專利名稱：一種基于fpga的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像處理和自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
貼片機(jī)是SMT生廣線上的關(guān)鍵生廣設(shè)備，研究和開發(fā)聞速聞精度的貼裝設(shè)備近年來(lái)一直是國(guó)外有關(guān)科研單位及大型電子設(shè)備制造廠商的重點(diǎn)目標(biāo)。在貼片機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)拾取的芯片進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)是其中最重要的一環(huán)。由于多功能貼片機(jī)要處理的元器件封裝形式多樣化，考慮到各種元器件在外形和大小上的差異，對(duì)貼片機(jī)圖像處理技術(shù)提出了新的要求。
貼片機(jī)控制系統(tǒng)中，需要對(duì)掃描的芯片進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)，需要配置有圖像采集和處理分析系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱視覺(jué)系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)是貼片機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中的重要組成部分，它直接影響貼片機(jī)的工作質(zhì)量。圖像處理系統(tǒng)引起的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別精度。多功能貼片機(jī)要處理的元器件封裝形式多樣，有CHIP、SOP、SOIC、QFP, BGA, CSP, PLCC等。這些封裝形式之間外觀差異很大，有基本上是立方體的CHIP型，有帶凹管腳的QFP型，也有帶球狀突起的BGA型。就算是同種封裝，在芯片截面積的大小上也有很大的差異，跨度從0.254msX0.58ms到50msX50ms。各種元器件在外形和大小上的差異，對(duì)圖像處理技術(shù)提出了較高的要求。在圖像處理領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年的摸索，人們總結(jié)出了一系列經(jīng)驗(yàn)性的原則，以對(duì)不同特征的數(shù)字圖像進(jìn)行恰當(dāng)?shù)乃惴ㄌ幚硎棺R(shí)別目標(biāo)更加清晰。將這些經(jīng)驗(yàn)原則靈活運(yùn)用于貼片機(jī)定位系統(tǒng)中，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用相應(yīng)的照明光源組合對(duì)各種外形的元器件適當(dāng)圖像采集和目標(biāo)識(shí)別。發(fā)明內(nèi)容:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，而研制一種基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)及方法，建立一套面對(duì)貼片機(jī)自適應(yīng)光源的圖像采集系統(tǒng)和數(shù)字處理平臺(tái)，通過(guò)采集元器件當(dāng)前圖像，并實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像處理。圖像采集處理系統(tǒng)以FPGA為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的高速處理和目標(biāo)識(shí)別，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，提高系統(tǒng)的定位精度，降低設(shè)備的成本和復(fù)雜程度。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:這種基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)，由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和SOPC控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成，以SOPC控制系統(tǒng)為中心，將各系統(tǒng)聯(lián)系在一起，照明系統(tǒng)為貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)，成像系統(tǒng)利用圖像傳感器直接采集物體表面圖像，輸出圖像數(shù)據(jù)連接至圖像采集系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)讀取圖像數(shù)據(jù)輸出連接至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，輸出連接至目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)。
上述技術(shù)方案中，所述的成像系統(tǒng)由CPLD與圖像傳感器組成，兩者之間的接口主要包括電源線、地線、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)、垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)和像素同步信號(hào)線，CPLD與圖像采集系統(tǒng)之間的接口包括擴(kuò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總線、控制信號(hào)線、電源線、地線和輸入輸出端□。
上述技術(shù)方案中，所述照明系統(tǒng)的貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)為環(huán)形光源、條形光源和同軸光源三種LED光源的組合。
