??? 摘? 要： 開發了一個基于DSP的瓶裝啤酒容量在線自動檢測嵌入式系統。針對啤酒廠實際環境設計了光學系統，重點分析并解決了設計中遇到的攝像機成像速度、圖像傳輸速度" title="傳輸速度">傳輸速度及生產線運動速度三者之間的匹配問題，很好地滿足了生產線速度" title="線速度">線速度的實時性" title="實時性">實時性要求。同時給出一套實用的液位" title="液位">液位檢測算法，能夠自動識別瓶裝啤酒容量。此系統的設計具有成本低、速度高及便攜實用的特點。?

??? 關鍵詞： DSP；SAA7113；圖像處理；動態采集；啤酒容量

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??? 灌裝啤酒靠壓力罐裝。缸內壓力過高則液位過低，液體容量不足以滿足灌裝要求；壓力過低則容易產生滿缸，導致無法灌裝。因此，在灌裝啤酒過程中，啤酒液位不足的現象時有發生。傳統檢測主要靠人眼，隨著生產線速度的不斷提高，視覺疲勞必然會增加漏檢率。為了實現真正的生產線全自動化，設計一套能夠自動檢測啤酒容量的裝置具有重大意義。它不但節省人力，而且機器化的檢測可以降低漏檢率和誤檢率，提高經濟效益。?

??? 國外的檢測手段多采用高精度、高質量攝像機拍攝物體，光學系統也采用高精度光源，以保證成像的清晰，通過PC機或PLC工控機觀測被檢測物體的狀態。尼若·施瓦茨等三人曾于1994年在美國加利福尼亞申請了“用于質量和流程控制的動態液體液位及氣泡的檢測”專利^[1]；美國PPT VISION推出IMPACT機器視覺微型系統，使用Inspection Builder開發環境，檢測效果不錯。但這些檢測手段成本較高，不適合我國中小啤酒生產企業的推廣。?

??? 湖南大學在2003年首次使用機器視覺的檢測方法對“自動生產線上" title="生產線上">生產線上透明灌裝瓶液體體積的機器視覺檢測系統^[2]”進行研究并申請了專利^[3]。2004年浙江大學繼續提出基于DSP的“啤酒液位與雜質自動檢測系統的結構設計和開發^[4]”。這些無論從硬件框架的搭建還是軟件算法的編寫都模仿國外的先進設備進行研究。用帶有異步復位、外觸發功能的高價格攝像機拍攝啤酒瓶，用光電傳感器捕捉動態物體，另外用采集卡和工控機進行瓶內液面的檢測。檢測設備成本較高且體積龐大，不便于攜帶。?

??? 本文設計一個基于低成本的DSP控制器，它是可脫離計算機獨立運行程序，完成圖像采集、處理、識別的全過程的小型設備。這樣一個小型檢測設備可方便地帶到生產線上，安裝簡單、檢測方便；可實時顯示瓶裝啤酒容量值，當容量不足或者過剩時，設備的報警系統會自動響起，同時將瓶子經過機械設備剔出生產線重新罐裝。?

1 系統結構與原理?

??? 本文針對檢測罐裝酒后啤酒容量是否達標的部分進行研究。使用普通的工業監控攝像機，通過DSP控制攝像機采集動態的啤酒瓶圖像，嵌入圖像處理方法編寫的識別檢測瓶內液面高度的軟件，檢測瓶裝啤酒的容量是否達標。達標的可繼續傳送到下一生產部分貼標簽準備出廠，同時顯示系統顯示出液位值以供參考；若不達標則報警系統自動報警并由機械手將瓶子移出，送入次品傳送帶，再循環進入灌酒部分重新灌酒。機械裝置如圖1所示。同時，外擴一片非易失性的FLASH存儲程序，可實現脫機運行，從而實現了低成本、攜帶安裝方便、適用于現場檢測的研發目的。系統設計框圖如圖2。?

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2 關鍵技術解析?

　　為體現設備的低成本、高速度、便攜性的優點，同時要達到生產線實時檢測，需對一些關鍵性技術問題進行分析與研究。?

