CN102692251A - 基于fpga+dsp的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化、快速、准确的基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统及方法。它包括CCD摄像机，它与ADC转换芯片连接，ADC转换芯片与FPGA模块中的SDRAM模块连接，SDRAM模块与纤维图像预处理模块连接，同时在FPGA模块中还设有DSP读取数据控制模块和ADC时序控制模块，ADC时序控制模块与ADC转换芯片连接，DSP读取数据控制模块与DSP模块通信，同时DSP模块还与SDRAM模块和LCD显示器以及纤维图像、形态参数存储FLASH模块通信。本发明可以实现纸浆纤维多个形态参数实时、准确的测量，具有自动化程度高、低成本、小型化等特点。

Description

基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统及方法，实现纸浆纤维形态参数（长度、宽度、卷曲指数、扭结指数、细小纤维成分等）实时、准确地测量，可广泛用于造纸纤维原料质量分析与评价。

背景技术

纸浆纤维形态特征是评价造纸植物纤维原料和纸浆质量的重要指标，它们不仅影响到纸浆质量，还关系到成品纸的质量。纸浆纤维形态参数的准确快速测量，可对制浆造纸过程中各个工序上对质量加以检测控制，提高成纸的档次，达到科学利用原料，优化产品的目的。纸浆纤维形态参数的传统测量方法主要是人工通过显微镜或光学投影仪进行，或者通过筛分器粗略地测量纸浆纤维长度。由于纤维形态参数是一些统计参数，只有对相当多数量的纸浆纤维进行测量后，才能取得较准确的结果，因此传统的方法测量速度慢，周期长等缺点。

一般的图像采集处理系统采用PC机作为核心处理单元，由于图像处理需要大量的时间和内存，也有使用高性能的工作站和小型机来完成这一工作，前者构造系统的实时性不好，后者构造的系统造价高、系统复杂、体积庞大，不适应与工业现场测试用。

为了实现快速准确测量纸浆纤维的形态参数（长度、宽度、卷曲指数、扭结指数、细小颗粒度等参数），需要快速可靠的系统对纸浆纤维图像进行采集和处理和分析。实现高精度的图像处理需要大量的计算，而大量的计算必然耗费时间，导致系统实时性变差，这是制约基于PC机的机器视觉系统的主要因素。随着对纤维形态参数测量的速度和精度要求的提高，这一缺陷越来越明显。

发明内容

本发明目的是克服现有的纸浆纤维形态参数测量中存在的测量范围小、测量参数少、速度慢、精度低，设备成本高、体积大等不足，提出了一种小型化、快速、准确的基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统，它包括CCD摄像机，它与ADC转换芯片连接，ADC转换芯片与FPGA模块中的SDRAM模块连接，SDRAM模块与纤维图像预处理模块连接，同时在FPGA模块中还设有DSP读取数据控制模块和ADC时序控制模块，ADC时序控制模块与ADC转换芯片连接，DSP读取数据控制模块与DSP模块通信，同时DSP模块还与SDRAM模块和LCD显示器以及纤维图像、形态参数存储FLASH模块通信。

一种采用基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统的测量方法，具体步骤为：

（1）纸浆纤维样本制备，光照采用圆偏振光；

（2）利用CCD图像采集模块实现纤维图像的感知；

（3）利用ADC转换芯片，与CCD图像采集模块和FPGA模块相连，用于将CCD输出的模拟图像信号进行快速数字化，转换为数字图像；

（4）FPGA模块，与ADC转换芯片和DSP模块相连，用于控制ADC转换芯片的时序逻辑，同时控制帧存SDRAM模块，完成纤维图像的快速数字化、帧存、预处理，预处理完毕发送中断信号通知DSP模块读取数据；纤维图像预处理包括图像的去噪、增强、分割、去除非纤维区域；

（5）DSP模块，与FPGA模块和LCD显示器相连，用于启动控制图像的及采集到的纤维图像数据的读取与处理，对FPGA模块中纤维图像预处理模块预处理后的纤维图像进行多尺度处理，在粗分辨率下测量纤维的实际长度L、投影长度l、卷曲指数C_l，在高分辨率下计算纤维的宽度d、粗度Co、扭结指数K_l、细小纤维成分参数，分级计算纤维的形态参数，同时对测量的多根纤维参数进行统计分析，然后将结果通过LCD显示；