本發(fā)明的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位方法，具有成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和SOPC控制系統(tǒng)，以SOPC控制系統(tǒng)為中心，將各系統(tǒng)聯(lián)系在一起；照明子系統(tǒng)由各類光源、光源控制器和照明方案組成，負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像處理系統(tǒng)發(fā)出的指令，并根據(jù)指令調(diào)速光源組合形式；成像系統(tǒng)利用圖像傳感器直接采集物體表面圖像，然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸給圖像采集系統(tǒng)；圖像采集系統(tǒng)完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)緩存器FIFO的讀取，通過(guò)獲得圖像同步信號(hào)向DSP系統(tǒng)發(fā)出中斷信號(hào)；圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行降噪與增強(qiáng)的同步流水線處理；然后輸出連接至目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)以圖像匹配為基礎(chǔ)，把目標(biāo)識(shí)別定位轉(zhuǎn)化為圖像匹配。
上述技術(shù)方案中，所述的照明系統(tǒng)為貼片機(jī)自適應(yīng)光源，采用環(huán)形光源、條形光源和同軸光源三種LED光源組合方式，所述的LED光源采用可編程控制的LED光源。
上述技術(shù)方案中，所述的圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理為:采用統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，中值濾波器由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)；所述的對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理為:采用基于微分的細(xì)節(jié)銳化濾波器對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理，并采用Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行邊沿檢測(cè)。
上述技術(shù)方案中，所述的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)包含三大核心部分:樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、待識(shí)別圖像的規(guī)格化處理和匹配處理；建立樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)主要是特征提取，將待識(shí)別的圖像變換成與樣本圖像相匹配的規(guī)格；匹配處理是比較樣本圖像與待識(shí)別圖像之間的特征相似度、完成匹配算法的過(guò)程。
上述技術(shù)方案中，所述的SOPC控制系統(tǒng)，以ARM為基礎(chǔ)對(duì)各部分進(jìn)行集中管理，不依賴計(jì)算機(jī)，獨(dú)立完成全系統(tǒng)的程序同步控制。
下面對(duì)本發(fā)明的各系統(tǒng)分別作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
成像系統(tǒng)
視覺(jué)成像系統(tǒng)主要完成圖像傳感器的成像和圖像數(shù)據(jù)傳輸功能，形成清晰且數(shù)據(jù)量小的圖像，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸以滿足下一階段圖像處理的需要。利用圖像傳感器直接采集物體表面圖像，然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖像數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)處理分析的依據(jù)，是后期進(jìn)行圖像處理的關(guān)鍵。
在視覺(jué)成像系統(tǒng)中，主要CPLD與圖像傳感器組成，兩者之間的接口主要包括電源線、地線、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)、垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)和像素同步信號(hào)等。CPLD與圖像采集系統(tǒng)之間的接口主要包括外據(jù)為擴(kuò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總線、控制信號(hào)線、電源線、地線和輸入輸出端口等。
照明系統(tǒng)
照明系統(tǒng)主要由各類光源、光源控制器和照明方案組成，其功能主要負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像處理系統(tǒng)發(fā)出的指令，并根據(jù)指令調(diào)速光源組合形式。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，需要良好的光源與照明方案，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，并不是簡(jiǎn)單的照亮物體。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地增加對(duì)比度。同時(shí)還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不影響成像的質(zhì)量。貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)對(duì)光源的形狀也采用多元化的組合方式，主要采用環(huán)形光源、條形光源和同軸光源等三種LED光源組合方式。根據(jù)元件封裝形式的不同，采用不同的照射條件。貼片自適應(yīng)光源系統(tǒng)中采用可編程控制的LED光源，也就是根據(jù)不同的目標(biāo)物選擇不同的照明方式，相當(dāng)于同時(shí)有幾個(gè)光源可以照射到目標(biāo)，這樣可以達(dá)到對(duì)每種元件都能夠采集到足夠?qū)Ρ榷群颓逦膱D像。主要用到的方式有背面照射、正面照射和側(cè)面照射三種。
圖像采集系統(tǒng)
圖像采集系統(tǒng)主要完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)緩存器FIFO的讀操作，通過(guò)獲得圖像的同步信號(hào)向DSP系統(tǒng)發(fā)出中斷信號(hào)，以上操作主要由CPLD來(lái)完成。
