基于DSP的字輪式水表號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

苑瑋琦 高 澤

(沈陽工業(yè)大學(xué)視覺檢測(cè)技術(shù)研究所，沈陽 110870)

近年來，機(jī)器視覺技術(shù)在我國(guó)工業(yè)、軍事、航天、交通及安全等各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用。其理論基礎(chǔ)為利用視覺檢測(cè)裝置代替人工，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、判斷與測(cè)量。隨著自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)也在該方面得到廣泛應(yīng)用。由于我國(guó)城鄉(xiāng)居民傳統(tǒng)的人工抄表方式存在諸多缺點(diǎn)，例如勞動(dòng)強(qiáng)度大、抄表周期長(zhǎng)、監(jiān)控考核難、費(fèi)財(cái)費(fèi)力。隨著信息科技的發(fā)展，自動(dòng)抄表系統(tǒng)以準(zhǔn)確性高、應(yīng)用范圍廣、具有實(shí)時(shí)性及信息存儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)勢(shì)必取代傳統(tǒng)的人工抄表方式[1]。

目前市場(chǎng)上使用的自動(dòng)抄表方式主要有兩種：IC卡智能水表和脈沖式抄表系統(tǒng)。但是這兩種遠(yuǎn)傳抄表方式存在很多缺陷，IC卡智能水表插卡觸點(diǎn)暴露在空氣中會(huì)導(dǎo)致其觸點(diǎn)氧化生銹，非常容易造成IC卡無法插入或失靈，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電控閥門也容易損壞，造成計(jì)數(shù)失靈[2]。而脈沖式抄表系統(tǒng)的精確度不高，且常因?yàn)橥ｋ姲l(fā)生漏記現(xiàn)象，需要工作人員定期對(duì)水表數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。針對(duì)以上信息，設(shè)計(jì)采用視覺檢測(cè)技術(shù)對(duì)水表號(hào)碼進(jìn)行非接觸式采集，直接對(duì)水表號(hào)碼的圖像進(jìn)行分析，能夠精準(zhǔn)地得到水表號(hào)碼，完成抄表工作。南京理工大學(xué)提出的使用CMOS圖像傳感器OV7602采集水表號(hào)碼，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入主處理器進(jìn)行圖像處理。該系統(tǒng)選擇的主處理器為S3C44B0X芯片，最高運(yùn)行頻率僅為66MHz[3]，與現(xiàn)在數(shù)字圖像處理廣泛應(yīng)用的6000系列DSP的工作頻率600MHz相差甚遠(yuǎn)，無法滿足抄表系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求[4]。根據(jù)以上情況和自動(dòng)抄表系統(tǒng)的特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一套以CMOS圖像傳感器和高速DSP芯片DM6437為核心處理器的抄表系統(tǒng)。

抄表系統(tǒng)系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要用于水表圖像的采集、存儲(chǔ)與顯示。其中圖像采集單元主要用來對(duì)水表圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解碼和存儲(chǔ)；圖像信號(hào)處理單元主要用來對(duì)水表號(hào)碼進(jìn)行識(shí)別與顯示。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

抄表系統(tǒng)硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抄表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)抄表系統(tǒng)硬件平臺(tái)以DSP為控制核心，包括CMOS圖像傳感器單元、多路轉(zhuǎn)換芯片CD4051、視頻解碼芯片TVP5146、DDR2圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元及顯示單元等組成。其中CMOS圖像傳感器的分辨率為720×576，輸出PAL制式視頻；TVP5146視頻解碼器用于將視頻解碼成數(shù)字信號(hào)；DDR2存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)采集到的4路水表圖像；LCD液晶屏用來顯示水表圖像與水表號(hào)碼。抄表系統(tǒng)總體工作流程如圖2所示。

圖2 抄表系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后首先將運(yùn)行程序下載到DM6437的片內(nèi)RAM中運(yùn)行，對(duì)DSP和視頻解碼芯片進(jìn)行初始化。通過多路轉(zhuǎn)換芯片將4路水表信號(hào)分時(shí)送入DDR2中進(jìn)行存儲(chǔ)，全部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后結(jié)束采集操作。

