摘　要：以CCD作為圖像傳感器,以CPLD作為圖像采集系統(tǒng)的控制核心,以DSP作為基本圖像處理單元,實現了圖像自動采集處理系統(tǒng),完成了圖像的快速采集、存儲及數據處理。不僅對系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計進行了討論,而且對應用的算法也進行了簡單的介紹。
　　關鍵詞：CPLD CCD A/D DSP 圖像處理

　　CCD是一種光電轉換式圖像傳感器。它利用光電轉換原理把圖像信息直接轉換成電信號,這樣便實現了非電量的電測量。同時它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長等諸多優(yōu)點,因此受到人們的高度重視,在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領域中,發(fā)揮著重要的作用[1]。對被測圖像信息進行快速采樣、存儲及數據處理,是線陣CCD數據采集發(fā)展的新方向。尋找滿足要求的處理器已成當務之急。DSP(數字信號處理器)是一種具有高速性、實時性和豐富的芯片內部資源的處理器,它的出現為人們解決了這個難題。為了節(jié)約成本、減少體積,本文用CPLD控制圖像的讀入,以TMS320VC5402 DSP作為處理器,并結合CA3318CE A/D轉換器介紹一種CCD圖像采集處理系統(tǒng)的設計方法。根據課題研究,將此系統(tǒng)應用于手寫體數字的采集和識別中。如果配以適當的光學系統(tǒng),便可以實現光-機-電-算一體化設計。
1 系統(tǒng)概述
　　本系統(tǒng)主要由線陣CCD、ADC、DSP、可編程邏輯器件CPLD等幾部分組成。待輸入圖像經光源照明后,經物鏡成像在CCD光敏元件陣列上,CCD通過驅動電路完成一次Y方向的自掃描。在控制電路的作用下,CCD輸出信號進行濾波放大處理,并經A/D轉換電路進行數字化處理。一行圖像數據通過數據通道進入幀存儲器。以上操作與CCD自掃描同步進行,不受CPU的控制。隨后,控制電路啟動步進電機,帶動進紙機構移動到下一采樣位置,CCD又進行Y方向的自掃描,并重復上述過程,輸入第二行的數據,直至整幅畫面輸入完畢。DSP讀取存儲器存儲的處理數據,并根據用戶的要求將處理結果上傳給主機供用戶使用。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。 
 

圖1　系統(tǒng)結構圖

2 基本硬件組成
2.1 線陣CCD傳感器
　　本系統(tǒng)采用TCD1208AP線陣CCD作為圖像傳感器。TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生產的線陣CCD傳感芯片,具有2160個像元,像元尺寸及間距為14μm×14μm;TCD1208AP具有靈敏度高、暗電流低等特點,工作電壓為單一的5V,是二相輸出的線陣CCD器件。主要用于通信傳真、圖像掃描、光學字符閱讀機等場合。TCD1208AP傳感器共需要四個5V的驅動時鐘(SH、RS、Ф1、Ф2)。時序圖如圖2所示。 