2.1 光學系統設計?

??? (1)攝像機?

??? 攝像機內部的圖像傳感器主要有CCD和CMOS兩種。同等價位，CCD拍攝的圖像效果要遠遠好于CMOS的。另外從傳感器輸出信號格式來分，可分為模擬傳感器和數字傳感器。模擬傳感器輸出的是模擬信號，須經過一個A/D轉換器轉成DSP能夠處理的數字信號,其價格低廉，使用簡單。但是模擬相機存在一個分辨率和幀頻率的上限，分辨率取決于傳感器像素的數目以及后期處理電路的質量；幀頻率即指相機每秒鐘能夠輸出圖像的幀數，對于模擬制式相機，這個頻率是固定值，如PAL制式的攝像機，幀頻率固定為25幀/s。模擬傳感器的缺點是對于傳輸過程中的噪聲和損耗較為敏感，此問題可通過后續算法對圖像進行處理而得到改善。數字傳感器直接輸出數字信號，節省了A/D轉換的時間。其通常具有更高的分辨率，此分辨率直接取決于傳感器上像素的數目；幀頻率是個可變的值。數字相機的傳輸距離通常比模擬相機短。?

??? 目前的研究方案大多使用數字攝像機、采集卡及PC機完成圖像的采集與處理，通過光電傳感器判斷物體的到來從而產生觸發信號，觸發攝像機電子快門及采集卡采集圖像。這種設備成本較高，且設備龐大不便于攜帶。而本文設計的初衷是低成本、便攜及實用，因此根據啤酒廠生產線實際速度情況，本文選擇一款PAL制式的模擬工業監控攝像機與DSP處理器來完成圖像的采集與處理。至于采集處理圖像的速度是否能滿足啤酒生產線的速度，將在后續進行分析。?

??? (2)光照?

??? 為避免啤酒因光照而變質，啤酒瓶通常做成深色，主要有綠色和棕色兩種。深色不利于液位的提取，提高了對光源的要求。LED光源憑借其使用壽命長、發熱少、效率高、成本低、反應速度快、亮度穩定、無污染，有很好耐潮性、抗震性和防爆性等優點，被廣泛應用。?

????? 目前，光源的照射方式主要有背光照、前光照、分光反照三種。經實驗比較，采用背光照射效果最佳。從原理上分析可知，對于半透明的玻璃體，背光照射可提高光的反射度，通過弧形玻璃體后形成漫反射，無形中減少了光斑的產生，同時也提高了液位處的對比度。光照示意圖如圖3。?

2.2 攝像機與待測物體位置擺放的合理設計?

??? 合格的液面應在啤酒瓶的瓶頸區域內，因此本文只采集瓶頸部分圖像。在此范圍內識別到的液面高度在設定的標準值范圍內時表示合格，不在這個標準值范圍內或者根本無液面出現時，判斷為不合格品。PAL制式采集圖像幅面為720像素×625像素，為了減小圖像存儲量，本文只截取100像素×100像素(以下簡稱為100×100)的幅面。?

??? 為了保證啤酒瓶的瓶頸部分正好出現在這個100×100的幅面里，需計算合適的物距。大于這個距離則采集到的圖像包括瓶肩部分。由于瓶肩部分的弧形設計反光現象非常明顯，會影響液位的識別；若小于這個距離，則采集的圖像部分未全部包括瓶頸部分，會對液面高度造成誤檢。圖4為攝像機擺放位置示意圖。?

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??? 不同型號的啤酒瓶瓶頸高度也不同，本文以瓶頸高7cm為例，其物理放大率即傳感器感光面積與視野的比值為γ=7/100=7%，則攝像機采集的幅面大小m=625×本文選取合適的鏡頭參數即可計算出物距。在物體空間一定距離范圍內的物體成像都是清晰的，這個范圍稱為景深。它和很多因素有關，最重要的是光圈大小。鏡頭光圈大小一般用F數來表示，F=D/f，其中D表示有效孔徑，f是焦距。物體在景深范圍內時，圖像可以保持一定的質量，超出這個范圍時，對比度和分辨率都會下降。一般情況下，只要清晰度能滿足要求即可，如圖4中所示，D范圍內所成的圖像看起來都是清晰的。將攝像機與啤酒瓶的位置按上述計算的物距值及D的范圍固定后即可采集到清晰的啤酒瓶圖像。?