1.2 圖像傳感器單元

在該系統(tǒng)中，圖像傳感器的選擇至關(guān)重要，采集的圖像質(zhì)量越高，對(duì)號(hào)碼識(shí)別的正確率越高，占用的存儲(chǔ)空間越大，而采集圖像的質(zhì)量過低將導(dǎo)致號(hào)碼識(shí)別的正確率降低。對(duì)比CMOS與CCD兩種常用的圖像傳感器，考慮CMOS圖像傳感器采集圖像的速度更快、占用內(nèi)存少、質(zhì)量雖然低于CCD圖像傳感器采集的圖像，但是可以滿足對(duì)水表號(hào)碼的識(shí)別要求，CMOS圖像傳感器的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯[5]，所以系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)水表號(hào)碼圖像采集的功能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要對(duì)CMOS圖像傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確定位，安裝在水表上方需采集到全部5個(gè)水表號(hào)碼，CMOS圖像傳感器與水表表盤位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 圖像傳感器定位圖

圖中α為傳感器最小視場(chǎng)角，H為傳感器與水表表盤的間距，L為5個(gè)字符的整體寬度。設(shè)計(jì)H的值為35mm，L為固定值50mm，計(jì)算得出α為70°。設(shè)計(jì)選擇的CMOS圖像傳感器視場(chǎng)角為80°，滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明可以采集到清晰穩(wěn)定的水表號(hào)碼圖像。

1.3 模擬信號(hào)處理單元

由于采用的CMOS圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)為PAL制式的模擬信號(hào)，而DSP只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以兩者之間必須搭建一個(gè)連接的橋梁，設(shè)計(jì)采用TVP5146視頻解碼芯片對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行有效解碼，轉(zhuǎn)換為DSP可以接收的數(shù)字信號(hào)。同時(shí)設(shè)計(jì)中需要對(duì)4路水表信號(hào)進(jìn)行有效的采集，而TVP5146不能同時(shí)處理多個(gè)視頻模擬信號(hào)，所以需要4路水表信號(hào)分時(shí)地送入TVP5146，設(shè)計(jì)采用CD4051多路轉(zhuǎn)換芯片提供完美的解決方案[6]，模擬信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模擬信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)

CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，通過3個(gè)二進(jìn)制位控制端A、B、C控制選擇8個(gè)通道中的一路模擬信號(hào)經(jīng)輸入端送達(dá)輸出端。當(dāng)C腳接地置低電平時(shí)，B、A引腳通過GPIO口控制4路模擬信號(hào)分時(shí)送入TVP5146進(jìn)行解碼，在多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與TVP5146之間加入一個(gè)電壓跟隨器解決了由于輸出阻抗大引起的信號(hào)存在壓降、圖像偏暗的問題[7]。DM6437具有111個(gè)與其他功能復(fù)用的GPIO口，GPIO44與CCD8、EM_A[20]、EM_D[7]功能復(fù)用，GPIO45與CCD9、EM_A[19]、EM_D[6]功能復(fù)用，需要通過配置32位引腳功能復(fù)用寄存器PINMUX0 使能GPIO44與GPIO45。CI[1：0]功能選擇位CI10SEL置0，釋放CCD8與CCD9；EMIFA功能模式位AEM置000，釋放EMIFA功能引腳；GPIO44與GPIO45即GPIO口功能引腳。TVP5146的工作方式需要通過DSP的I2C總線接口對(duì)視頻解碼器內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，DM6437的I2C接口時(shí)鐘要設(shè)置為10MHz，對(duì)TVP5146配置的主要寄存器見表1。