（6）对生成的纤维图像数据进行存储。

所述步骤（1）中的圆偏振光，由于纤维素组成的植物纤维具有旋光性，在CCD摄像机光路上配置2个圆形检偏器。设待测植物纤维的旋光角为φ，光路上配置的2个圆形偏振器偏振轴的夹角为φ±5°范围内。

所述步骤（5）中DSP模块用于对FPGA预处理后的纤维图像进行多尺度几何分析，分级计算纤维的形态参数；在低分辨率下即粗尺度下，对图像进行细化，计算纤维的长度和卷曲指数；在高分辨率下即细尺度下，对图像进行边缘检测、利用边缘点上曲率变化快慢来进行扭结点检测，曲率快速变化的点就是扭结点；然后根据扭结点处邻域斜率的变化差来计算扭结点处的扭结角；最后利用公式（2）计算扭结指数C_I；其中，卷曲指数指纤维逐渐连续的弯曲即曲率变化慢，见公式：

$C_I=\frac{L}{l}-1---\left(1\right)$

纤维卷曲指数增加,成纸的抗张强度、耐破度、环压强度下降,而纸的透气度、松厚度、过滤速度和光散射系数增加；

扭结是指由于纤维细胞壁受损而产生的生硬的转折即纤维曲率的快变，扭结程度高的纤维在纸张的抗张强度、撕裂强度性能方面会受到较大的削弱，扭结指数定义各扭结角范围内扭结数的加权和，见公式：

其中N_x为扭结角“x”范围内的扭结数，L_Total为总的纤维长度。

本发明的原理：由FPGA发出CCD相机控制信号，对相机的曝光时间、图像尺寸以及视窗等各种参数进行设置，CCD摄像机拍摄的纤维图像与ADC转换芯片相连，用于将图像信号转化为数字信号，完成纤维图像的采集。采集结束后将采集到的图像数据送入FPGA+DSP的硬件系统，具体工作流程为：在帧同步信号的控制下，图像数据经过位于FPGA中的图像预处理模块，对图像进行滤波、增强处理和阈值分割。FPGA预处理后的图像像素数据依次存入到帧存SDRAM中并对有效像素时钟进行计数，当计数值接近于一幅图像大小时，发送一个中断脉冲给DSP，DSP收到这一中断脉冲后对双口RAM进行读操作，读取整幅图像。DSP是采用中断的方式，将预处理后的图像通过EMIFA口以EDMA的方式读取，LCD显示并存入FLASH内便于日后查看。FPGA和DSP之间有握手信号，由FPGA发出信号，通知DSP从FPGA的帧存SDRAM中读取数据，然后做相应的算法处理，在不同尺度下计算纤维的各种形态参数，既加快了速度，也保证了精确度。

本发明与现有的纸浆纤维形态参数测量技术相比具有高度并行、数据吞吐量大及实时性高、精度高、测量参数多等优点，具体如下：

（1）本发明采用FPGA芯片实现ADC采样控制和纤维图像的预处理，可以节省DSP的运行时间，较大程度的提高采样频率，达到采样精度高、运算实时性好的的特点，进而可以提高纤维特征参数测量的精度和速度。

（2）本发明采用DSP实现纤维图像的分析与参数计算，DSP的控制主要针对接口管理、数据上传、系统状态设定、中断处理等，这些控制对时间的要求没有FPGA实现的采样数据存储控制那么高，但是DSP强大的数字信号处理和控制功能可以方便地实现一些FPGA难以实现的功能，比如纤维图像的复杂算法的实现、测量参数的统计等需要复杂的计算。

（3）纤维图像的分析与处理采用多尺度技术，在粗分辨率下测量纤维的实际长度L、投影长度l、卷曲指数C_l，在高分辨率下计算纤维的宽度d、粗度Co、扭结指数K_l、细小纤维成分等参数，分级计算纤维的形态参数，同时对测量的多根纤维参数进行统计分析。既实现了粗度、宽度等小参数的高精度测量计算，也实现长度、卷曲指数、扭结指数等参数的快速测量与计算。

（4）测量系统的光照采用圆偏振光，成像效果好，可以不受气泡、污渍和方向等因素的影响，最大限度地保持原始纤维形态的图像，提高了测量范围和测量精度。如附图5a-c所示。

