DM6437视觉非接触测量平台的设计与应用

Sup． 工程与试验 ENGINEERING ＆ TEST Mfir．2O13DM 6 4 3 7视觉非接触测量平台的设计与应用刘 阁(北京时代之峰科技有限公司，北京 100085)摘 要：视觉检测技术作为一种新型的测量手段，具有很多其他测量方法所无可比拟的优点，因而被广泛应用于仪器仪表领域。采用 DSP完成对图像信息的采集和分析处理，大大提升了产品的智能化水平和集成度。本文在详尽地介绍了以DM6437为核心的硬件视觉平台基础上，论述了应用该平台所开展的自动对焦、硬度压痕 自动识别测量的研究工作。作为智能化水平的象征 ，论文采用爬山法，通过建立评价函数 ，自动搜索图像的正焦位置，取得了较好的视觉效果。作为一项产品功能需求，论文采用梯度统计剔除和聚类分析相结合的算法，较好地将硬度压痕与背景信息相剥离，从而实现自动测量的 目的，并给出了详细系统标定的测量结果。为了提高有效测量精度 ，论文的最后一部分介绍了基于OV2640传感器研制高分辨率测量平台的工作成果。

关键词 ：DM6437；硬度压痕测量 ；自动对焦中图分 类号 ：TH87 文献标识码 ：B doi：10．3969／j．issn．1674—3407．2013．z1．006Design and Application of DM 6 4 3 7 Non-contact M easurement PlatformI iu Ge(Beijing TIME High Technology Ltd．Beijing 100085，China)Abstract：As a new measurement method，the visual test technology is widely used in the instru—ment field．The hardware design of visual measurement platform based on DM6437 iS introducedin this paper．The research about autofocus，hardness indentation measurement，0V2640 CM oSiS elaborated in detail．As the symbol of intellectualized level，the platform uses the arithmetic ofmountain climbing to search the best focusing position．As an important function of product，themethod of gradient statistics combined with clustering analysis are used to separate the hardnessindentation from the background．As a new CM OS sensor，0V2640 iS used in order to ireprovethe precision of the platform．At the same time，the satisfactory result and data are received.

Keywords：DM 6437；hardness indentation measurement；autofocusl DM6437视觉非接触测量平台的设计非接触视觉测量方法作为一种新型的物理测量手段 ，具有定位准、精度高 、响应速度快等特点 ，被广泛应用于仪器领域Ⅲ。一个完整的视觉测量系统一般包括固定配置的成像光路、图像信息的传感、采集、处理 、输出显示几个主要部分 ，如图 1所示。

光源[收稿日期] 2012—12—10[作者简介] 刘 阁(1978一)，硕士，高工，从事仪器仪表 自动化领域的研制开发工作。

图 1 测量系统组成刘 阁 ：DM6437视觉非接触 测量 平台的设计与应用视觉测量系统的基本原理 ]：首先 ，根据被测量目标的光反射特性设计适合的光源和成像光路。光源可以是普通 白光源 ，也可以是半 导体激光这样 的特殊光源。图像信息由CCD传感器拍摄后送入图像采集平台 ，采集平 台一方面对 CCD的视频信号进行解码显示 ，另一方面针对当前 图像 的灰度或者色差信号进行分析处理。整个系统中，图像采集处理平 台无疑是技术的关键 ，也是实现的主体 。

本文以 DM6437处理器 为核心设计 了视 频图像采集平台。DM6437是 TI公司的一款多媒体数字信号处理器 ，非常适用于智能视觉系统。其工作主频可达 594MHz，并且拥有独立的 EMIF和 DDR接 口，可以支持 NR、NAND型 FLASH，DDR接口兼容 162MHz工作时钟的DDR2闪存。

一 TVP5146 D2MhRit JlV丌 NORFLASH
图 2 图像 采集平台如 图 2所 示 ，主 板 上 采 用 2片 K4T5116QC16MX8X4Banks DDR，一 片 256MBit的 N0R 型FI ASH $29GL256。DSP上 电后将 FLASH 中用户程序加载入内存运行 。