表1 TVP5146寄存器配置

視頻解碼芯片利用內(nèi)部的五線自適應(yīng)梳狀濾波器將PAL制式的視頻信號(hào)進(jìn)行YC(亮度分量、色度分量)分離，這樣可以有效地降低亮度和色度的串?dāng)_，提供最佳亮色分離效果，YC分離后將視頻信號(hào)編碼成YCbCr 4:2:2格式的數(shù)字視頻信號(hào)，DM6437的CCD[7:0]與TVP5146的Y[9:2]引腳對(duì)應(yīng)連接,作為視頻數(shù)據(jù)的傳輸通道，DM6437的PCLK信號(hào)由TVP5146的DATACLK輸出提供14.318 18MHz像素時(shí)鐘,作為視頻輸入時(shí)鐘信號(hào)。TVP5146輸出的視頻HS和VS分別與DM6437的HD和VD引腳相連,作為視頻采樣的行同步、場(chǎng)同步信號(hào)。TVP5146與視頻處理前端的視頻接入口CCDC相連，在行、場(chǎng)同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的同步下，數(shù)據(jù)的傳輸行、場(chǎng)消隱信號(hào)只對(duì)有效的視頻信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過8位并行數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳入DSP中。

1.4 圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

為了使系統(tǒng)能將5個(gè)字符信息完整采集，設(shè)置水表圖像的分辨率大小為720×480，所以每一張圖像的大小為337KB左右(720×480×8bit)，圖像的格式為YCbCr 4:2:2，即每一個(gè)像素的排列方式為Y-Cb-Y-Cr，這里Y代表圖像的灰度值，Cb、Cr分別代表圖像藍(lán)色和紅色的色差分量，在存儲(chǔ)圖像時(shí)只提取圖像的Y分量進(jìn)行存儲(chǔ)，只存儲(chǔ)圖像的灰度值不僅節(jié)省了一半的存儲(chǔ)空間而且減少了圖像預(yù)處理一半的工作量。共有4路水表原圖像和預(yù)處理后的圖像需要存儲(chǔ)，約占用3MB存儲(chǔ)空間，而DM6437的內(nèi)存僅為240KB，無法滿足需求，必須外擴(kuò)存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)選用32M×16bit存儲(chǔ)空間的DDR2與DSP存儲(chǔ)器接口無縫連接，提供了充足的存儲(chǔ)空間。圖像存儲(chǔ)首地址設(shè)置為0x81000000，再將該圖像進(jìn)行預(yù)處理，只提取Y分量重新存儲(chǔ)到首地址0x82000000中。DDR2可以在時(shí)鐘的上升沿和下降沿同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且擁有高速的預(yù)讀取系統(tǒng)命令數(shù)據(jù)能力,在每個(gè)時(shí)鐘能以4倍外部總線的速度讀/寫數(shù)據(jù),能以4倍內(nèi)部控制總線的速度運(yùn)行,系統(tǒng)中DDR2的工作時(shí)鐘為14.318 18MHz,其實(shí)際頻率則高達(dá)57.272 72MHz,這樣解決了外擴(kuò)內(nèi)存時(shí)存在的延時(shí)問題,在硬件上保證了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

1.5 液晶顯示單元

采集圖像的質(zhì)量和預(yù)處理后的效果直接影響到后續(xù)對(duì)號(hào)碼識(shí)別的正確率，通過液晶屏可以實(shí)時(shí)觀察圖像的清晰度，也可以觀察系統(tǒng)是否正常工作。DM6437的視頻處理后端VPBE包括兩部分：一個(gè)屏幕顯示模塊OSD，一個(gè)數(shù)字LCD接口和數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口的視頻編碼器VENC。VENC生成模擬視頻輸出[8]，數(shù)字LCD控制器產(chǎn)生數(shù)字RGB/YCbCr輸出數(shù)據(jù)和時(shí)間信號(hào)。OSD支持同時(shí)顯示兩個(gè)視頻窗口和兩個(gè)OSD窗口，每個(gè)窗口支持分別使能，窗口的高、寬、起始坐標(biāo)、終止坐標(biāo)都可通過編程進(jìn)行控制，系統(tǒng)只使用OSD窗口0依次顯示4路水表號(hào)碼的實(shí)時(shí)圖像，其他3個(gè)窗口禁止使用。

2 字符識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

2.1 圖像的預(yù)處理

圖像傳感器直接采集到的水表號(hào)碼圖像必須進(jìn)行去噪、矯正、分割及二值化等預(yù)處理后，才能使用字符識(shí)別算法對(duì)單個(gè)字符進(jìn)行識(shí)別。