附图说明

图1为嵌入式纤维形态参数快速测量系统框图；

图2为纤维图像处理及参数测量统计流程图；

图3纤维图像预处理算法流程图；

图4纤维图像多尺度几何分析流程图；

图5a偏振光与非偏振光得到纤维图像的区别图；

图5b圆偏振光得到的纤维图像保持了原始纤维的形态；

图5c线偏振光得到的纤维图像有部分失真；

图6a纤维图像预处理结果例中纤维图像；

图6b纤维图像预处理结果例中去噪、增强结果；

图6c纤维图像预处理结果例中二值化结果；

图6d纤维图像预处理结果例中纤维边缘平滑结果；

图7a纤维图像多尺度分析例中的尺度分解；

图7b纤维图像多尺度分析例中的细化结果；

图7c纤维图像多尺度分析例中的纤维边缘；

图8a纤维扭结点检测结果示例中的原始图像；

图8b纤维扭结点检测结果示例中的扭结点检测结果；

图9实际长度L与投影长度l、卷曲与扭结示意图。

其中，1.CCD摄像机，2.ADC转换芯片，3.SDRAM模块，4.DSP读取数据控制模块，5.纤维图像预处理模块，6.DSP模块，7.LCD显示器，8.FLASH模块，9.ADC时序控制模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明所涉及的系统的硬件主要由纤维样本制备设备、CCD摄像机1、ADC转换芯片2、FPGA、DSP模块6、FLASH模块8和LCD显示器7组成。CCD摄像机1拍摄的纤维图像与ADC转换芯片2相连，用于将模拟图像转化为数字图像，由FPGA的ADC时序控制模块9控制ADC转换芯片2的时序，完成纤维图像的采集。采集结束后将采集到的图像数据送入FPGA，由纤维图像预处理模块5对图像进行预处理，底层的信号预处理算法要处理的数据量大，对处理速度要求高，但算法结构简单，适用于FPGA进行硬件编程实现，经过底层预处理之后的图像数据存入SDRAM模块3。采取同步帧采样的方式，将一帧连续数据存入SDRAM模块3后，由DSP模块6从SDRAM模块3中读取数据，DSP模块6采用多级流水操作实现数据实时、准确的显示。读数据点同步信号(采样点中断信号)由FPGA产生，可以依据需要而定，其周期是FPGA全局周期的整数倍，即ADC转换芯片2输出点同步信号的整数倍。DSP模块6采用中断的方式，将FPGA预处理后的图像数据通过EMIFA口以EDMA的方式读取，存入DSP模块6外设的FLASH模块8内并在LCD显示器7上显示。FPGA和DSP模块6之间有握手信号，由FPGA发出信号，通知DSP模块6从SDRAM模块3中读取数据，然后做相应的算法处理，分级计算纤维的形态参数。

附图2给出了纤维图像处理及参数测量统计流程。具体步骤如下：

（1）纸浆纤维样本制备；

（2）CCD摄像机1实现纤维图像的感知；

（3）ADC转换芯片2与CCD摄像机和FPGA芯片相连，用于将CCD摄像机1输出的模拟图像信号进行快速数字化，转换为数字图像。

（4）FPGA，与ADC转换芯片2和DSP模块6相连，用于控制ADC转换芯片2的时序逻辑，完成纤维图像的快速数字化、预处理，并发送中断信号通知DSP模块6读取数据。纤维图像预处理包括图像的去噪、增强、分割、去除非纤维区域，预处理流程如图3所示，纤维图像预处理结果如图6a-d所示。

（5）DSP模块6，与FPGA芯片和LCD显示器7相连，用于启动控制图像的采集及采集到的纤维图像数据的读取与处理。同时，对FPGA芯片预处理后的纤维图像进行多尺度处理，流程图如图4所示，处理结果如图7a-c、图8a、b所示，在粗分辨率下测量纤维的实际长度L、投影长度l、卷曲指数C_l，在高分辨率下计算纤维的宽度d、粗度Co、扭结指数K_l、细小纤维成分等参数，分级计算纤维的形态参数，同时对测量的多根纤维参数进行统计分析，然后将结果通过LCD显示。

（6）FLASH闪存进行图像以及测量数据的存储。

步骤（5）中，DSP模块6用于对FPGA预处理后的纤维图像进行多尺度几何分析，分级计算纤维的形态参数，如图9所示；在低分辨率下即粗尺度下，对图像进行细化，计算纤维的长度和卷曲指数；在高分辨率下即细尺度下，对图像进行边缘检测、利用边缘点上曲率变化快慢来进行扭结点检测，曲率快速变化的点就是扭结点；然后根据扭结点处邻域斜率的变化差来计算扭结点处的扭结角；最后利用公式（2）计算扭结指数C_I；其中，卷曲指数指纤维逐渐连续的弯曲即曲率变化慢，见公式：

