摘 要： 提出了一種基于FPGA和線陣CCD的色選實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用線陣CCD對(duì)下落的大米進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)掃描,，通過(guò)FPGA對(duì)采集到的大米圖像信息進(jìn)行分析和處理,，識(shí)別出異色米粒，并通過(guò)分離裝置剔除不合格大米,。詳細(xì)介紹了硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及采用的色選算法,，該研究對(duì)高性能大米色選機(jī)的研制具有重要的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞： FPGA,；線陣CCD,；色選
隨著人民生活水平的逐步提高，人們對(duì)食品質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格,，這也促使越來(lái)越多的大型糧食加工企業(yè)為了提高谷物的外觀質(zhì)量,、食用品質(zhì)和商用價(jià)值，開(kāi)始注重糧食的加工品質(zhì),，不斷采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段來(lái)提高色選機(jī)的分選效率,，研發(fā)新的高科技色選機(jī)成為企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)的一種手段[1]。為此,，本文提出一種基于FPGA和線陣CCD的色選實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，利用FPGA的高并行性、高系統(tǒng)時(shí)鐘速率和靈活的可編程性,，配合高速線陣CCD作為色選圖像采集傳感器,，從而保證色選算法執(zhí)行電路的高速、高效,，為新一代色選機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
1 色選原理
色選機(jī)是利用光電原理,，從大量散裝產(chǎn)品中將顏色不正?；蚋腥静∠x(chóng)害的個(gè)體（球狀、塊狀或顆粒狀）以及外來(lái)雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)并分離的設(shè)備[2],，其原理圖如圖1所示,。被測(cè)物從喂料器進(jìn)入一定長(zhǎng)度的無(wú)損傳送帶，并被配送到各分選通道,，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后,，在各通道呈穩(wěn)定姿態(tài)進(jìn)入CCD傳感器的視野范圍?？梢酝ㄟ^(guò)改變圖中斜槽的傾斜程度,，調(diào)整被測(cè)物的下落速度。通過(guò)對(duì)CCD采集到的圖像的分析和處理，識(shí)別出顏色異常的被測(cè)物,，控制電磁閥在該目標(biāo)剛好運(yùn)動(dòng)到達(dá)噴嘴前的位置時(shí),，開(kāi)啟噴氣閥，改變?cè)撃繕?biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡,，使其落入廢料口,，而合格的繼續(xù)下落最后進(jìn)入成品收集口，從而實(shí)現(xiàn)合格品和不合格品的分離,。
2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
色選硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由外圍的CCD圖像傳感器,、電磁閥、CCD輸出信號(hào)處理電路和FPGA構(gòu)成,，如圖2所示,。線陣CCD接收光信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下進(jìn)行自掃描并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，輸出與光信號(hào)強(qiáng)度成正比的負(fù)極性電壓信號(hào),。CCD輸出信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后，在FPGA的控制下,，被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給FPGA,。FPGA利用其內(nèi)部的存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，再根據(jù)色選算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，判別出異色米粒,，然后根據(jù)異色粒的位置開(kāi)啟相對(duì)應(yīng)的電磁閥將其剔除[3-4]。在實(shí)際應(yīng)用中,，CCD圖像傳感器為多路,，每路CCD對(duì)應(yīng)1個(gè)分選通道，每個(gè)通道有多個(gè)槽,，每個(gè)槽對(duì)應(yīng)1個(gè)電磁閥,。
2.1 線陣CCD
選別率與選別速度是大米色選的兩個(gè)重要指標(biāo)，這就要求作為色選機(jī)核心部件之一的CCD數(shù)據(jù)輸出速率高,、分辨率高且成像質(zhì)量高,。鑒于此，選用日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的TCD1209D,，這是一款高速,、低暗電流的線陣CCD，為DIP22封裝形式的雙列直插型器件,，可用于傳真,、掃描和光學(xué)字符識(shí)別（OCR）等。該器件有效像素為2 048個(gè),，最佳工作頻率1 MHz,，最高驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)20 MHz[5],。
2.2 CCD信號(hào)處理電路
由于CCD 輸出信號(hào)包含有效的交流信號(hào)、直流分量和各種噪聲,，不便于系統(tǒng)傳輸,、存儲(chǔ)和處理。因此,，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,，抑制噪聲[6]。CCD信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)采用了前置放大加專(zhuān)用芯片的處理方式,。前置放大電路用來(lái)隔離前后級(jí)電路的相互影響,，同時(shí)提供較大的電流放大倍數(shù)；而專(zhuān)用芯片通過(guò)暗電平校正,、相關(guān)雙采樣等技術(shù)消除噪聲,。專(zhuān)用芯片采用PHILIPS公司的TDA9965，該芯片具有功能強(qiáng)大,、性能優(yōu)越及價(jià)格便宜等特點(diǎn),。利用TDA9965可對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行暗電平校正、相關(guān)雙采樣及A/D轉(zhuǎn)換等,，為FPGA要處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,。
