基于两级微处理器的金属表面图像三维形貌重构显示仪设计

柴西林，邵照勇

（1.西北师范大学知行学院，兰州730070；2.中国石油兰州石化分公司电仪事业部，兰州730060）

0 引言

在工业现场通常是凭肉眼或者低倍率放大的方式观测金属表面，实际上看到一幅平面图像的二维尺寸，却丢失（聚缩）了该表面垂直方向的第三维深度信息[1-2]。而金属表面质量的检验在金属材料制品行业具有举足轻重的地位，其表面质量直接关系到整个产品的质量，例如：表面切削层的粗糙度，表面处理层的薄厚、均匀度及其光亮度，特别是金属表面缺陷的定性分析与定量检测，直接关系到制件合格与否，影响到产品寿命与早期失效[3-4]。本设计将软硬件技术相结合，利用数字图像表面的灰度差与高度的映射关系，构建表面层的三维形貌，首先在MATLAB 环境下实现建模仿真，验证理论模型，然后结合嵌入式芯片、单片机、矩阵键盘和液晶显示等模块，将图像二维到三维的计算过程和图像处理过程完美的在硬件设备上展示出来。本设计的实际意义在于补充了传统的表面质量检验技术，分析生产中出现的金属材料不同加工制件的表面质量，面对多种多样金属表面二维形貌的图像，克服了现今仅仅以二维形貌检验表面质量的主观性与片面性。

1 系统总体设计

该设计方案采用“MATLAB+FPGA+SPCE061A+单色LCD”。首先通过MATLAB 软件进行理论模型的仿真验证，若结果较理想，设计各硬件模块，主要功能包括：①FPGA 处理器：从外部存储器中读入图像，将普通图片转换为二维灰度图像，将图像信息转变成特定的二进制编码并存入RAM62256 中；②RAM62256 存储器：存储二维灰度图像的编码，等待SPCE061A 微处理器读取；③SPCE061A 微处理器：整个硬件系统的控制部分，控制12864 液晶的显示，将图形编码传给液晶；完成菜单界面的控制；从键盘上读取人工输入命令；④键盘：将人工的命令输入微控制器处理。系统设计框图如图1 所示。

2 表面三维形貌重构原理及仿真

2.1 图像表面灰度-高度关系

本设计基于数字图像技术构建金属表面层三维宏观形貌的方法[5]，利用金属表面图像灰度值～金属表面凸凹层高度值的映射关系式及映射关系曲线f（x,y）～h，如图2 所示。

其中，f（x,y）是金属表面图像的灰度值，h 是金属表面层凸凹的高度值，k 为比例常数，且取值决定于金属材料，材料不同k 值随之发生变化。将上述关系模型在MATLAB 中进行仿真，选择图像中用户感兴趣的区域，视其灰度反差度及灰度层次的优劣，选择是否需要进行灰度直方图规定化及灰度插值的预处理，根据表面灰度值-表面凹凸高度值的映射关系及映射关系曲线计算出第三维高度值h，然后实现三维相貌重构[6-8]；接着用C 语言和汇编语言将上述关系式编写成接口函数，使其能够在FPGA 主控芯片上运行；最后将主控芯片和第二级处理器单片机及外围设备连接（液晶、键盘、摄像头、存储器），形成完整的三维图像形貌重构系统。

图1 系统设计框图

图2 图像灰度-高度值关系曲线

2.2 MATLAB仿真结果

根据上述图像表面灰度-高度关系，在MATLAB软件平台实现表面三维重构的计算与仿真。图3 是钢件横截面样品上分布的龟裂（2%硝酸酒精侵蚀）；图4是按图3 灰度图像构建的三维形貌，可以看出裂缝的裂口比较尖锐，有的裂缝沟槽并不深，可能是磨制样品过程中出现的新裂纹，因此材料的脆性相当大。

图3 钢件横截面样品

图4 按图3灰度图像构建的三维形貌效果

3 主要硬件模块

系统的硬件主要由FPGA 处理器、RAM 存储器、SPCE061A 微处理器、SPLC501 液晶显示模块、矩阵键盘、电源模块组成。

图5 硬件系统实物图

FPGA 芯片为Cyclone TM EP1C3T144C6，Cyclone现场可编程门阵列，基于1.5V、0.13um 及全铜SRAM工艺，其密度增加至20060 个逻辑单元（LE），RAM 增加至288Kb。它具有用于时钟锁相环以及DDR SDR和快速周期RAM（FCRAM）存储器所需要的专用双数据率（DDR）接口等。Cyclone 器件支持多种I/O 标准，包括640Mbps 的LVDS，以及速率为33MHz 和66MHz、数据宽度为32 位和64 位的PCI。

SPCE061A 单片机应用领域非常广泛，主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE 接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。SPCE061A 有2K 字的SRAM（包括堆栈区），其地址范围从0x0000 到0x07FF。SPCE061A 是一个用闪存替代掩膜ROM 的MTP（多次编程）芯片，具有32K 字（32K×16bit）闪存容量。用户可用闪存来存储用户程序。

SPLC501 液晶显示模组为128×64 点阵，面板采用超扭曲向列技术制成并且由128 Segment 和64 Common 组成，LCM 非常容易通过接口被访问。

键盘实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。最常使用的是非编码键盘，只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。

图6 输入的表面二维图片

4 软硬件联合调试及结果测试

系统经过MATLAB 软件仿真、硬件系统的设计制作、控制程序的编写和调试、芯片的接口互联和通信，最后完成了系统的测试。仿真过程中实现了MATLAB环境下对二维平面图像转换为三维立体图像全过程的模拟；控制程序及算法通过C 语言实现，包括液晶显示的驱动，存储设备的驱动及读取，输入设备的驱动，软件系统的组建等任务。系统测试结果在液晶屏显示如图6、图7 所示。

5 结语

系统能够成功地完成金属材料表面二维图像到三维宏观形貌图像的构建，克服了传统二维表面分析技术丢失表面层第三维深度信息的弊端，从三维造像上能方便得到目标区域（特别是细小的缺陷）的横剖面，进而可以从横剖面无损检验、度量其深度，以虚测实。结果显示客观、立体感强、视角可变，易于识别。

图7 三维立体图像