$C_I=\frac{L}{l}-1---\left(1\right)$

纤维卷曲指数增加,成纸的抗张强度、耐破度、环压强度下降,而纸的透气度、松厚度、过滤速度和光散射系数增加；

扭结是指由于纤维细胞壁受损而产生的生硬的转折即纤维曲率的快变，扭结程度高的纤维在纸张的抗张强度、撕裂强度性能方面会受到较大的削弱，扭结指数定义各扭结角范围内扭结数的加权和，见公式：

其中N_x为扭结角“x”范围内的扭结数，L_Total为总的纤维长度。

Claims (5)

1.一种基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统，其特征是，它包括CCD摄像机，它与ADC转换芯片连接，ADC转换芯片与FPGA模块中的SDRAM模块连接，SDRAM模块与纤维图像预处理模块连接，同时在FPGA模块中还设有DSP读取数据控制模块和ADC时序控制模块，ADC时序控制模块与ADC转换芯片连接，DSP读取数据控制模块与DSP模块通信，同时DSP模块还与SDRAM模块和LCD显示器以及纤维图像、形态参数存储FLASH模块通信。

2.如权利要求1所述的基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统，其特征是，所述CCD摄像机光路上配置2个圆形检偏器。

3.一种采用权利要求1所述的基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统的测量方法，其特征是，具体步骤为：

（1）纸浆纤维样本制备，光照采用圆偏振光；

（2）利用CCD图像采集模块实现纤维图像的感知；

（3）利用ADC转换芯片，与CCD图像采集模块和FPGA模块相连，用于将CCD输出的模拟图像信号进行快速数字化，转换为数字图像；

（4）FPGA模块，与ADC转换芯片和DSP模块相连，用于控制ADC转换芯片的时序逻辑，同时控制帧存SDRAM模块，完成纤维图像的快速数字化、帧存、预处理，预处理完毕发送中断信号通知DSP模块读取数据；纤维图像预处理包括图像的去噪、增强、分割、去除非纤维区域；

（5）DSP模块，与FPGA模块和LCD显示器相连，用于启动控制图像的及采集到的纤维图像数据的读取与处理，对FPGA模块中纤维图像预处理模块预处理后的纤维图像进行多尺度处理，在粗分辨率下测量纤维的实际长度L、投影长度l、卷曲指数C_l，在高分辨率下计算纤维的宽度d、粗度Co、扭结指数K_l、细小纤维成分参数，分级计算纤维的形态参数，同时对测量的多根纤维参数进行统计分析，然后将结果通过LCD显示；

（6）对生成的纤维图像数据进行存储。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征是，所述步骤（1）中的圆偏振光，由于纤维素组成的植物纤维具有旋光性，在CCD摄像机光路上配置2个圆形检偏器。设待测植物纤维的旋光角为φ，光路上配置的2个圆形偏振器偏振轴的夹角为φ±5°范围内。

5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征是，所述步骤（5）中DSP模块用于对FPGA预处理后的纤维图像进行多尺度几何分析，分级计算纤维的形态参数；在低分辨率下即粗尺度下，对图像进行细化，计算纤维的长度和卷曲指数；在高分辨率下即细尺度下，对图像进行边缘检测、利用边缘点上曲率变化快慢来进行扭结点检测，曲率快速变化的点就是扭结点；然后根据扭结点处邻域斜率的变化差来计算扭结点处的扭结角；最后利用公式（2）计算扭结指数C_I；其中，卷曲指数指纤维逐渐连续的弯曲即曲率变化慢，见公式：

$c_I=\frac{L}{l}-1---\left(1\right)$

纤维卷曲指数增加,成纸的抗张强度、耐破度、环压强度下降,而纸的透气度、松厚度、过滤速度和光散射系数增加；

扭结是指由于纤维细胞壁受损而产生的生硬的转折即纤维曲率的快变，扭结程度高的纤维在纸张的抗张强度、撕裂强度性能方面会受到较大的削弱，扭结指数定义各扭结角范围内扭结数的加权和，见公式：

其中N_x为扭结角“x”范围内的扭结数，L_Total为总的纤维长度。

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