2.3 速度實時性分析?

??? 本文所闡述的是一種在實時圖像處理系統中的視頻采集控制方法。所謂實時性是指圖像數據的采集和處理以一定的速度連續進行，圖5為檢測一幀圖像所需時間示意圖。其中圖像數據的采集速度涉及到攝像機成像速度、圖像傳輸速度及生產線的運動速度，這三者有密切的關系。?

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2.3.1 攝像機成像速度?

??? 攝像機的成像主要靠電子快門，通過控制感光片有效曝光，將光信號轉換成電信號的過程。電子快門曝光時通光量的大小主要影響采集的圖像質量，這正體現了光學系統設計中光照問題的重要性。而曝光時間將直接影響圖像采集的實時性要求。?

　　對于數字相機，通常電子快門的時間可通過軟件設置控制，可調范圍較大。而模擬攝像機電子快門的速度值通常在攝像機中已設置好幾個參考值，選擇一個合適的值即可。成像部分電子快門的速度范圍大約在1/10 000s～1/100 000s，而相機傳輸速率是相對固定的，是相機成像速度的“瓶頸”。?

2.3.2 圖像傳輸速度?

??? 本文設計的嵌入式系統采用模擬攝像機和視頻解碼芯片傳輸圖像，模擬攝像機為標準的PAL制式，視頻解碼芯片是Philips公司的SAA7113H^[5]，它的采集時序圖如圖6所示。

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??? 模擬視頻信號是由多種信號疊加復合而成的，主要包括:行同步信號、場同步信號和消隱信號等。如圖6所示，行同步信號的高電平表示有效行信號的到來，低電平表示行消隱信號；隔行采集時通常分為奇場和偶場兩場信號，其中高電平表示奇場信號到來，低電平表示偶場信號到來。?

??? SAA7113H的LLC為27MHz，像素時鐘為LLC/2=13.5MHz，因此2/LLC為采集一個像素所需要的時間，從圖6(c)可知：行同步信號高電平期間，表示一行圖像的有效采樣720個像素，低電平表示消隱期間采集144個像素。PAL制式逐行采集圖像的格式為625行。這樣可計算出采集一幅圖像所需的時間為(720+144)×625×1/13.5=40ms。本文對采集來的圖像質量要求不高，只要能識別判斷出液面即可，其更注重圖像采集的實時性。因此為了提高采集與處理的速度，可通過對SAA7113H的相應寄存器進行控制，通過IIC總線對其進行配置，實現隔行采集方式的選擇。即20ms采集，20ms處理以達到實時性。DSP芯片是處理型器件，它的控制能力較弱，即通用I/O口較少，且本文選用的TMS320VC5416沒有標準的IIC接口。因此通過將DSP的HPI口配置為通用I/O口，實現軟件模擬IIC接口完成初始化工作。?

2.3.3 成像速度、傳輸速度與生產線速度匹配分析?

??? 只有協調好成像速度與采集速度的匹配，才能準確實時地采集到目標圖像，避免漏檢與誤檢。以生產線速度54 000瓶/h為例，單排運行且瓶與瓶緊挨著，可計算出平均生產線速度為1m/s。為確保在100×100的幅面內只存在一個瓶子，采集并處理完一個瓶子需40ms，在這40ms之間瓶子橫向移動的距離為1m/s×40ms=4cm。以瓶頸高7cm為例，瓶子在100×100幅面內出現的位置范圍如圖7所示。?

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??? 情況1：動態捕捉瓶子的位置剛好是瓶子右邊緣出現在100×100幅面的左邊緣上，如圖7(a)所示，而在采集并處理完畢時瓶子剛移動4cm，并未移出7cm，還在100×100這個幅面內。因此再次采集圖像時還在處理這個瓶子。當這個瓶子再次處理完畢時，為了避免漏采下一個瓶子，需保證下一個瓶子與這個瓶子之間的距離至少大于7+4-（7-4）=8cm。?