圖像處理系統(tǒng)首先進(jìn)行圖像的降噪處理。數(shù)字圖像來(lái)源于現(xiàn)實(shí)的影像，在圖像的獲取過(guò)程中受各種噪聲的影響，同時(shí)噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響也十分復(fù)雜。數(shù)字圖像處理過(guò)程中，去除噪聲的主要方法之一是進(jìn)行圖像濾波。典型的濾波方法是統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器的中值濾波，一種非線性的空間濾波器。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中值濾波器由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，中值濾波既能消除圖像中的噪聲，而且還能較好地保持圖像的邊緣。首先借構(gòu)建一個(gè)三值排序的方法，作為后端圖像處理排序的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際處理速度、處理效果和器件資源要求，本系統(tǒng)選用的是3X3鄰域窗口。本系統(tǒng)所使用的排序方法對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行了改進(jìn)，它基于三輸入排序單元，每個(gè)三輸入單元由若干二輸入單元構(gòu)成，排序過(guò)程如圖1 4所示。
圖像處理系統(tǒng)其次進(jìn)行圖像的增強(qiáng)處理。圖像增強(qiáng)的處理目的是使圖像更適合特定的應(yīng)用，本系統(tǒng)圖像處理的最終是目標(biāo)識(shí)別。而待識(shí)別的圖像邊界越清晰，識(shí)別的成功率就越高。銳化處理主要是突出圖像中的細(xì)節(jié)或者增強(qiáng)被模糊了的細(xì)節(jié)，這些模糊是圖像采集時(shí)不可避免的。基于微分的細(xì)節(jié)銳化濾波器是應(yīng)用很廣而又相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的銳化濾波器，其中二階微分處理對(duì)細(xì)節(jié)有較強(qiáng)的響應(yīng)，對(duì)線的響應(yīng)階梯性強(qiáng)，非常適合識(shí)別圖像的銳化處理。
本系統(tǒng)采用的是Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行邊沿檢測(cè)，并在應(yīng)用時(shí)做了適當(dāng)?shù)男薷?。Sobel算子得到的結(jié)果是對(duì)水平和垂直方向的響應(yīng)最大。由于圖像在邊緣附近會(huì)出現(xiàn)灰度上的突變，本系統(tǒng)利用Sobel邊緣檢測(cè)方法，通過(guò)考察圖像某像素在其領(lǐng)域內(nèi)水平和垂直方向上的灰度變化，然后利用一階導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)邊緣。如圖5 7所示，其水平、垂直梯度值的計(jì)算
Vf a l(z7 + 2Z8+Z9) — (Zi + 2z2 + z3)| + I(z3 + 2Z6+ Z9)—(Zi 2z4 I ZI算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程由FPGA完成，首先采用4個(gè)4輸入8位加法器實(shí)現(xiàn)(z7+2z8+z9)等4個(gè)求和運(yùn)算，此處運(yùn)算沒(méi)有采用乘法器，而用加法實(shí)現(xiàn)2倍運(yùn)算，保證運(yùn)算的同步性。然后使用4個(gè)10位減法器和4個(gè)三態(tài)選通模塊，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)減法和絕對(duì)值運(yùn)算。最后用一個(gè)2輸入10加法器完成最后結(jié)果。Sobel算法在FPGA中只需一個(gè)時(shí)鐘周期完成，能夠與如面設(shè)計(jì)的中值濾波冋步完成。
圖像處理最后一部分是目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，本系統(tǒng)針對(duì)高速貼片機(jī)的需要提出了一種新型的目標(biāo)高速識(shí)別系統(tǒng)，以圖像匹配為基礎(chǔ)，把目標(biāo)識(shí)別定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化成圖像匹配的問(wèn)題。本系統(tǒng)的基本思路是從原圖像中抽取圖像的特征，用戶以此作為識(shí)別的依據(jù)，建立樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，再將待識(shí)別的圖像變換成與模板相匹配的規(guī)格，待查詢圖像通過(guò)與樣本庫(kù)之間的匹配，從而實(shí)現(xiàn)圖像的識(shí)別。
本系統(tǒng)主要包含三大核心部分:樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、待識(shí)別圖像的規(guī)格化處理和匹配處理。建立樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)主要是特征提取，特征提取是要求有足夠的區(qū)分度和執(zhí)行性。特征提取可以是提取圖像全局的特征，也可以是圖像中局部的特征。匹配處理是比較模板圖像與待識(shí)別圖像之間的特征相似度，完成匹配算法的過(guò)程。
本系統(tǒng)是針對(duì)性很強(qiáng)的識(shí)別系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)有著特別的要求，特別是在識(shí)別速度方面要求很高。而特征提取的原理，關(guān)鍵性的決定了整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別精度和識(shí)別速度的高低。圖像特征表述是以顏色、形狀、紋理和空間關(guān)系等為主要的特征，還有統(tǒng)計(jì)特征和結(jié)構(gòu)特征。
