：光源模塊、圖像采集模塊、紙病檢測模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和機械控制模塊[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)紙機速度和幅寬得到相機的采集頻率和分辨率，相機將采集到的紙張圖像傳輸給紙病檢測模塊[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行紙病檢測，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，同時給機械控制模塊發(fā)送指令，對紙病區(qū)域進行標記[9]；數(shù)據(jù)分析模塊對紙張圖像進行分割，提取紙病區(qū)域的圖像，對紙病類型識別并保存，為生產(chǎn)工藝的改進提供方案。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 基于機器視覺的紙病檢測系統(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 相機的選擇

基于機器視覺的紙病檢測系統(tǒng)中，相機的選取決定了圖像質(zhì)量，間接決定了檢測的準確性，所以選取合適的相機對檢測的準確性起著決定性作用[10]。相機數(shù)據(jù)處理能力實時性的計算主要以相機在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為基準。

（1）相機分辨率的計算

相機分辨率指相機單次采集圖像時可采集到的圖像的像素總個數(shù)，一般由相機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。紙病檢測系統(tǒng)中，相機分辨率一般需要根據(jù)被檢測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數(shù)；w為檢測區(qū)域的橫向?qū)挾?，mm；ε為用戶要求的單位精度，mm2；n為單位精度的像素個數(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)可檢測的速度就越小，n的取值一般集中在{1,4,9,16,25}。當紙機幅寬比較大時，Pn的值會遠遠超過單個相機的分辨率，單個相機的分辨率無法滿足全幅檢測的需求，需要將多個相機橫向并行排列才能滿足檢測需求。相機個數(shù)由橫向檢測寬度所需像素總數(shù)除以單個相機橫向分辨率計算得出。

（2）相機采集頻率的計算

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

式中，fc為相機的采集頻率，Hz；s為紙機的運行速度，m/min；ε為用戶要求的單位精度，mm2；n為單位精度的像素個數(shù)。當檢測的精度和速度均比較高時，相機頻率也隨之變高，硬件成本也會增加。

2.1.2 相機鏡頭的選擇

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

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

（2）鏡頭焦距

由相機的成像原理可知，焦距的長短與相機到被采集對象的距離成正比，當相機與被采集對象的距離確定時，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）的計算來選用合適焦距的鏡頭。

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

（3）鏡頭光圈

鏡頭的光圈決定單位時間內(nèi)進入相機光量的多少，光圈越大單位時間內(nèi)進入相機的光量越多，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數(shù)，單位是“線對/毫米”，是將圖像的對比清晰度量化的一種方式。相機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 圖像分析模塊的設計

相機完成圖像采集后會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)分析模塊再細化為2個模塊：檢測模塊主要完成紙病檢測系統(tǒng)中檢測的功能，此模塊對實時性的要求比較高，必須以最快的速度檢測圖像上是否存在缺陷，否則會造成圖像數(shù)據(jù)的丟失。識別模塊對接收到的圖像進行紙病區(qū)域分割和識別出紙病的類型。然后根據(jù)紙病類型和出現(xiàn)頻率對產(chǎn)生紙病的原因進行分析。

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

能否實時完成檢測的工作，首先需要知道檢測的數(shù)據(jù)量，相機單位時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量計算如式（5）所示。

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

當紙機的速度和幅寬提高時，串行的CPU無法實時完成數(shù)據(jù)的處理。FPGA可以實現(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，再加上其可快速定制化的優(yōu)點，適用于紙病檢測系統(tǒng)中實時性要求高的檢測模塊。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊的設計

數(shù)據(jù)存儲模塊可以分為2個部分：第一部分由PC機來進行控制，主要用于存儲有紙病的圖像，對存儲的實時性要求不高；第二部分與FPGA連接，由FPGA負責將采集到的所有圖像利用數(shù)據(jù)總線存儲在設備上，此模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，要求存儲模塊的存儲速度要大于相機產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化配置需要對不同存儲設備的存儲速度進行對比，如表1所示。從表1中可以看出，固態(tài)硬盤的存儲速度比機械硬盤和閃存盤的存儲速度要高很多，普通的固態(tài)硬盤也可以實現(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倍的存儲速度，這主要是由2種不同接口的存儲方式不同造成的。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)部進行計算，計算后也需要通過CPU寫入計算機的內(nèi)存，然后再由內(nèi)存存儲到固態(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 不同存儲設備存儲速度對比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進行開發(fā)設計，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：基礎應用類（basic classes）和界面設計類（GUI classes）。在界面開發(fā)方面使用了微軟基礎類庫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)分成以下幾個模塊：紙病圖像采集模塊、紙病檢測模塊、紙病位置標記模塊[12]（可選）、數(shù)據(jù)存儲管理模塊（可選）、紙病區(qū)域分割模塊、紙病類型識別模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、人機交互模塊、同步觸發(fā)模塊、網(wǎng)絡通信模塊。

軟件模塊中，紙病圖像采集模塊由相機完成；紙病檢測模塊主要由FPGA負責完成；紙病位置標記模塊由FPGA和打標機合作完成；數(shù)據(jù)存儲管理模塊由FPGA和數(shù)據(jù)存儲器完成[13]；紙病區(qū)域分割模塊、紙病類型識別模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊主要由上位機完成；網(wǎng)絡通信模塊由上位機、FPGA模塊和工業(yè)線性相機一起完成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