??? 情況2：動態捕捉瓶子的位置剛好是瓶子左邊緣出現在100×100幅面的右邊緣上，如圖7（b）所示，而在采集并處理完畢時瓶子移動4cm，要保證在這40ms內第二個瓶子還沒進入100×100的幅面，需保證兩個瓶頸之間距離應大于7+4=11cm。?

??? 實際采集圖像時，圖像出現的位置在上述兩種情況之間出現，即在圖7(a)到圖7(c)圖之間的范圍，如圖7(b)所示。因此只要兩個瓶頸之間的距離滿足以上的最大值要求即不會造成漏檢和誤檢，同時也可以達到實時性要求。設瓶底直徑約6cm，瓶頸直徑約3cm，則當瓶與瓶緊挨著時，兩個瓶頸左右邊界距離約4cm。若滿足兩瓶頸之間距離大于11cm，就必須保證兩瓶子之間距離約11-4=7cm。?

??? 按照40ms檢測一個瓶子計算，理論上每小時可檢測9 000瓶，而實際生產線是由幾大流程組成的，如灌酒、殺菌消毒、檢測、貼標簽等。生產線按照單入雙出的原則，即在進入每個流程時，生產線降低行進速度變為單排入，而在每個步驟結束后，生產線提高行進速度變為雙排出。這樣在每部分生產線速度都是可調的。因此按照上述檢測速度，啤酒總產量在54 000瓶/h是完全可以滿足的。?

??? 瓶與瓶之間的距離可通過改動機械裝置調整，當瓶裝啤酒經過容量檢測這部分時，增加一個分瓶機，將瓶與瓶之間的距離拉開，瓶間距滿足以上要求即可保證每次采集的圖像中只有一個瓶子，避免臨近瓶子形成干擾區域，同時也可以減少瓶子間的碰撞，降低漏檢率和誤檢率。?

2.4 DSP的選擇及存儲空間的分配?

??? 實時圖像處理系統由于要處理的數據量較大，因此有必要對存儲空間進行合理的設計。這不僅可防止數據丟失，還可協調好圖像采集數據和處理數據的合理空間存儲，以避免之間產生沖突。?

??? 生產線啤酒瓶傳輸速度較快(約54 000瓶/h)，因此選擇一款合適的DSP處理器至關重要。對比TI公司的幾種DSP型號，其中TMS320VC5416[6]主頻為160MHz，內部有128K×16位的RAM，采集大小為100×100的圖像占據空間9.76KB，這對存儲背景圖像、目標圖像和運行中占用的一些數據空間來說完全可以滿足，無需外擴。另外該芯片實行I.6V和3.3V雙電源供電，可以用小電池供電，比較適合做成掌上設備，便于攜帶。?

??? 為避免采集整幅圖像造成無用信息的浪費，本文采用開窗截取圖像的方法，只保存有用信息，另外處理完一幅圖像后釋放對應的內存空間，以便后續圖像的存放。這種開窗截取的方法以往多是硬件上采用CPLD，軟件上配合VHDL語言進行編寫。這不僅增加了硬件資源，同時又使軟件的編寫變得復雜。?

??? 由于FLASH在掉電后數據不會丟失，因此可將程序事先燒寫到FLASH中。上電后，用BOOTLOADER方式將其裝載入DSP的內部RAM中運行。這樣可脫離計算機,做成一個小型設備，方便攜帶到生產線上進行在線檢測,充分體現了嵌入式系統的優點。?

3 軟件設計?

??? 本系統的DSP圖像處理算法主要包括圖像預處理、圖像定位算法和圖像特征提取算法。算法程序主要在TI公司發布的DSP軟件運行環境CCS(Code Composer Studio)下由C語言編寫并進行匯編優化。?

??? 圖像算法的具體步驟如下：?

??? (1)動態圖像捕捉：為簡化硬件設計，用軟件差影法代替硬件光電傳感器捕捉動態目標圖像，準確處理每一幅瓶裝液體的圖像。?