匹配標(biāo)準(zhǔn)模板特征提取，首先經(jīng)過(guò)必要的圖像處理，強(qiáng)化圖像特征，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的目的是使待的圖像和標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配特征相適應(yīng)。本系統(tǒng)因樣本較少，因此在標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，并不考慮圖像的縮放，以更好的保證系統(tǒng)的運(yùn)行速率和識(shí)別的準(zhǔn)確度。標(biāo)準(zhǔn)模板都為二值圖像模板(字符為I像素，背景為O像素)，同時(shí)待識(shí)別的圖像也是字符像素為1，背景像素為O的二值圖像，相似度作為判據(jù)準(zhǔn)則。
識(shí)別系統(tǒng)的具體的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖8所示。識(shí)別系統(tǒng)樣本特征庫(kù)，通過(guò)樣本采集與特征提取建立后，作為系統(tǒng)的一個(gè)穩(wěn)定的匹配模板庫(kù)。待識(shí)別的圖像，首先判斷目標(biāo)的基本信息，不同的對(duì)象調(diào)用不同的匹配模板，并確定相似度的計(jì)算位數(shù)。圖像匹配是點(diǎn)與點(diǎn)匹配的過(guò)程，系統(tǒng)采用FPGA的異或門實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)的匹配，建立一個(gè)與圖片像素大小相同的異或門矩陣，便可一次性完成圖像的匹配過(guò)程，本系統(tǒng)稱該矩陣為匹配矩陣。相似度計(jì)算模塊的主要組成部分是位加法器，將匹配矩陣的輸出累加起來(lái)，既為模板與待識(shí)別圖像的相似度。
匹配矩陣結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖像匹配矩陣由待識(shí)別圖像FIFO、模板圖像FIFO、待識(shí)別圖像累加器、模板圖例累加器、與門矩陣、異或門矩陣、匹配結(jié)果有效判定模塊、匹配結(jié)果累加模塊組成。先將待識(shí)別圖像和模板圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO，然后分別求出待識(shí)別圖像和模板圖像的有效像素個(gè)數(shù)。
本發(fā)明建立了一套面對(duì)貼片機(jī)自適應(yīng)光源的圖像采集系統(tǒng)和數(shù)字處理平臺(tái)，通過(guò)采集元器件當(dāng)前圖像，并實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像處理。圖像采集處理系統(tǒng)以FPGA為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的高速處理和目標(biāo)識(shí)別，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，提高系統(tǒng)的定位精度，降低設(shè)備的成本和復(fù)雜程度，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。


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圖1 4為三輸入排序過(guò)程圖，其中圖1為3X3鄰域圖，圖2為行排序圖，圖3為列排序圖，圖4為對(duì)角排序圖5 7為Sobel算子圖，其中圖5為3X3掩模圖，圖6為Sobel算子垂直梯度圖，圖7為Sobel算子水平梯度圖8為匹配矩陣結(jié)構(gòu)圖9為自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖10為自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流程框圖。
具體實(shí)施方式
1、基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)總體實(shí)施方式
基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)，由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和SOPC控制系統(tǒng)6個(gè)部分組成。由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)3個(gè)部分完成對(duì)目標(biāo)圖像的采集，由圖像處理系統(tǒng)和目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)2個(gè)部分完成對(duì)目標(biāo)圖像的定位。本發(fā)明以SOPC控制為中心，利用圖像傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信息傳輸借口技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、FPGA的時(shí)序控制技術(shù)和基于FPGA的圖像匹配技術(shù)，綜合集成，實(shí)現(xiàn)貼片機(jī)的目標(biāo)快速定位，如圖9所示，圖中，1-芯片，2-基底，3-對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作臺(tái)。
2、成像系統(tǒng)
在視覺(jué)成像子系統(tǒng)中，主要CPLD與圖像傳感器組成，系統(tǒng)利用圖像傳感器進(jìn)行圖像采集，采用ALTERA的低成本CPLD為時(shí)序控制與圖像傳感器驅(qū)動(dòng)核心，使用硬件描述語(yǔ)言在QUARTUSII6.5開發(fā)環(huán)境中對(duì)圖像傳感器及模擬前端驅(qū)動(dòng)時(shí)序，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行同步行采樣控制。本發(fā)明可使圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)在FPGA技術(shù)的支持下可實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)圖像處理和識(shí)別，并行處理程度高。可實(shí)現(xiàn)識(shí)別系統(tǒng)的高速處理，集成度高，硬件電路簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用大量分立元件的繁瑣方式。為保證調(diào)試的方便和設(shè)計(jì)的可靠性，圖像采集部分的相對(duì)獨(dú)立模塊式設(shè)計(jì)，為各系統(tǒng)的研究創(chuàng)建了的實(shí)驗(yàn)研發(fā)平臺(tái)和方便系統(tǒng)分組升級(jí)。