DM6437有独立 的 VPSS(视频 处理 系统 )，包括 VPFE前端解码部件和 VPBE后端编码部件。

系统通过一片 TVP5146视频解码芯片获取 CCD传送的 PAL制信号。TVP5146将其解析成为 BT656格式数据后 由 VPFE进行接 收。图像数 据被存入0x84000000地址起始的DDR内存空间。为了达到显示 的需 要 ，VPBE 被 配 置 成 VGA 模 式 ，选 择DAC0、1、2三个通道作为 RGB分量输出。图像以VIDWindow0 做 显 示 背 景，显 存 起 始 位 置0x81000000。本文应用上 述平 台开展 了硬 度压 痕识别、自动对焦应用方向的一系列研究工作。

2 硬度压痕自动识别的研究与实现硬度压痕的自动识别和测量是硬度计产品非常关键的一项功能 ，它需要 由中心光源、环状光源配合成光组 ，光 源通过棱镜 均匀投射 到试验工件 表面 ，CCD通过长焦镜头拍摄压痕图像。具体如图3所示。

环 口
CCD 园 L_J
圈 3 硬度压痕识别测量原理结合被测试件压痕的影像背景，本文提出了算法模型。一般情况下 ，由于受被测件金属表面成像效果限制，往往图像处理中会面临如下几种情况：(1)根据应用场合不同，外部光强度有较大差异，压痕中心区域会出现反光的亮斑(可参见图 3)，且亮斑位置范 围不 确定。压痕 的对 比度也或强 或弱，这都给自动识别定位带来了困难。

(2)不同材质物体表面的粗糙度、光洁度、反射率不同，因此成像效果带有极大不确定性。受各种条件影响，金属表面会 出现锈斑和不规则的纹理，简单的分割剥离、边缘提取是远远不能满足处理要求的 。

综合上面的分析，可在测量方式上提出如下假设 ：测量压痕的中心应大致位于图像的中心；压痕应是当前图像的主体，压痕占全图的面积比例为 2O一 85 ；通过调节 中心光源和环状光源强度，压痕的成像效果应当与周围不仅有所区别，而且也具有一定的聚合度和刚性。

基于上面的假设 ，本文搭建 了压痕识别分析的处理框架。首先，对于原始图像 f(x， )的水平、垂直方向有梯度值[ ， ][3 ]：lf(x， )I一~／ 。+ 。 (1)其中，梯度fx一差，fy一 是四阶牛顿拟合二项式的一阶导，基于邻域 5×5十字窗口内建立齐次模型：AX—y，向量 X一[1，z ， z， 。，z ] r是像素的相对坐标，具体表达式为：oY／ax一(口o+a1．21+n2．322+n3z3+a4324) (2)一 般图像的边缘可以被认为是图像特征空间上的属性突变 。这种不连续的突变可以用导数形式进行检测 。对每个 梯度值 出现 的概 率 P(ei)进行 统计_6]。将 图像 的边 缘在 状态 空 间上 视 为两 部分[7 ]，且该状态空 间是离散的 ：￡一[e ，e ]，其 中，￡ 是可以反映真实变化规律的边缘位置，￡ 是不为视觉察觉可忽略的空 间干扰。

一 般情况下，景物的边缘往往聚集了一幅图像· 21 ·工程与试验中梯度结果最大的部分 ，基于这一前提条件 ，对当前图像的梯度值进 行判别 ，保 留 e 区间 内的梯度 位置，从而得到图像△f(x，．)，)。而后再对原始图像在灰度域内做分割，通过选取阈值 vt将灰度分为 2类d 、d，，O≤ ， ≤255。以 d 范围内均方差与 d，范围内均方差之和达到最小时的vt为阈值分割得到二值图像 厂 (z， )。

结合上述的论证，图像的边缘集合可以大致被分为 2大类 ：“dead区”、“live区”。live区周 围一定聚集着灰度分量较之邻域明显且变化剧烈的f(x， )。而dead区则又可以继续分成 2种情况的像素：一类灰度分量较高但较之邻域不突出，或许是阴影 ，或许是小 的散粒斑点 ；另一类灰度分量不突出同时邻域变化也不够明显。在进行检测过程中，只处理live区。厂(z，3，)对应 空间域的位置记为 (i)，取( )n ≠ 集合作为结果，记做△／(z， )。

通过上面的论述，系统初步处理 f(x， )后得到△ (z， )，再以形态滤波的形式对图像上微小斑点进行滤除 ，即通过像素之间相对位置的比对进行判断。一个像素如果满足邻域方向上连续出现足够数目的点相连时，则该点可以被认为是属于某一整体的集合；反之，如果相邻范围内不存在足够有效数量的点集合，则可以认为该点与周围不存在隶属关系。