 
圖2　TCD1208AP 傳感器時序圖

2.2 放大濾波及A/D轉換
　　TCD1208AP傳感器輸出信號OS有以下特點:
　　·負極性信號
　　·包含有周期性的復位脈沖串擾
　　·有效信號幅值較小
　　CCD輸出信號的上述特點決定了它不能直接送入A/D轉換器,必須先從硬件上對其進行一系列的預處理,消除信號中的驅動脈沖(主要是復位脈沖)及噪聲等所造成的干擾,因此需將信號進行前置反向、濾波及放大。在電路設計中,選用一片CA3450運算放大器進行反向、放大;并在CA3450的輸出端接一級RC濾波器濾除噪聲。經過上述處理的信號就可以被送入A/D轉換器進行數字化處理。8位、高速、并行閃速結構的A/D轉換芯片(CA3318CE)的轉換速率(最大為15MHz)完全可以滿足CCD(1MHz)的工作要求,利用A/D轉換技術將信號轉換成與之相應的、能夠反應圖像灰度變化的數字量,提高了測量精度和分辨率。當CA3318CE的輸出使能有效時,就可以將A/D轉換結果送至8位數據線上。這樣,在數據存儲器寫允許及地址有效的前提下,就能將數據寫入數據存儲器SRAM中。
2.3 可編程邏輯電路CPLD
　　CPLD的主要作用有:用來控制CCD的驅動時鐘、各種同步控制時鐘(A/D轉換,數字信號存取)以及存儲器地址的產生。合適的CPLD是根據實際需要在實驗過程中選定的,在設計中選用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7128S,該系列芯片是典型的通過JTEG在線編程的CPLD器件。外部時鐘信號作為CPLD的基準信號,其它時序信號的產生都是以此為基礎的。
2.4 步進機構
　　線性CCD是逐行掃描的,要想得到清晰的圖像,對步進機構的速度是有要求的。步進機構應該勻速運動,其速度必需和掃描速度保持一致。影響水平方向分辨率的主要原因是轉動電機的轉速。雖然轉速越高,越節(jié)省時間,但是掃描間隔卻相應增大,分辨率下降;轉速越低,則分辨率越高。
2.5 TMS320VC5402處理器
　　TMS320VC5402是定點數字信號處理器,體系結構為哈佛結構,具有先進的多總線結構,40位算術邏輯單元(ALU)包括一個40位桶形移位寄存器和兩個40位累加器,數據/程序尋址空間為64K/1MB,內置16KB的RAM和4KB的ROM,有兩個緩沖串口。另外,它還提供DMA方式和多種片內外設,操作速度最高為100MIPS。
3 系統(tǒng)的硬件設計
3.1 CPLD控制信號
　　根據驅動脈沖時序關系確定時鐘驅動信號SH、Φ1、Φ2和RS的參數。各路脈沖的技術指標如下:RS＝1MHz,占空比為1:3,方波;Φ1＝Φ2＝0.5MHz,占空比為 1:1,方波,Φ1、Φ2在并行轉移時是一個大于SH＝1持續(xù)時間的寬脈沖;在SH的光積分時間內,至少有2212個RS脈沖。在設計中,SH波形采用計數器的形式進行設計。Φ1、Φ2、RS的波形由分頻產生。行同步信號Фc與SH同周期,利用Фc的上升沿使A/D轉換器進入工作狀態(tài)(Фc為低電平時,A/D轉換無法啟動),它的上升沿對應CCD輸出信號的第一個有效像素。SP是像元同步信號,它的脈沖頻率是復位信號RS的整數倍。為了保證CCD輸出、A/D轉換、地址發(fā)生三者同步,將CCD驅動電路的RS與ADC的時鐘CLK相連,存儲器的寫允許端與ADC的允許端相連。部分設計程序如下:
PROCESS(CLK,RESET)
　　BEGIN
　　IF RESET=‘1’ THEN CNTB<=0;
　　ELSE
　　IF CLK´EVENT AND CLK=‘1’ THEN
　　　IF CNTB>2212 THEN CNTB<=0;
　　　ELSE CNTB<=CNTB+1;
　　　END IF;
　　END IF;
　　END IF;
END PROCESS;
PROCESS(RESET,CNTB)
　　BEGIN
　　IF RESET=´1´ THEN SH<=´1´;
　　ELSE
　　CASE CNTB IS
　　　WHEN 0 TO 2212=> SH<=‘0’;
　　　WHEN OTHERS=> SH<=‘1’;
　　END CASE;
　　END IF;
END PROCESS;
PROCESS(CLK,RESET)
　　BEGIN
　　IF RESET=‘1’ THEN CNT<=0;
　　ELSE
　　IF CLK´EVENT AND CLK=‘1’ THEN