3、照明系統(tǒng)
光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地增加對(duì)比度。同時(shí)還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不影響成像的質(zhì)量。貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)對(duì)光源的形狀也采用多元化的組合方式，主要采用環(huán)形光源、條形光源和同軸光源等三種LED光源組合方式。根據(jù)元件封裝形式的不同，采用不同的照射條件。貼片自適應(yīng)光源系統(tǒng)中采用可編程控制的LED光源，也就是根據(jù)不同的目標(biāo)物選擇不同的照明方式，相當(dāng)于同時(shí)有幾個(gè)光源可以照射到目標(biāo)，這樣可以達(dá)到對(duì)每種元件都能夠采集到足夠?qū)Ρ榷群颓逦膱D像。主要用到的方式有背面照射、正面照射和側(cè)面照射三種。
4、圖像處理系統(tǒng)
圖像處理系統(tǒng)首先進(jìn)行圖像的降噪處理。本發(fā)明圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中值濾波器由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，中值濾波既能消除圖像中的噪聲，而且還能較好地保持圖像的邊緣。首先借構(gòu)建一個(gè)三值排序的方法，作為后端圖像處理排序的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際處理速度、處理效果和器件資源要求，本發(fā)明選用的是3 X 3鄰域窗口。
圖像處理系統(tǒng)其次進(jìn)行圖像的增強(qiáng)處理。本發(fā)明采用的是Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行邊沿檢測(cè)，并在應(yīng)用時(shí)做了適當(dāng)?shù)男薷摹obel算子得到的結(jié)果是對(duì)水平和垂直方向的響應(yīng)最大。由于圖像在邊緣附近會(huì)出現(xiàn)灰度上的突變，本系統(tǒng)利用Sobel邊緣檢測(cè)方法，通過(guò)考察圖像某像素在其領(lǐng)域內(nèi)水平和垂直方向上的灰度變化，然后利用一階導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)邊緣。
5、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)
圖像處理最后依一部分是目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包含三大核心部分:建立樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)、待識(shí)別圖像的規(guī)格化和匹配處理。本系統(tǒng)是針對(duì)性很強(qiáng)的識(shí)別系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)有著特別的要求，特別是在識(shí)別速度方面要求很高。圖像特征表述是以顏色、形狀、紋理和空間關(guān)系等為主要的特征，還有統(tǒng)計(jì)特征和結(jié)構(gòu)特征。
匹配標(biāo)準(zhǔn)模板特征提取，首先經(jīng)過(guò)必要的圖像處理，強(qiáng)化圖像特征，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的目的是使待識(shí)別的圖像和標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配特征相適應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)模板都為二值圖像模板(字符為I像素，背景為O像素)，同時(shí)待識(shí)別的圖像也是字符像素為1，背景像素為O的二值圖像，相似度作為判據(jù)準(zhǔn)則。
識(shí)別系統(tǒng)樣本特征庫(kù)，通過(guò)樣本采集與特征提取建立后，作為系統(tǒng)的一個(gè)穩(wěn)定的匹配模板庫(kù)。待識(shí)別的圖像，首先判斷目標(biāo)的基本信息，不同的對(duì)象調(diào)用不同的匹配模板，并確定相似度的計(jì)算位數(shù)。圖像匹配是點(diǎn)與點(diǎn)匹配的過(guò)程，系統(tǒng)采用FPGA的異或門實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)的匹配，建立一個(gè)與圖片像素大小相同的異或門矩陣，便可一次性完成圖像的匹配過(guò)程，本系統(tǒng)稱該矩陣為匹配矩陣。相似度計(jì)算模塊的主要組成部分是位加法器，將匹配矩陣的輸出累加起來(lái)，既為模板與待識(shí)別圖像的相似度，其自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)如圖10所示。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)，其特征在于:由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和SOPC控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成，以SOPC控制系統(tǒng)為中心，將各系統(tǒng)聯(lián)系在一起，照明系統(tǒng)為貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)，成像系統(tǒng)利用圖像傳感器直接采集物體表面圖像，輸出圖像數(shù)據(jù)連接至圖像采集系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)讀取圖像數(shù)據(jù)輸出連接至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，輸出連接至目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的成像系統(tǒng)由CPLD與圖像傳感器組成，兩者之間的接口主要包括電源線、地線、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)、垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)和像素同步信號(hào)線，CPLD與圖像采集系統(tǒng)之間的接口包括擴(kuò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總線、控制信號(hào)線、電源線、地線和輸入輸出端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)，其特征在于:所述照明系統(tǒng)的貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)為環(huán)形光源、條形光源和同軸光源三種LED光源的組合。