??? (2)圖像的預處理：主要運用灰度直方圖的修正和灰度形態學濾波等噪聲平滑算法。?

??? (3)圖像定位：由于每次捕捉動態圖像的位置都不同，因此對瓶子左右邊緣進行定位以縮小尋找液面的范圍，使檢測更加準確。這里主要利用灰度值判斷的方法提取瓶子左右突變邊緣。設圖像為f(x，y)，i為行，j為列。?

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??? 當i固定時判斷t，t為最大時的j即為瓶子的左側邊界處；t為最小時的j即為瓶子的右側邊界處。其中k是可調參數，范圍可設在3～5之間。圖8為i=80，n=4時定位后的圖像。?

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??? (4)液面提?。河捎谄【破康闹饕晥D是對稱的，因此底邊的垂直平分線必然穿過啤酒的液面。由于運動中的啤酒瓶因震動會有少量泡沫產生，在液位邊緣提取中，不能精確檢測出液位的高度。為減少這種影響，在液位邊緣提取時，可選定瓶子的中心軸位置，沿列方向多行進行判斷灰度值變化，即可提取出液面。如圖8所示。?

??? 由于TMS320VC5416芯片采用6級流水機制，但沒有解決流水線相關性問題，因此，編程時要合理調配指令順序，盡量減少指令的相關性，更多地安排指令并行，這樣可以提高程序的運行速度。另外考慮到此系統運行的速度主要取決于識別算法的運行速度，且由于自動識別的核心算法一般都是C程序，通常C轉換的效率不高，只能到40%。為了縮短時間，且充分發揮TMS320VC5416芯片的優點，又兼顧C語言編程的易維護性、可移植性和可繼承性等特點，所以采用混合編程的思想，即某些復雜的算法處理模塊用基于DSP的匯編編程，而一些比較簡單且不影響運行時間的模塊用C語言編程。最后，通過優化編程，可縮短整個算法的運行時間，這樣極大減小了系統的運行時間，滿足了實時性需要。?

4 仿真實驗數據分析?

??? 此部分仿真試驗，主要用來測試系統的實時性。上面理論分析已說明了設備的可行性。實際系統測試數據分析如下：一幀圖像檢測時間=圖像傳輸時間(成像時間+采集時間)+圖像處理時間。其中成像時間主要為判斷目標物體出現并瞬間捕捉到的時間，約幾毫秒；采集圖像時間為20ms，嚴格遵守PAL制式的輸出時間；處理時間主要包括液位檢測的時間及結果顯示時間等，經測試為十幾毫秒。這樣圖像可以在40ms內完成采集與處理。按理論分析的結果，保持瓶與瓶之間的距離在7cm時，檢測速度可完全滿足54 000瓶/h的需求，達到了實時性要求。?

??? 此設備可快速獲得穩定的圖像并給出識別結果；能夠準確捕捉到動態目標圖像，達到實時性要求。研制過程中，重點分析了光學系統，使用軟件的方法來減少硬件上設計的復雜度。該裝置體積小，運行可靠，操作簡單，安裝方便，便于攜帶到生產線上進行在線檢測。軟件算法具有較強的通用性，對類似的半透明玻璃體檢測均適用。?

參考文獻?

[1] 尼若·施瓦茨.用于質量和流程控制的動態流體液位及氣泡的檢測.中國專利，94119000.5.94-11-23.?

[2] 劉煥軍，王耀南，段峰.自動生產線上透明灌裝瓶液體體積的機器視覺檢測系統.計算機工程與應用，2004，12：229-231.?

[3] 王耀南.多傳感器融合智能透明容器檢測設備及檢測方法.中國專利，03124722.9.2003-8-8.?

[4] 王程，蔡晉輝，周澤魁.啤酒液位與雜質自動檢測系統的結構設計和開發.工業控制計算機，2004，17(10)：14-15.?

[5] SAA7113H.pdf.http：//www.omnivision.com.?

[6] TMS320VC5416.pdf.http：//www.ti.com.?