[实用新型]基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统，实现纸浆纤维形态参数（长度、宽度、卷曲指数、扭结指数、细小纤维成分等）实时、准确地测量，可广泛用于造纸纤维原料质量分析与评价。

背景技术

纸浆纤维形态特征是评价造纸植物纤维原料和纸浆质量的重要指标，它们不仅影响到纸浆质量，还关系到成品纸的质量。纸浆纤维形态参数的准确快速测量，可对制浆造纸过程中各个工序上对质量加以检测控制，提高成纸的档次，达到科学利用原料，优化产品的目的。纸浆纤维形态参数的传统测量方法主要是人工通过显微镜或光学投影仪进行，或者通过筛分器粗略地测量纸浆纤维长度。由于纤维形态参数是一些统计参数，只有对相当多数量的纸浆纤维进行测量后，才能取得较准确的结果，因此传统的方法测量速度慢，周期长等缺点。

一般的图像采集处理系统采用PC机作为核心处理单元，由于图像处理需要大量的时间和内存，也有使用高性能的工作站和小型机来完成这一工作，前者构造系统的实时性不好，后者构造的系统造价高、系统复杂、体积庞大，不适应与工业现场测试用。

为了实现快速准确测量纸浆纤维的形态参数（长度、宽度、卷曲指数、扭结指数、细小颗粒度等参数），需要快速可靠的系统对纸浆纤维图像进行采集和处理和分析。实现高精度的图像处理需要大量的计算，而大量的计算必然耗费时间，导致系统实时性变差，这是制约基于PC机的机器视觉系统的主要因素。随着对纤维形态参数测量的速度和精度要求的提高，这一缺陷越来越明显。

实用新型内容

本实用新型目的是克服现有的纸浆纤维形态参数测量中存在的测量范围小、测量参数少、速度慢、精度低，设备成本高、体积大等不足，提出了一种小型化、快速、准确的基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统。

为了实现上述目的，本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统，它包括CCD摄像机，它与ADC转换芯片连接，ADC转换芯片与FPGA模块中的SDRAM模块连接，SDRAM模块与纤维图像预处理模块连接，同时在FPGA模块中还设有DSP读取数据控制模块和ADC时序控制模块，ADC时序控制模块与ADC转换芯片连接，DSP读取数据控制模块与DSP模块通信，同时DSP模块还与SDRAM模块和LCD显示器以及纤维图像、形态参数存储FLASH模块通信。

一种采用基于FPGA+DSP的嵌入式纸浆纤维形态参数快速测量系统的测量方法，具体步骤为：

（1）纸浆纤维样本制备，光照采用圆偏振光；

（2）利用CCD图像采集模块实现纤维图像的感知；

（3）利用ADC转换芯片，与CCD图像采集模块和FPGA模块相连，用于将CCD输出的模拟图像信号进行快速数字化，转换为数字图像；

（4）FPGA模块，与ADC转换芯片和DSP模块相连，用于控制ADC转换芯片的时序逻辑，同时控制帧存SDRAM模块，完成纤维图像的快速数字化、帧存、预处理，预处理完毕发送中断信号通知DSP模块读取数据；纤维图像预处理包括图像的去噪、增强、分割、去除非纤维区域；

（5）DSP模块，与FPGA模块和LCD显示器相连，用于启动控制图像的及采集到的纤维图像数据的读取与处理，对FPGA模块中纤维图像预处理模块预处理后的纤维图像进行多尺度处理，在粗分辨率下测量纤维的实际长度L、投影长度l、卷曲指数C_l，在高分辨率下计算纤维的宽度d、粗度Co、扭结指数K_l、细小纤维成分参数，分级计算纤维的形态参数，同时对测量的多根纤维参数进行统计分析，然后将结果通过LCD显示；

（6）对生成的纤维图像数据进行存储。

所述步骤（1）中的圆偏振光，由于纤维素组成的植物纤维具有旋光性，在CCD摄像机光路上配置2个圆形检偏器。设待测植物纤维的旋光角为φ，光路上配置的2个圆形偏振器偏振轴的夹角为φ±5°范围内。

所述步骤（5）中DSP模块用于对FPGA预处理后的纤维图像进行多尺度几何分析，分级计算纤维的形态参数；在低分辨率下即粗尺度下，对图像进行细化，计算纤维的长度和卷曲指数；在高分辨率下即细尺度下，对图像进行边缘检测、利用边缘点上曲率变化快慢来进行扭结点检测，曲率快速变化的点就是扭结点；然后根据扭结点处邻域斜率的变化差来计算扭结点处的扭结角；最后利用公式（2）计算扭结指数C_l；其中，卷曲指数指纤维逐渐连续的弯曲即曲率变化慢，见公式：