基于兩級微處理器的金屬表面圖像三維形貌重構顯示儀設計

柴西林，邵照勇

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

0 引言

在工業現場通常是憑肉眼或者低倍率放大的方式觀測金屬表面，實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]。而金屬表面質量的檢驗在金屬材料制品行業具有舉足輕重的地位，其表面質量直接關系到整個產品的質量，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，直接關系到制件合格與否，影響到產品壽命與早期失效[3-4]。本設計將軟硬件技術相結合，利用數字圖像表面的灰度差與高度的映射關系，構建表面層的三維形貌，首先在MATLAB 環境下實現建模仿真，驗證理論模型，然后結合嵌入式芯片、單片機、矩陣鍵盤和液晶顯示等模塊，將圖像二維到三維的計算過程和圖像處理過程完美的在硬件設備上展示出來。本設計的實際意義在于補充了傳統的表面質量檢驗技術，分析生產中出現的金屬材料不同加工制件的表面質量，面對多種多樣金屬表面二維形貌的圖像，克服了現今僅僅以二維形貌檢驗表面質量的主觀性與片面性。

1 系統總體設計

該設計方案采用“MATLAB+FPGA+SPCE061A+單色LCD”。首先通過MATLAB 軟件進行理論模型的仿真驗證，若結果較理想，設計各硬件模塊，主要功能包括：①FPGA 處理器：從外部存儲器中讀入圖像，將普通圖片轉換為二維灰度圖像，將圖像信息轉變成特定的二進制編碼并存入RAM62256 中；②RAM62256 存儲器：存儲二維灰度圖像的編碼，等待SPCE061A 微處理器讀取；③SPCE061A 微處理器：整個硬件系統的控制部分，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。系統設計框圖如圖1 所示。

2 表面三維形貌重構原理及仿真

2.1 圖像表面灰度-高度關系

本設計基于數字圖像技術構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系式及映射關系曲線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，且取值決定于金屬材料，材料不同k 值隨之發生變化。將上述關系模型在MATLAB 中進行仿真，選擇圖像中用戶感興趣的區域，視其灰度反差度及灰度層次的優劣，選擇是否需要進行灰度直方圖規定化及灰度插值的預處理，根據表面灰度值-表面凹凸高度值的映射關系及映射關系曲線計算出第三維高度值h，然后實現三維相貌重構[6-8]；接著用C 語言和匯編語言將上述關系式編寫成接口函數，使其能夠在FPGA 主控芯片上運行；最后將主控芯片和第二級處理器單片機及外圍設備連接（液晶、鍵盤、攝像頭、存儲器），形成完整的三維圖像形貌重構系統。

圖1 系統設計框圖

圖2 圖像灰度-高度值關系曲線

2.2 MATLAB仿真結果

根據上述圖像表面灰度-高度關系，在MATLAB軟件平臺實現表面三維重構的計算與仿真。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的新裂紋，因此材料的脆性相當大。

圖3 鋼件橫截面樣品

圖4 按圖3灰度圖像構建的三維形貌效果

3 主要硬件模塊

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

圖5 硬件系統實物圖

FPGA 芯片為Cyclone TM EP1C3T144C6，Cyclone現場可編程門陣列，基于1.5V、0.13um 及全銅SRAM工藝，其密度增加至20060 個邏輯單元（LE），RAM 增加至288Kb。它具有用于時鐘鎖相環以及DDR SDR和快速周期RAM（FCRAM）存儲器所需要的專用雙數據率（DDR）接口等。Cyclone 器件支持多種I/O 標準，包括640Mbps 的LVDS，以及速率為33MHz 和66MHz、數據寬度為32 位和64 位的PCI。

SPCE061A 單片機應用領域非常廣泛，主要包括輸入/輸出端口、定時器/計數器、數/模轉換、模/數轉換、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監測和復位等部分，并且內置在線仿真電路ICE 接口，較高的處理速度使其能夠快速的處理復雜的數字信號。SPCE061A 有2K 字的SRAM（包括堆棧區），其地址范圍從0x0000 到0x07FF。SPCE061A 是一個用閃存替代掩膜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用戶程序。

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

鍵盤實現輸入數據、傳送命令的功能，是人工干預的主要手段。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，其他操作如鍵的識別，決定按鍵的讀數等僅靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用CPU較多時間。

圖6 輸入的表面二維圖片

4 軟硬件聯合調試及結果測試

系統經過MATLAB 軟件仿真、硬件系統的設計制作、控制程序的編寫和調試、芯片的接口互聯和通信，最后完成了系統的測試。仿真過程中實現了MATLAB環境下對二維平面圖像轉換為三維立體圖像全過程的模擬；控制程序及算法通過C 語言實現，包括液晶顯示的驅動，存儲設備的驅動及讀取，輸入設備的驅動，軟件系統的組建等任務。系統測試結果在液晶屏顯示如圖6、圖7 所示。

5 結語

系統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建，克服了傳統二維表面分析技術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區域（特別是細小的缺陷）的橫剖面，進而可以從橫剖面無損檢驗、度量其深度，以虛測實。結果顯示客觀、立體感強、視角可變，易于識別。

圖7 三維立體圖像