首先，使用3×3窗口對(duì)水表圖像進(jìn)行中值濾波，再對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矯正，公式如下：

x1=co·(i-x)-si·(j-y)+0.5+x

y1=si·(i-x)+co·(j-y)+0.5+y

式中i、j——旋轉(zhuǎn)前的位置；

si、co——旋轉(zhuǎn)角度的正弦余弦值；

x、y——旋轉(zhuǎn)中心；

x1、y1——旋轉(zhuǎn)后的位置。

通過這兩個(gè)變換公式可以得到旋轉(zhuǎn)前位置和旋轉(zhuǎn)后位置的關(guān)系，對(duì)這兩個(gè)位置賦值即得到旋轉(zhuǎn)后的圖像(圖5)。

圖5 圖像矯正效果

對(duì)5個(gè)字符占有的部分各自進(jìn)行分割，當(dāng)設(shè)定分割大小為31×90時(shí)，既可以保留全部字符信息，也避免了外部噪聲區(qū)域較多的位置，識(shí)別效果達(dá)到最好。由于字輪式水表圖像上、中、下各部分的灰度值分布不均勻，最后對(duì)圖像使用三段閾值法進(jìn)行二值化，二值化后的效果如圖6所示。

圖6 二值化效果

2.2 識(shí)別算法的設(shè)計(jì)

對(duì)字輪式水表字符的識(shí)別，主要是針對(duì)0～9這些數(shù)字的識(shí)別，字符組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用模板匹配法時(shí)需要的模板數(shù)量少，由于算法的運(yùn)算速度快，可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。

首先判斷字符圖像是否為半字符，如果不是則使用已經(jīng)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的10個(gè)整字符模板進(jìn)行匹配，與模板匹配程度最好的字符圖像即識(shí)別出的實(shí)際水表字符；如果判斷該字符圖像為半字符圖像，則要按照上、下兩部分的半字符占整幅圖像的比例使用相鄰的原有模板合成新模板，再與新模板進(jìn)行匹配，識(shí)別出相應(yīng)字符。算法流程如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者所研制的字輪式水表號(hào)碼圖像采集裝置的實(shí)物如圖8所示。

因?yàn)閳D像傳感器為CMOS攝像頭，所以在自然光線及日光燈等光照下可能略有差別。識(shí)別成功率在95%以上。通過對(duì)實(shí)際采集的圖像進(jìn)行水表號(hào)碼的識(shí)別測(cè)試，未成功識(shí)別的號(hào)碼圖像，主要錯(cuò)誤來源于水表圖像中有光斑等干擾。

圖7 字符識(shí)別流程

圖8 水表號(hào)碼圖像采集裝置

4 結(jié)束語

分析了IC卡式水表與脈沖式水表的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP的字輪式水表號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了使用模板匹配法對(duì)水表字符進(jìn)行識(shí)別的方法。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該裝置能夠?qū)崟r(shí)對(duì)4路水表進(jìn)行抄表，滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 王志立．住宅小區(qū)智能抄表系統(tǒng)[J]．電子工程師，2004，30(12)：69～70．

[2] 李國(guó)祥．淺析IC卡智能水表[J].中國(guó)計(jì)量，2005，(2)：51～52．

[3] 馬婷．基于圖像處理的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].濟(jì)南職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，(6)：91～93．

[4] 張德剛，陳文藝，陳瑞．基于DM6437的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(8)：130～132．

[5] 李文軍，毛謙敏，梁國(guó)偉,等．遠(yuǎn)傳水表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．自動(dòng)化儀表，2004，25(9)：56～57．

[6] 蘇永道．CMOS集成模擬開關(guān)的變通應(yīng)用—脈寬編碼器[J]．國(guó)外電子元器件，2001，(2)：49～51．

[7] 張友，周鵬，蒲東兵,等．基于DM6437的車輛檢測(cè)與跟蹤[J]．信息技術(shù)，2013，(3)：78～80．

[8] 劉閣．DM6437視覺非接觸測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．工程與試驗(yàn)，2013，(z1)：20～26．