3 實驗平臺設計

基于機器視覺的紙病檢測系統(tǒng)實驗平臺主要模仿實際生產(chǎn)中紙張的運行狀態(tài)，以實際生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)為基礎展開設計。以各個模塊的功能為基礎，將實驗平臺分成支架固定模塊、機械轉(zhuǎn)動模塊、光源模塊、圖像采集模塊、紙病檢測模塊和紙病識別模塊。

圖3 紙病檢測系統(tǒng)實驗平臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental platform of the paper disease detection system

為了對比不同系統(tǒng)架構(gòu)可達到的效果，設計了2套實驗平臺：一套低速紙機紙病檢測系統(tǒng)實驗平臺，采用“線陣相機+采集卡+PC機[14]”的系統(tǒng)架構(gòu)，此實驗平臺如圖4所示，已經(jīng)可以實現(xiàn)低速紙機紙病的檢測，本文不再做過多敘述；另一套中高速紙機系統(tǒng)實驗平臺采用“工業(yè)線陣相機+FPGA+PC機”的系統(tǒng)架構(gòu)，主要對中高速紙機系統(tǒng)的硬件匹配策略進行說明，并對運行效果進行驗證。

圖4 低速紙機紙病檢測實驗平臺Fig.4 Low-speed paper machine paper disease detection experiment platform

3.1 實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)介紹

在保證實驗安全的情況下，為了提高紙機的速度，設計了大直徑輥筒，小轉(zhuǎn)速電機的方案。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 中高速紙機紙病檢測系統(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、寬、高分別為1.2、0.8、0.6 m，為了更好地采集高速運動紙張的圖像，在輥筒的外圈采用了長度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軸上，動軸與中間的空心硬軸使用軸承連接，動軸與固定底座之間也采用軸承連接，最終實現(xiàn)中間的空心硬軸不動，通過外圈的動軸帶動滾筒轉(zhuǎn)動的目的；底光源模塊則需要固定在中間的空心硬軸上，而上光源和相機低速紙機實驗平臺采用相同的方式，為了避免轉(zhuǎn)動裝置在高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生震動影響相機的采集效果，特意安排與轉(zhuǎn)動裝置物理分開。

亞克力材料的硬度和柔韌度相對較低，為了保證滾筒高速旋轉(zhuǎn)時兩端的平衡性，在機械驅(qū)動方面設計了單軸雙端驅(qū)動的連接方式，即在滾筒兩端的動軸上各加一個同步帶輪，用同步帶與驅(qū)動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。驅(qū)動軸采用軟連接的方式與驅(qū)動電機相連。驅(qū)動電機選用了信達電機定制的6D300GU-C直流調(diào)速電機，最小轉(zhuǎn)速為10 r/min，最大轉(zhuǎn)速600 r/min，最快可以實現(xiàn)1130.1 m/min轉(zhuǎn)速。

3.2 紙病檢測系統(tǒng)硬件模塊設計

中高速紙機紙病檢測系統(tǒng)實驗平臺的轉(zhuǎn)動裝置寬度為0.8 m，檢測精度要求為0.1 mm×0.1 mm，假設需要單位精度內(nèi)使用1個像素，則根據(jù)式(1)可以得出在橫向上需要的像素數(shù)量為8000個，4臺2K相機、2臺4K相機、1臺8K相機3種方式均可滿足橫向像素的要求；最快可以實現(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)相機的頻率分機情況，需要相機的采集頻率在200 kHz以上，當前在工業(yè)線陣相機中能達到200 kHz以上的CCD相機可供選擇的種類不多[15]，而很多CMOS相機可以達到300 kHz以上[16]，因此只能選擇CMOS相機；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)的硬件設備也只有DSP和FPGA可以滿足；在數(shù)據(jù)存儲方面，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。

單從性能進行分析，可以滿足紙病檢測系統(tǒng)硬件配置有很多種，例如相機的選擇上，選用一臺具有200 kHz采集頻率、分辨率為8192、采用Camera link HS的CMOS相機；在數(shù)據(jù)檢測上選用FPGA板[18]；在數(shù)據(jù)存儲上選擇采用M.2接口的高端固態(tài)硬盤；在紙病類型識別上可以選用高端上位機。滿足以上條件的硬件設備也有多種可供選擇。但對于造紙企業(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，其設計難度和實現(xiàn)難度均會變高，價格也會相應變高，比如當前4臺2K的相機的總價格小于一臺8K相機，而且分辨率低的相機穩(wěn)定性相對更高；單臺2K相機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相對也比較少，更容易找到適配的FPGA板。

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

基于木桶理論的紙病檢測系統(tǒng)架構(gòu)，除了按用戶需要設計可以平穩(wěn)運行外，還需要考慮硬件的成本問題。實現(xiàn)1+1>2的效果，否則會造成硬件資源的浪費。

4 結(jié)論

本文主要針對現(xiàn)有紙病檢測系統(tǒng)中存在的缺陷進行改進，通過分析系統(tǒng)中圖像采集模塊、數(shù)據(jù)檢測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系統(tǒng)架構(gòu)設計方案，避免了因硬件配置不均衡造成的檢測系統(tǒng)可檢測車速不高、幅寬小的問題，同時系統(tǒng)中各個模塊的利用率得到有效提高，整個紙病檢測系統(tǒng)的經(jīng)濟成本更加合理。