基于ARM11的墻地磚色差檢測(cè)裝置研究

王永強(qiáng)，李慶利

（唐山學(xué)院a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系；b.機(jī)電工程系，河北唐山063000）

基于ARM11的墻地磚色差檢測(cè)裝置研究

王永強(qiáng)a，李慶利b

（唐山學(xué)院a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系；b.機(jī)電工程系，河北唐山063000）

研究了一種基于ARM11處理器、采用塔形聚類算法和歐式距離公式進(jìn)行色差測(cè)量的墻地磚色差檢測(cè)裝置，它采用CMOS攝像頭進(jìn)行圖像采集，軟件用的是Linux操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能滿足墻地磚色差的非接觸式檢測(cè)。

墻地磚；色差檢測(cè)；ARM11

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，尤其對(duì)陶瓷墻地磚色差檢測(cè)裝置需求更為迫切。目前，墻地磚色差主要由有經(jīng)驗(yàn)的工人用肉眼進(jìn)行分析識(shí)別，存在受人為因素影響、效率較低的缺點(diǎn)。如何提高檢測(cè)效率、提高檢測(cè)質(zhì)量，是墻地磚檢測(cè)面臨的難題。開發(fā)低成本、小型化、處理能力強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、容易擴(kuò)展的墻地磚質(zhì)量檢測(cè)裝置具有重要意義。因此本研究設(shè)計(jì)了一種采用ARM11作為系統(tǒng)處理器的墻地磚檢測(cè)裝置，能很好地滿足上述條件，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 檢測(cè)裝置組成

本檢測(cè)裝置主要由ARM11處理器、CMOS攝像頭、圖像采集卡、LCD顯示屏和外設(shè)組成。使用ARM11處理器對(duì)采樣于CMOS攝像頭的墻地磚圖像進(jìn)行預(yù)處理及色差檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果提供給具有人機(jī)接口的LCD顯示屏［1］，實(shí)現(xiàn)了脫離PC機(jī)的非接觸式檢測(cè)。本檢測(cè)裝置組成如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置組成框圖

2 硬件與軟件的選擇

本檢測(cè)裝置選擇ARM11處理器，并且使用三星公司的S3C6410芯片。因?yàn)镾3C6410芯片是基于16/32bitRISC的內(nèi)核，采用64/32bit內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，集成了多個(gè)功能強(qiáng)大的硬件加速器，能夠?qū)D像進(jìn)行快速處理，并且是一種低成本、低功耗、高性能的解決方案。鑒于S3C6410的以上特點(diǎn)，本裝置選擇它為處理器的主芯片。

采用基于CMOS的USB接口攝像頭進(jìn)行圖像采集。目前CMOS攝像頭分辨率和CCD攝像頭分辨率相差無幾，而且成本低，圖像采集效果能夠滿足檢測(cè)要求。攝像頭采用中星微30IP－L芯片，這款芯片的特點(diǎn)是內(nèi)含數(shù)字?jǐn)z像IC接口、DRAM接口、實(shí)時(shí)圖像壓縮引擎、USB接口、FIFO等條件與功能，分辨率高達(dá)130萬像素，動(dòng)態(tài)視頻分辨率最高為640＊480像素，輸出幀速度最高為30幀/s。

選擇Linux操作系統(tǒng)，以O(shè)penCV/embeded為開發(fā)工具，進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。Linux以其獨(dú)特的特性，在圖像檢測(cè)領(lǐng)域己經(jīng)有了一段時(shí)間的應(yīng)用，它可以針對(duì)不同硬件設(shè)備進(jìn)行圖像提取與處理。OpenCV是一個(gè)開源性的計(jì)算機(jī)視覺函數(shù)庫，最開始由Intel開發(fā)出來，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)跨平臺(tái)的函數(shù)庫，支持OpenCV的平臺(tái)包括Windows，Linux，MacOSX以及一些嵌入式操作系統(tǒng)。OpenCV/embeded是面向嵌入式系統(tǒng)的，故本裝置使用它為開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)色差檢測(cè)。

3 墻地磚色差參數(shù)及算法實(shí)現(xiàn)

3.1 色差測(cè)量過程

將采集到的原始圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，通過對(duì)幾種邊緣檢測(cè)算子的實(shí)驗(yàn)，比較最后效果及執(zhí)行速度。本系統(tǒng)采用candy邊緣檢測(cè)算子，根據(jù)人類視覺心理特征，每條邊向內(nèi)20像素進(jìn)行裁切，提取墻地磚的顏色特征值，并依據(jù)相應(yīng)公式將待測(cè)墻地磚和標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行色差計(jì)算，并將色差計(jì)算結(jié)果輸出。色差檢測(cè)算法流程如圖2所示。

圖2 色差檢測(cè)算法流程

在對(duì)兩幅圖像進(jìn)行色差度量時(shí)，常把圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到La＊b＊空間［2］，然后利用歐式距離公式（1）進(jìn)行色差測(cè)量，其中ΔE表示色差，ΔL表示兩像素點(diǎn)L的差，Δa表示兩像素點(diǎn)a分量的差，Δb表示兩像素點(diǎn)b分量的差。但由于像素點(diǎn)數(shù)目眾多，計(jì)算數(shù)據(jù)量大，執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，因此需要提取圖像特征來進(jìn)行描述。本文引入了塔形FCM聚類（PFCM）算法。

3.2 塔形FCM算法原理

FCM算法應(yīng)用很廣，常用于圖像分割。其基本思想是把n個(gè)樣本向量xi（i＝1，2，…，n）分成c個(gè)模糊簇，并求得每個(gè)簇的聚類中心，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，F(xiàn)CM的目標(biāo)函數(shù)定義為

