基于兩級(jí)微處理器的金屬表面圖像三維形貌重構(gòu)顯示儀設(shè)計(jì)

柴西林，邵照勇

（1.西北師范大學(xué)知行學(xué)院，蘭州730070；2.中國石油蘭州石化分公司電儀事業(yè)部，蘭州730060）

0 引言

在工業(yè)現(xiàn)場通常是憑肉眼或者低倍率放大的方式觀測金屬表面，實(shí)際上看到一幅平面圖像的二維尺寸，卻丟失（聚縮）了該表面垂直方向的第三維深度信息[1-2]。而金屬表面質(zhì)量的檢驗(yàn)在金屬材料制品行業(yè)具有舉足輕重的地位，其表面質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量，例如：表面切削層的粗糙度，表面處理層的薄厚、均勻度及其光亮度，特別是金屬表面缺陷的定性分析與定量檢測，直接關(guān)系到制件合格與否，影響到產(chǎn)品壽命與早期失效[3-4]。本設(shè)計(jì)將軟硬件技術(shù)相結(jié)合，利用數(shù)字圖像表面的灰度差與高度的映射關(guān)系，構(gòu)建表面層的三維形貌，首先在MATLAB 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)建模仿真，驗(yàn)證理論模型，然后結(jié)合嵌入式芯片、單片機(jī)、矩陣鍵盤和液晶顯示等模塊，將圖像二維到三維的計(jì)算過程和圖像處理過程完美的在硬件設(shè)備上展示出來。本設(shè)計(jì)的實(shí)際意義在于補(bǔ)充了傳統(tǒng)的表面質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)，分析生產(chǎn)中出現(xiàn)的金屬材料不同加工制件的表面質(zhì)量，面對(duì)多種多樣金屬表面二維形貌的圖像，克服了現(xiàn)今僅僅以二維形貌檢驗(yàn)表面質(zhì)量的主觀性與片面性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案采用“MATLAB+FPGA+SPCE061A+單色LCD”。首先通過MATLAB 軟件進(jìn)行理論模型的仿真驗(yàn)證，若結(jié)果較理想，設(shè)計(jì)各硬件模塊，主要功能包括：①FPGA 處理器：從外部存儲(chǔ)器中讀入圖像，將普通圖片轉(zhuǎn)換為二維灰度圖像，將圖像信息轉(zhuǎn)變成特定的二進(jìn)制編碼并存入RAM62256 中；②RAM62256 存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)二維灰度圖像的編碼，等待SPCE061A 微處理器讀取；③SPCE061A 微處理器：整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制部分，控制12864 液晶的顯示，將圖形編碼傳給液晶；完成菜單界面的控制；從鍵盤上讀取人工輸入命令；④鍵盤：將人工的命令輸入微控制器處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

2 表面三維形貌重構(gòu)原理及仿真

2.1 圖像表面灰度-高度關(guān)系

本設(shè)計(jì)基于數(shù)字圖像技術(shù)構(gòu)建金屬表面層三維宏觀形貌的方法[5]，利用金屬表面圖像灰度值～金屬表面凸凹層高度值的映射關(guān)系式及映射關(guān)系曲線f（x,y）～h，如圖2 所示。

其中，f（x,y）是金屬表面圖像的灰度值，h 是金屬表面層凸凹的高度值，k 為比例常數(shù)，且取值決定于金屬材料，材料不同k 值隨之發(fā)生變化。將上述關(guān)系模型在MATLAB 中進(jìn)行仿真，選擇圖像中用戶感興趣的區(qū)域，視其灰度反差度及灰度層次的優(yōu)劣，選擇是否需要進(jìn)行灰度直方圖規(guī)定化及灰度插值的預(yù)處理，根據(jù)表面灰度值-表面凹凸高度值的映射關(guān)系及映射關(guān)系曲線計(jì)算出第三維高度值h，然后實(shí)現(xiàn)三維相貌重構(gòu)[6-8]；接著用C 語言和匯編語言將上述關(guān)系式編寫成接口函數(shù)，使其能夠在FPGA 主控芯片上運(yùn)行；最后將主控芯片和第二級(jí)處理器單片機(jī)及外圍設(shè)備連接（液晶、鍵盤、攝像頭、存儲(chǔ)器），形成完整的三維圖像形貌重構(gòu)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 圖像灰度-高度值關(guān)系曲線