　　　IF CNT<5 THEN
　　　CNT<=CNT+1;
　　　ELSE CNT<=0;
　　　END IF;
　　END IF;
　　END IF;
END PROCESS;
PROCESS(CNT,RESET)
　　BEGIN
　　IF RESET=‘1’ THEN F1<=‘1’;F2<=‘0’;
　　ELSE
　　CASE CNT IS
　　　WHEN 0 =>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
　　　WHEN 4 =>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
　　　WHEN 5 =>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
　　　WHEN OTHERS=> F1<=‘0’;F2<=‘1’;
　　END CASE;
　　END IF;
END PROCESS;
　　根據所要攝取圖像的數據量,選用三片IS61LV5128AL-12T SRAM(共1.5M),用來存放一幀圖像數據。它們的地址線和讀寫控制線是由CPLD提供的。
　　SRAM地址信號的產生是通過計數器實現的,這里將A/D轉換的時鐘同步信號作為計數器的計數時鐘信號。每次采樣前,設初始地址為零,時鐘同步信號每出現一次下降沿,地址值加1。在采集完一幀數據時地址自動復位。考慮到延時的問題,數據信號與地址信號不能同時發(fā)生。如果寫信號一直有效,會造成同一地址存放不同的數據,從而影響了輸出數據的正確性。針對這一問題,在設置寫信號WR時,檢測地址ADDR最后一位(ADDR[0])和時鐘同步信號的上升沿的變化。當檢測到ADDR[0]變化時,WR置低,說明有效;當檢測到時鐘同步信號上升沿到來時,WR置高,此時無效。這樣每一位數據都能被寫入相應的地址中。
　　在設計中,時序發(fā)生器產生的所有驅動和控制時序信號都是在MUXPLUSII開發(fā)環(huán)境下設計完成并經編譯、校驗后在線下載到CPLD器件內部的。可見,一片CPLD可以替代原來的幾十個分立元件來實現CCD圖像讀入系統(tǒng)中各種驅動和控制時序邏輯,而且CPLD還允許設計編程保密位。總之采用CPLD有利于減小系統(tǒng)電路板的面積、提高系統(tǒng)的安全保密性、降低系統(tǒng)功耗和保證產品的質量。
3.2 DSP的控制信號
　　當系統(tǒng)啟動時,DSP通知EPM7128S啟動采集,采集完畢后DSP便可以訪問SRAM中的數據,并完成后繼的圖像處理工作。另外,在本系統(tǒng)中,DSP還有一個重要的功能,即負責控制SRAM的訪問權。在系統(tǒng)中,ADC以及DSP都需要對SRAM進行訪問,這必然會產生SRAM的訪問爭用問題。對于這一問題是通過DSP來解決的。在采集圖像期間,DSP通過XF引腳控制緩沖/驅動器SN74LVTH16244,使得采集期間ADC與SRAM導通,DSP與SRAM隔離;在處理數據期間,DSP與SRAM導通,ADC與SRAM隔離,這樣就解決了ADC、DSP對SRAM的使用權爭用問題。
3.3 存儲空間擴展
　　TMS320VC5402的數據尋址空間只有64K,而一幀圖像的存儲量達到1M多,由于硬件資源的限制和實時處理的要求,要存儲這么大的數據,必須進行存儲空間的擴展。
　　所以在系統(tǒng)中,采用I/O空間擴展。由于I/O空間全部是片外的,所以進行擴展后上述問題得以解決。具體實現如下:首先將HPI端口通過硬件或軟件設置成通用I/O端口,然后把這些端口作為片選信號進行空間擴展。當進行尋址時,首先在HPI的端口輸出相應的片選信號,然后在地址總線上輸出相應的地址值,這樣就完成了數據的存儲和處理。
4 系統(tǒng)的軟件設計
　　單幀讀入識別過程如下:
　　(1)DSP發(fā)幀啟動脈沖Fstart給CPLD,地址譯碼器和觸發(fā)器清零。
　　(2)CPLD接收Fstart。
　　(3)開始行掃描,并將數字化后的信號存入SRAM。完成一行采集,發(fā)DMA信號給DSP。
　　(4)DSP接收到DMA信號后,啟動步進電機前進。
　　(5)步進電機到達一定位置時,轉為(3)。
　　(6)一幀數據采集完畢時,發(fā)中斷信號Ready給DSP,DSP讀取SRAM,處理數據。
　　(7)數據處理完,若有新頁,則轉到(1)。
　　軟件流程圖如圖3所示。 
 