设结构元素为A，求Af (z， )0A。如果在某一方向上△ 厂 ( ， )存在足够数量的有效值，则给予保留，否则摒除。其判断结构元素如图 4所示 。

圈 4 结 构 兀 景到此步骤 ，系统就初步得到了一个 能够反映压痕分布信息的 厂(z， )，压痕周边的无效信息也得到了一定的摒除。根据上面的预处理铺垫，开始对( ， )进行聚类分析 。依据试探聚类算法的基本理论，对像素空间样本 X一[z ，z ，．7E。， ?] 进行邻近分析。首先约定初始化分类中心 、 。。根据前面所述的假设，在实际运算中规定，类 的初始化位置为图像的中心点。以广(z，3，)为样本范围开始计算 。到达类∞ 的欧氏距离。算法规定，初始类距离阈值为 TD。大于距离阈值的样本可以从样本范 围内剔除或者不考虑。在循环判 断过程 中，随着∞ 类内的变化和样本数 目△K( )的变化，距离阈值 T 也应随之进行规则调整，故此需要建立提出类内距离阈值的判断式。其中△K(z )一K(-zi)一K(xH )，K(x )为第 i次循环类 内所包括 的样本数量，叼为调整系数。类内样本在不断 自动更新的过程中， 类 中心位置 受到类 内几何形 状分 布 的影响，也不断进行调整 。这样类 内的中心位置伴随着循环计算而不断更新，直至距离 阈值不再变化为止 。

图5示意了具体聚类处理后的效果。

(c)试 验效果 3图 5 聚类处理后的效果由上面的效果图可见，系统基本获取到 了压痕在视窗中最有效的信息集合，但集合内的像素样本分布依旧存在着较大不规则，需要用投影在划定区域内再做计算判断。假定压痕图像近似为一个圆形，那么可参照这个圆的分布位置与水平垂直投影的中心位置差异不断做出调整 。判别式如下 ：( )一 E划分像素数目( )一E投影范围内数量( ) (3)投影调整位置 i时 ，e(i)代表实 际与分布形状之间的误差值 ，随着 i不断搜索 ，以 e ( )位置为最终结果结束压痕范围的确定。为了获取更加可靠、可信的自动识别结果，每一次启动自动测量时，循环执行自动处理若干次，剔除执行结果中差异较大、过于离散的数据。将剩余正常的坐标再求均值输出。

依据 JJG 150—2005、GB／T 231．1—2002，使用上述平 台，配 以 CCD光学测量 头，对 2．5mm、5．0mm、10mm 直径布氏压头计量标准试块进行 自动和手动测量试验 ；测量范围 0．7～6mm；测量的硬度 范围 8～650HBW；最小测量分辨力 3．7btm。每一 个刘 阁 ：DM6437视觉非接触测量平 台的设计 与应用标准试块上选择 3个不 同的硬度压痕进行 手动、自动测量 。标定试块及 CCD光学测量头如图 6所示 。

图 6 标定试块及 CCD光学 测量 头1号镜头最大测量范围 6ram；标定系数1／84mm；测量结果如表 1所示。

表 1 1号镜头测量结果1 88HBW试验曲线200HBW试验曲线2号 镜 头 最 大 测 量 范 围 3mm；标 定 系 数1／153ram；测量结果如表 2所示。

表 2 2号镜头测量结果3号 镜 头 最 大测 量 范 围 1．5ram；标 定 系数1／273mm；测量结果如表 3所示 。

表 3 3号 镜头测量 结果试验结果曲线如图 7所示。

3 图像自动对焦功能的研究与实现为 了增强图像测量平 台的智能化水平和可操控性，系 统 专 门研 究 设 计 了 自动 对 焦 的功 能。

DM6437通过 PWM操纵电动位移升降平台自动调节垂直方向上的物镜工作距离 ，如图 8所示。

104HBW试验曲线367HBW试验『f}f线238HBW试验f}打线 192HBWi式验曲线图 7 试验结果 曲线· 23 ·工程与试验图 8 电 控 平 台 外 形一 个完整的自动对焦系统大致可 由 3个功能部分组成：聚焦评价函数的选取、搜索策略、控制方法。