2.3 FPGA
FPGA作為整個(gè)硬件裝置的核心，不僅需要產(chǎn)生CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制CCD圖像傳感器采集圖像信息,，還要對(duì)CCD輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制,，并利用其內(nèi)部的存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，再根據(jù)色選算法判別出異色米粒,，然后控制相應(yīng)的電磁閥將異色米粒剔除,。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA采用Cyclone III系列中的EP3C25E144C8,，它具有24 624 LEs,，66個(gè)M9K RAM blocks，RAM總?cè)萘窟_(dá)0.6 MB,， 適用于視頻幀緩沖,；還具有經(jīng)過(guò)預(yù)先優(yōu)化的視頻和圖像知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 內(nèi)核，可大大提高圖像處理的效能,。EP3C25E144C8有4個(gè)PLLs，144個(gè)引腳,，其中有82個(gè)用戶(hù)I/O,，采用EQFP四方扁平封裝[7]。利用EP3C25E144C8進(jìn)行設(shè)計(jì),，可以提高集成度和性能,，降低功耗,，讓產(chǎn)品及時(shí)面市，同時(shí)滿足低成本要求,。
2.4 電磁閥
采用美國(guó)MAC Valves公司的34C-ABB-GFSA-0BL型號(hào)的電磁閥,，其速度快、重復(fù)度高且環(huán)境耐受性強(qiáng),。
3 色選算法
采用線陣CCD傳感器和高速FPGA等新技術(shù)的色選硬件平臺(tái),，只能從一定程度上提高圖像采集的清晰度和數(shù)據(jù)處理的速度，要進(jìn)一步提高色選精度,，還需要開(kāi)發(fā)新的高效的色選算法,。
針對(duì)線陣CCD采集到的大米（被選物）的顏色信息，本文提出了一種從白米中選出微小異色點(diǎn)（主要是指深色點(diǎn),、微黃或黃色點(diǎn)及腹白點(diǎn)）大米的色選算法,。算法核心思想是以像素為單位對(duì)被選大米的顏色特征（灰度信息，即反射到CCD的光強(qiáng)大?。┻M(jìn)行統(tǒng)計(jì),、相互比較，從而確定合格大米的灰度閾值范圍,，將閾值范圍以外的像素點(diǎn)判斷為異色點(diǎn),，再根據(jù)米粒的異色程度確定米粒是否合格。下面詳細(xì)介紹所采用的色選算法,。
3.1 算法公式中的符號(hào)說(shuō)明
Ai（t）表示i處像素在t時(shí)刻（當(dāng)前時(shí)刻）的光強(qiáng)值（或灰度值）,；BGi（t）表示i處像素在t時(shí)刻（當(dāng)前時(shí)刻）對(duì)應(yīng)的背景灰度值，t=0時(shí)表示初始背景,；AH（t）和AL（t）分別是當(dāng)前時(shí)刻用于判別像素灰度值是否合格的上限閾值和下限閾值,。
3.2 初始背景值計(jì)算
由于受周?chē)庠磸?qiáng)度變化的影響，背景的圖像信息也會(huì)相應(yīng)變化,，為了使背景信息能保持相對(duì)穩(wěn)定,，在每一次色選前，先多次采集背景灰度值,，取其平均值作為初始時(shí)刻的背景,。這里的平均是以像素為單元，即每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)平均運(yùn)算后的背景光強(qiáng)值,，表示為：
在算法的實(shí)際應(yīng)用中,，背景和被測(cè)物的信息是不斷變化的，為了使色選算法能夠適應(yīng)這些變化,，算法的設(shè)計(jì)中還應(yīng)當(dāng)考慮閾值的不斷更新,。
3.5 異色點(diǎn)判別
在得到了色選判別所需的上限閾值和下限閾值后，對(duì)輸入數(shù)據(jù)Ai（t）,，若滿足Ai（t）<AL（t-1）或滿足Ai（t）> AH（t-1）,，則可判別Ai（t）對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)為異色點(diǎn),。
3.6 異色米粒的判別
由于被測(cè)米粒受到周?chē)饩€等因素的影響，異色點(diǎn)的判別可能會(huì)有失誤,，因而不能因?yàn)榕既怀霈F(xiàn)的異色點(diǎn)信息就判定該被測(cè)米粒為異常,，而需要給出對(duì)被測(cè)米粒的總體評(píng)價(jià)規(guī)則。把大米上所有異色點(diǎn)占總點(diǎn)數(shù)的比例作為該米粒的異色程度,，當(dāng)該米粒的異色程度大于某個(gè)規(guī)定值時(shí),，才認(rèn)定該大米為異色米，進(jìn)行剔除,。
本文介紹的用于大米色選的線陣CCD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在FPGA技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)了高速度和高精度,，實(shí)驗(yàn)證明，其可實(shí)現(xiàn)米粒的“即落即判”,，非常適合在線檢測(cè)的應(yīng)用,，對(duì)于提高糧食加工行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有重大意義,。經(jīng)測(cè)試,，電路運(yùn)行良好，可以達(dá)到設(shè)想的要求,，具有一定的實(shí)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 秦鋒，阮競(jìng)蘭．谷物色選機(jī)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．糧食加工,，2011,，36（2）：51-53．
[2] BAYRAM M， ?魻NER M D. Determination of applicability and effects of colour sorting system in bulgur production line[J]. Journal of Food Engineering,， 2006 （74）：232-239.
[3] 尹亮．CCD智能相機(jī)圖像采集硬件平臺(tái)的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),，2008．
[4] 叢昊．色選數(shù)據(jù)采集及傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008．
[5] TOSHIBA. TCD1209D datasheet[Z]． 1999．
[6] 鄭力新,，周凱汀,，劉玉玲．CCD色選機(jī)信號(hào)處理與控制技術(shù)的研究[J]．糧食與飼料工業(yè)，2011（1）．
[7] Altera Corporation. Cyclone III Device Handbook[Z]． 2010．