圖3 軟件流程圖

5 識別算法
　　根據手寫體數字的特征,采用一種簡單易行的識別算法。算法中主要包括圖像的預處理、特征提取和識別。
　　(1)二值化。二值化處理是將得到的灰度圖像轉化為二值數字圖像,本系統(tǒng)采用全局閾值法進行二值化處理。
　　(2)平滑。由于平滑能夠去除孤立的噪聲、干擾,能平滑筆畫的邊沿,所以這是必不可少的預處理步驟。這里使用一種簡單且行之有效的平滑方法——中值濾波方法。
　　(3)分割。圖像的分割是從圖像采集中所得到的整幅圖像中分出需要識別的數字圖像區(qū)和無用的背景圖像區(qū)。由于手寫體數字的限制,這里采用基于方框的查找法。
　　(4)規(guī)范化。為了便于對任意字符的特征提取,還要對字符進行正規(guī)化處理。由于每個手寫數字的大小和在框內相對位置的不同,不能直接進行訓練和識別,所以對處理后的點陣數據用基于重心的位置規(guī)范法進行規(guī)范,使之成為16×16的點陣數據格式,為后續(xù)的處理所用。
　　(5)細化。本文采用并行細化算法[4]。該方法采用16種3×3的鄰域作為刪除模板“剝去”圖像的最外層,同時又采用兩種3×4的鄰域作為恢復模板恢復被刪去的影響連續(xù)性的關鍵點,從而達到每次迭代都能完全“剝去”圖像的最外層而不破壞圖像連續(xù)性的目的。這種方法計算量小,所得骨架基本上位于圖像的中軸,端點無明顯的收縮,能滿足本文所用識別方法對細化結果的要求。
　　特征提取的主要任務是對預處理后的二進制點陣數據進行處理,提取出數字圖像中有關骨架、輪廓、拓撲結構、筆劃分布等方面的特征信息,再送給分類器。本文提取數字的離散余弦特征。
　　考慮到DSP芯片的程存空間及識別速度,本系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的手寫體數字識別算法——BP網絡算法,對單個字符進行識別。本文用了三層BP實現手寫體數字的高效率識別。輸入層來自數字的離散余弦特征,輸出層有10個單元,分別代表0～9這十個數字。在學習過程中,為了提高學習速率,對學習步長η進行了不斷的自適應調節(jié)。 6 試驗結果及經驗總結
　　經過在測試集上測試,當拒識率為3.10%時,硬件識別系統(tǒng)的識別率達到94.52%,可靠性為97.54% ;當拒識率為2.95%時,硬件識別系統(tǒng)識別率達到了94.79%,可靠性為97.68%?？梢姶讼到y(tǒng)具有較好的性能。在試驗過程中,總結出以下幾點經驗:
　　(1)在設計時最好了解CPLD的內部結構,這對邏輯設計和實現有很大幫助。
　　(2)使用的I/O超過80%或者資源利用率超過80%時,布線的布通率將不能保證。
　　(3)算法盡可能簡單,以提高圖像處理的速度。
　　本系統(tǒng)將圖像輸入、識別集成到一個系統(tǒng)中,很好地實現了圖像的快速采集、存儲及數據處理功能,具有一定的實用價值。對于高分辨率要求的圖像采集識別系統(tǒng)來說,本方法依然適用。在硬件方面,如果用TMS320VC6201代替TMS320VC5402,效果將更佳。在識別方法上,如果將本文的識別方法作為多級分類器的一類,和其它一些基于統(tǒng)計的方法,如外圍輪廓法、數學變換法等結合在一起,應該能夠取得更好的識別效果。