為使Jm（U，P）達(dá)到最小，隸屬度μik和聚類中心vi按公式（4）和（5）進(jìn)行更新。在更新μik時(shí)，按dik是否有0值分兩種情況定義Ik和珔Ik。Ik＝｛i｜1≤i≤c，dik＝0｝，I珔k＝｛i｜1，2，3，…，c｝－Ik，使得μik值為

對(duì)一幅墻地磚圖像來講，假定本層有M×N個(gè)像素點(diǎn)，則高一層圖像大小為（M/2）×（N/2）。在構(gòu)造高一層圖像時(shí)，首先將本層圖像分為（M/2）×（N/2）個(gè)單元，然后，將每個(gè)單元內(nèi)的4個(gè)像素的顏色平均值作為高一層圖像對(duì)應(yīng)位置的顏色值，逐層構(gòu)建塔型結(jié)構(gòu)。使用塔型FCM聚類算法流程［3］為：

步驟1：為原圖像構(gòu)造塔型結(jié)構(gòu)，設(shè)總層數(shù)為N；

步驟2：用合適的初始化方法對(duì)最頂層（N層）圖像的聚類中心初始化，令K＝N；

步驟3：對(duì)第K層圖像進(jìn)行FCM聚類；

步驟4：若K＝1，轉(zhuǎn)步驟7，否則轉(zhuǎn)步驟5；

步驟5：用第K層聚類中心作為第K－1層圖像的初始化聚類中心；

步驟6：令K＝K－1，轉(zhuǎn)步驟3；

步驟7：輸出聚類結(jié)果，結(jié)束。

3.3 特征色差測(cè)量

將塔形FCM聚類得到兩幅圖像的關(guān)聯(lián)度，由RGB空間轉(zhuǎn)換到La＊b＊空間，并利用公式（1）進(jìn)行色差計(jì)算。目前各國(guó)通用的顏色檢測(cè)方式是CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）的顏色標(biāo)準(zhǔn)。人的視覺色差與分光光度計(jì)檢測(cè)的數(shù)字色差（ΔE）存在以下的關(guān)系，見表1。

表1 CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）的顏色標(biāo)準(zhǔn)

2006年9月1日新版《陶瓷磚試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施，相對(duì)于1999年出版的老國(guó)標(biāo)，色差、起拱等瓷磚容易發(fā)生的質(zhì)量糾紛在新國(guó)標(biāo)中都有了詳細(xì)的參照指標(biāo)，如對(duì)色差的規(guī)定為：距離墻地磚3m處目測(cè)不明顯［4］。但這是一個(gè)比較模糊的概念，無定量指標(biāo)和測(cè)定方法，且也沒有給出示例。新國(guó)標(biāo)中指出，單色釉面磚常規(guī)的色差值為0.75，數(shù)值越大則代表色差越大。但由于人類視覺特點(diǎn)，把色差控制在1.5以下，人眼基本感覺不到色差存在。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

抽取600mm×600mm的正方形彩色墻地磚9塊，編號(hào)從001－009，如圖3所示，以004作為標(biāo)準(zhǔn)樣本，使用本裝置進(jìn)行色差分級(jí)。結(jié)果如表2所示。

圖3 獲取的彩色墻地磚圖像

表2 色差測(cè)量結(jié)果

由表2可知，編號(hào)為004的墻地磚與編號(hào)為001，005，009的墻地磚的色差值都小于1.5，根據(jù)人類視覺心理特點(diǎn)，可以認(rèn)定色差相同。并且，讓熟練工人進(jìn)行目測(cè)分選，和裝置測(cè)量結(jié)果一樣。大量實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用本裝置進(jìn)行色差檢測(cè)與人眼視覺效果吻合度良好。檢測(cè)速度可以達(dá)到2塊/s，在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下，也大大提高了檢測(cè)效率。

5 結(jié)論

本文研究了基于ARM11的墻地磚色差檢測(cè)裝置，分析了該裝置的整體結(jié)構(gòu)、工作原理，提出了一種基于塔形FCM聚類分析和色差公式進(jìn)行色差檢測(cè)的算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置具有穩(wěn)定性好、分類結(jié)果準(zhǔn)確、運(yùn)行速度快、便攜性高的特點(diǎn)，可以用于實(shí)現(xiàn)彩色墻地磚非接觸色差檢測(cè)。

［1］ 莊志紅，伍峰.基于ARM微控器LPC2132嵌入式球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，10（下）：92－93.

［2］ 劉浩學(xué).CIE均勻顏色空間與色差公式的應(yīng)用［J］.北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，11（3）：4－8.

［3］ 劉尊洋，王自榮.塔型FCM和CIEDE2000的仿造迷彩主色提取方法［J］.紅外與激光工程，2010（4）：68－69.

［4］ 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.陶瓷磚試驗(yàn)方法（GB/T3810.2－2006）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

（責(zé)任編校：李秀榮）

Ceramic Tile Chromatism Detecting Device Based on ARM11

WANG Yong－qianga；LI Qing－lib

（a.Department of Computer Science and Technology；b.Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China）

The ceramic tiles chromatism detecting device based on ARM11processors has been researched.By the way of the telescoping clustering method and the euclidean distance method，the device can detect chromatism.The CMOS cameras are selected to capture the images.This software operates in the Linux environment.The results show that the device can meet the non－contact chromatism detect.

ceramic tiles；chromatism detect；ARM11

book=40,ebook=40

TP391.77；TQ174.76

A

1672－349X（2012）03－0087－03

2011－12－20

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（11215640）；唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（11110210B－6－6）

王永強(qiáng)（1980－），男，河北唐山人，講師，碩士，主要從事圖像處理及色差檢測(cè)研究。