聚焦评价 函数大致 又可 以分为 2类 ：基于空间域建立的评价 函数和基于频域建立的评价 函数 。大量的学术文献l9 提出了各种各样 的评价函数 ，其中常用的有近 2O种之多 ，如灰度差分法、梯度法、边缘检测法 、频域强度法等 。搜索策 略是在评价函数曲线上通过预测和搜索 的办法来查找最佳正焦位置的过程。自动对焦中常用的搜索方法有爬山法、菲波那契法 、二叉树法 ，3种方法中以爬山法最为简单 ，但较为笨拙。菲波那契法计算复杂一些，搜索方式的效率却较高 。并非所有 的硬件条件都适用菲波那契法 ，因为菲波那契法的推测方式必须建立在位移绝对对称相等的基础条件上。控制方法则完全要依赖于调焦的硬件情况 ，调焦的 目标 曲线可 以是减幅振荡的，也可以是无规则跳跃式的。

从光学角度分析，可将成像系统视为一个光传× 10· 24 ·递的积分环节，光组遵循光学传递函数，相当于一个低通滤波器，其截止频率与系统的模糊程度有关。系统离焦越大，截止频率就越低。故此从频域角度看：图像高频分量的丰富程度代表了细节信息的清晰程度。故此，基于频域角度将图像 f(x，_y)的傅里叶变换 F(u，口)设置一个高通滤波器 H(fo)，截止频率 _厂0，提取其高频能量作为清晰度评价依据，由下式表示 ：I IE—MAX』I E F(“， )·H r I I (4) Iu2+ = I J基于灰度变化的评价函数可用对 比度均方差或信息熵来描述，具体表示如下：Vk~-MAX{∑j (厂 )一万)} (5)式(5)中，k代表第 k帧图像，^ 表示第 k帧图像灰度均值， 表示搜索序列中的最大均方差。

，
N 、P 一MAX J∑P ·ln(P )l (6)li 0 j式(6)中，需要搜索的是当前图像最大信息熵 。

基于图像梯度能量的方法如下 ：M 。NP 一MAX』∑I V +V l I (7)【 ，J=0 J其中，V 、V 分别表示当前图像水平、垂直梯度。本文对上述评价函数分别做了测试，评价曲线如图 9所示 ，离焦图像序列见图 1O。从试验结果不难看 出，拉普拉斯评价衄线(图 9中的梯度能量和评价曲线)斜率变化最为陡直理想。

图 9 评价 函数 曲线 比较刘 阁：DM6437视觉非接触 测量平台的设计与应用图 l0 离焦 图像序 列针对经典搜索策略爬 山法[1 的缺陷，本文提 出了适应本系统的对焦模型。考虑如下几点因素 ：(1)计算单次图像评价焦点的时耗越是趋于零，则评价的实时性越强，与位置的关联性也就越强，计算精度也越高。故应充分考虑评价函数的计算量和复杂程度 。

(2)任何光电传感器都存在不均匀度，即使在极微小时间间隔下 ，相同视野里也不会有完全一致 的2幅图像。摄像镜头本身具有一定的景深，比较评价值过程中应充分考虑一定的冗余度。

根据上面 二点 和大 量试 验 的 比较，本 文采 用Sobel算子建立评 价函数 。鉴于 Sobel算 子在 自动对焦中的应用无论是文献还是在其他图像处理应用中均有大量阐述，这里不再赘述。为了进一步减少函数计算量，系统使用了“四个角区域十一个中心区域”的五区聚焦窗口来代表全图计算评价值。试验表明：经过大量优化后，完成单次评价值的计算时间不足 22ms。

假定初始镜头位置为 ，则 当前评价函数值为F(mo)。设 步 长值 ，若 F(m。一S。)≤F(m0)≤F( 。+S。)，则 正 向 单 调 递 增 ；若 F( 。+ )≤F(m。)≤F(m。一5。)，则反向单调递增。当找到位置rn 时，使式子 F(m 一so)≤F(rn )≤F(m +S0)成立，则得到最佳成像位置 m 。再借助式(8)对最佳位置结果进行补偿修正。

mp一巩+寺 (8)厶 “ 1 l a 2其中：d1一 F( )一 F(m 一 s) (9)d2一 F(m )一 F(m + s) (10)图 11是爬山过程 中的 自动对焦效果。