2.2 MATLAB仿真結(jié)果

根據(jù)上述圖像表面灰度-高度關(guān)系，在MATLAB軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)表面三維重構(gòu)的計(jì)算與仿真。圖3 是鋼件橫截面樣品上分布的龜裂（2%硝酸酒精侵蝕）；圖4是按圖3 灰度圖像構(gòu)建的三維形貌，可以看出裂縫的裂口比較尖銳，有的裂縫溝槽并不深，可能是磨制樣品過程中出現(xiàn)的新裂紋，因此材料的脆性相當(dāng)大。

圖3 鋼件橫截面樣品

圖4 按圖3灰度圖像構(gòu)建的三維形貌效果

3 主要硬件模塊

系統(tǒng)的硬件主要由FPGA 處理器、RAM 存儲(chǔ)器、SPCE061A 微處理器、SPLC501 液晶顯示模塊、矩陣鍵盤、電源模塊組成。

圖5 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖

FPGA 芯片為Cyclone TM EP1C3T144C6，Cyclone現(xiàn)場可編程門陣列，基于1.5V、0.13um 及全銅SRAM工藝，其密度增加至20060 個(gè)邏輯單元（LE），RAM 增加至288Kb。它具有用于時(shí)鐘鎖相環(huán)以及DDR SDR和快速周期RAM（FCRAM）存儲(chǔ)器所需要的專用雙數(shù)據(jù)率（DDR）接口等。Cyclone 器件支持多種I/O 標(biāo)準(zhǔn)，包括640Mbps 的LVDS，以及速率為33MHz 和66MHz、數(shù)據(jù)寬度為32 位和64 位的PCI。

SPCE061A 單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要包括輸入/輸出端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和復(fù)位等部分，并且內(nèi)置在線仿真電路ICE 接口，較高的處理速度使其能夠快速的處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。SPCE061A 有2K 字的SRAM（包括堆棧區(qū)），其地址范圍從0x0000 到0x07FF。SPCE061A 是一個(gè)用閃存替代掩膜ROM 的MTP（多次編程）芯片，具有32K 字（32K×16bit）閃存容量。用戶可用閃存來存儲(chǔ)用戶程序。

SPLC501 液晶顯示模組為128×64 點(diǎn)陣，面板采用超扭曲向列技術(shù)制成并且由128 Segment 和64 Common 組成，LCM 非常容易通過接口被訪問。

鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預(yù)的主要手段。最常使用的是非編碼鍵盤，只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用CPU較多時(shí)間。

圖6 輸入的表面二維圖片

4 軟硬件聯(lián)合調(diào)試及結(jié)果測試

系統(tǒng)經(jīng)過MATLAB 軟件仿真、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作、控制程序的編寫和調(diào)試、芯片的接口互聯(lián)和通信，最后完成了系統(tǒng)的測試。仿真過程中實(shí)現(xiàn)了MATLAB環(huán)境下對(duì)二維平面圖像轉(zhuǎn)換為三維立體圖像全過程的模擬；控制程序及算法通過C 語言實(shí)現(xiàn)，包括液晶顯示的驅(qū)動(dòng)，存儲(chǔ)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)及讀取，輸入設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，軟件系統(tǒng)的組建等任務(wù)。系統(tǒng)測試結(jié)果在液晶屏顯示如圖6、圖7 所示。

5 結(jié)語

系統(tǒng)能夠成功地完成金屬材料表面二維圖像到三維宏觀形貌圖像的構(gòu)建，克服了傳統(tǒng)二維表面分析技術(shù)丟失表面層第三維深度信息的弊端，從三維造像上能方便得到目標(biāo)區(qū)域（特別是細(xì)小的缺陷）的橫剖面，進(jìn)而可以從橫剖面無損檢驗(yàn)、度量其深度，以虛測實(shí)。結(jié)果顯示客觀、立體感強(qiáng)、視角可變，易于識(shí)別。

圖7 三維立體圖像