4.一種基于FPGA的貼片機(jī)快速定位方法，其特征在于:具有成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像米集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和SOPC控制系統(tǒng)，以SOPC控制系統(tǒng)為中心，將各系統(tǒng)聯(lián)系在一起；照明子系統(tǒng)由各類光源、光源控制器和照明方案組成，負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像處理系統(tǒng)發(fā)出的指令，并根據(jù)指令調(diào)速光源組合形式；成像系統(tǒng)利用圖像傳感器直接采集物體表面圖像，然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸給圖像采集系統(tǒng)；圖像采集系統(tǒng)完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)緩存器FIFO的讀取，通過(guò)獲得圖像同步信號(hào)向DSP系統(tǒng)發(fā)出中斷信號(hào)；圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行降噪與增強(qiáng)的同步流水線處理；然后輸出連接至目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)以圖像匹配為基礎(chǔ)，把目標(biāo)識(shí)別定位轉(zhuǎn)化為圖像匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位方法，其特征在于:所述的照明系統(tǒng)為貼片機(jī)自適應(yīng)光源，采用環(huán)形光源、條形光源和同軸光源三種LED光源組合方式，所述的LED光源采用可編程控制的LED光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位方法，其特征在于:所述的圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理為:采用統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，中值濾波器由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)；所述的對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理為:采用基于微分的細(xì)節(jié)銳化濾波器對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理，并采用Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行邊沿檢測(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位方法，其特征在于:所述的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)包含三大核心部分:樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、待識(shí)別圖像的規(guī)格化處理和匹配處理；建立樣本圖像數(shù)據(jù)庫(kù)主要是特征提取，將待識(shí)別的圖像變換成與樣本圖像相匹配的規(guī)格；匹配處理是比較樣本圖像與待識(shí)別圖像之間的特征相似度、完成匹配算法的過(guò)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于FPGA的貼片機(jī)快速定位方法，其特征在于:所述的SOPC控制系統(tǒng)，以ARM為基礎(chǔ)對(duì)各部分進(jìn)行集中管理，不依賴計(jì)算機(jī)，獨(dú)立完成全系統(tǒng)的程序同步控制。
全文摘要
一種基于FPGA的貼片機(jī)快速定位系統(tǒng)及方法，由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和SOPC控制系統(tǒng)六個(gè)部分組成，以SOPC控制系統(tǒng)為中心，將各系統(tǒng)聯(lián)系在一起，照明系統(tǒng)為貼片機(jī)自適應(yīng)光源系統(tǒng)，成像系統(tǒng)利用圖像傳感器直接采集物體表面圖像，圖像采集系統(tǒng)讀取圖像數(shù)據(jù)輸出連接至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，輸出連接至目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)。本發(fā)明建立了一套面對(duì)貼片機(jī)自適應(yīng)光源的圖像采集系統(tǒng)和數(shù)字處理平臺(tái)，圖像采集處理系統(tǒng)以FPGA為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的高速處理和目標(biāo)識(shí)別，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和定位精度，降低了設(shè)備的成本和復(fù)雜程度。
文檔編號(hào)H05K3/30GK103140049SQ20111039809
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者周立波, 劉合安 申請(qǐng)人:湖南城市學(xué)院