图 11 自动对 焦效 果4 基于 V2640传感模块的研制OV2640是 0MNIVISION公 司的一款 200万像素逐行扫描、低功耗 CMOS彩色光学传感芯片，镜头尺寸 1／4英寸[】 。最大输出分辨率：1600X1200(UXGA 模 式)。数 据格 式支 持 YUV、RGB、RAw DATA等方式。像元 面积 2．2fm×2．21m，核 电压 1．3V，外 围电压 2．8V。OV2640被广泛应用于手机 、监控 、探测领域(如图 12所示 )。

图 12 OV2640传感模块为了提 高测 量 系统 的物理 测量 精度 ，研制 了“DM6437+OV2640”高分辨率视觉测 量平 台。作为采集设备 DM6437的前端 ，VPFE功能非常强大 ，既可以通过解码芯片接收 BT656数据 ，又可以实现与 CMS的 “无 缝 连 接 ”，具 有 很 强 的 兼 容 性。

VPFE分 为 4个主要 部分 ：CCDC、PREVIEWER、RESIZER、H3A。CCDC负责实现 VPFE接 口的具体工作模式配置；PREVIEwER可实现原始图像数据在一定分 辨率 范围 内的预览；RESIZER可 以对1280×1024以下分辨率的图像进行任意尺寸的欠采样变形 ；H3A则是用于提供直方图分析和对焦评价分析功能的组件。

OV2640需要 3种工作 电压 ：模 拟电压 1．3V、数字电压 2．8V、IO接口电压。为了配合 VPFE的电气特性，IO电压被设置为 3．0V。此外，传感芯片还需要外接一个 24MHz的晶振做为主时钟。在结构方面，CMOS的靶 面应位于 暗室光圈 的正 中心。

为配合实际使用的需要，光圈的内螺纹配合了一个铜制的箍圈，用于安装 CS接 口标 准镜 头。镜头 的目距在 4～20mm范 围内可以 自由伸缩调节 。

系统启 动后 ，DM6437利用 SCCB总线来 完成对 OV2640寄存器的检测和初始化配置。一般情况下 ，OV2640如果以 YUV 方式输 出 UXGA 图像数据时 ，每秒 7．5帧 ，设计者只需关心亮度分量信息就可以了，同时将 VPFE的最大宽高也设置成为 1600×1200，逐行 扫描提 取 16位 YCbCr数据 。TI为DM6437提供 了一个平 台支持包 PSP，它几乎囊括了全部的硬件驱动。设计者使用时，需对其进行专· 25 ·工程与试验门的裁减修改即可组成独立用途的工程。由 PSP对 VPFE和 VPBE的基本结构进行配置L1 ]¨。

参考图13物像关系原理，采用 16mm定焦镜头进行试验 ，CMOS工作在 800×600模式下 ，使用刻度分划板标定参数为 1／72mm，在 1600×1200模式下 ，标定参数 1／148mm。不考虑光组 畸变 因素 ，可以计算得到当前测量系统的有效测量范 围为 ：垂直8．1cm；水平 i0．8cm，由此推算出当前光组的放大倍数为0．3556，测量平台的具体参数指标见表 4。

r＼＼ r／= 、LF 像F＼ P II P f，＼＼J h ．
图 l3 物像光路图表 4 测量 平台的参数指标参 数 指 标信噪比灵敏度动态范 围最大测量 范围像元 尺寸成像面积放大倍数有效视场物距40db0．6V／Lux．See50db10．8cm ×8．1cm2．2um × 2．2ptm3590~m × 2680~m0．35568cm> 5．6cm5 总 结本文较详细地论述了基于 DM6437非接触视觉测量平台所开展的一系列研究工作 。在介绍 了平台硬件架构的同时，论述了非接触测量的理论依据和实现手段。作为提高平台智能化水平的象征，文· 26 ·中介绍了如何采用爬山法对图像调焦结果进行评价搜索的自动对焦方案。在硬度压痕自动测量算法模型中，文中采用梯度统计剔除和聚类分析相结合的方法，较准确地将压痕范围从背景信息中剥离出来，并取得较满意的实用效果。为了从根本上提高测量的有 效 精 度 ，论 文 在 最 后 一 部 分 介 绍 了 使 用OV2640高分辨图像传感器 的研制成果。

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