基于ARM11的墙地砖色差检测装置研究

王永强，李庆利

（唐山学院a.计算机科学与技术系；b.机电工程系，河北唐山063000）

基于ARM11的墙地砖色差检测装置研究

王永强a，李庆利b

（唐山学院a.计算机科学与技术系；b.机电工程系，河北唐山063000）

研究了一种基于ARM11处理器、采用塔形聚类算法和欧式距离公式进行色差测量的墙地砖色差检测装置，它采用CMOS摄像头进行图像采集，软件用的是Linux操作系统。实验结果表明，该装置能满足墙地砖色差的非接触式检测。

墙地砖；色差检测；ARM11

进入21世纪，随着工业自动化水平的不断提高，产品质量检测市场蓬勃发展，尤其对陶瓷墙地砖色差检测装置需求更为迫切。目前，墙地砖色差主要由有经验的工人用肉眼进行分析识别，存在受人为因素影响、效率较低的缺点。如何提高检测效率、提高检测质量，是墙地砖检测面临的难题。开发低成本、小型化、处理能力强、存储容量大、容易扩展的墙地砖质量检测装置具有重要意义。因此本研究设计了一种采用ARM11作为系统处理器的墙地砖检测装置，能很好地满足上述条件，具有较强的实用性。

1 检测装置组成

本检测装置主要由ARM11处理器、CMOS摄像头、图像采集卡、LCD显示屏和外设组成。使用ARM11处理器对采样于CMOS摄像头的墙地砖图像进行预处理及色差检测，将检测结果提供给具有人机接口的LCD显示屏［1］，实现了脱离PC机的非接触式检测。本检测装置组成如图1所示。

图1 检测装置组成框图

2 硬件与软件的选择

本检测装置选择ARM11处理器，并且使用三星公司的S3C6410芯片。因为S3C6410芯片是基于16/32bitRISC的内核，采用64/32bit内部总线结构，集成了多个功能强大的硬件加速器，能够对图像进行快速处理，并且是一种低成本、低功耗、高性能的解决方案。鉴于S3C6410的以上特点，本装置选择它为处理器的主芯片。

采用基于CMOS的USB接口摄像头进行图像采集。目前CMOS摄像头分辨率和CCD摄像头分辨率相差无几，而且成本低，图像采集效果能够满足检测要求。摄像头采用中星微30IP－L芯片，这款芯片的特点是内含数字摄像IC接口、DRAM接口、实时图像压缩引擎、USB接口、FIFO等条件与功能，分辨率高达130万像素，动态视频分辨率最高为640＊480像素，输出帧速度最高为30帧/s。

选择Linux操作系统，以OpenCV/embeded为开发工具，进行检测系统软件的设计。Linux以其独特的特性，在图像检测领域己经有了一段时间的应用，它可以针对不同硬件设备进行图像提取与处理。OpenCV是一个开源性的计算机视觉函数库，最开始由Intel开发出来，现在已经发展为一个跨平台的函数库，支持OpenCV的平台包括Windows，Linux，MacOSX以及一些嵌入式操作系统。OpenCV/embeded是面向嵌入式系统的，故本装置使用它为开发工具实现色差检测。

3 墙地砖色差参数及算法实现

3.1 色差测量过程

将采集到的原始图像进行边缘检测，通过对几种边缘检测算子的实验，比较最后效果及执行速度。本系统采用candy边缘检测算子，根据人类视觉心理特征，每条边向内20像素进行裁切，提取墙地砖的颜色特征值，并依据相应公式将待测墙地砖和标准库进行色差计算，并将色差计算结果输出。色差检测算法流程如图2所示。

图2 色差检测算法流程

在对两幅图像进行色差度量时，常把图像由RGB颜色空间转换到La＊b＊空间［2］，然后利用欧式距离公式（1）进行色差测量，其中ΔE表示色差，ΔL表示两像素点L的差，Δa表示两像素点a分量的差，Δb表示两像素点b分量的差。但由于像素点数目众多，计算数据量大，执行时间长，因此需要提取图像特征来进行描述。本文引入了塔形FCM聚类（PFCM）算法。

3.2 塔形FCM算法原理

FCM算法应用很广，常用于图像分割。其基本思想是把n个样本向量xi（i＝1，2，…，n）分成c个模糊簇，并求得每个簇的聚类中心，使目标函数达到最小，FCM的目标函数定义为

为使Jm（U，P）达到最小，隶属度μik和聚类中心vi按公式（4）和（5）进行更新。在更新μik时，按dik是否有0值分两种情况定义Ik和珔Ik。Ik＝｛i｜1≤i≤c，dik＝0｝，I珔k＝｛i｜1，2，3，…，c｝－Ik，使得μik值为

对一幅墙地砖图像来讲，假定本层有M×N个像素点，则高一层图像大小为（M/2）×（N/2）。在构造高一层图像时，首先将本层图像分为（M/2）×（N/2）个单元，然后，将每个单元内的4个像素的颜色平均值作为高一层图像对应位置的颜色值，逐层构建塔型结构。使用塔型FCM聚类算法流程［3］为：

步骤1：为原图像构造塔型结构，设总层数为N；

步骤2：用合适的初始化方法对最顶层（N层）图像的聚类中心初始化，令K＝N；

步骤3：对第K层图像进行FCM聚类；

步骤4：若K＝1，转步骤7，否则转步骤5；

步骤5：用第K层聚类中心作为第K－1层图像的初始化聚类中心；

步骤6：令K＝K－1，转步骤3；

步骤7：输出聚类结果，结束。

3.3 特征色差测量

将塔形FCM聚类得到两幅图像的关联度，由RGB空间转换到La＊b＊空间，并利用公式（1）进行色差计算。目前各国通用的颜色检测方式是CIE（国际照明委员会）的颜色标准。人的视觉色差与分光光度计检测的数字色差（ΔE）存在以下的关系，见表1。

表1 CIE（国际照明委员会）的颜色标准

2006年9月1日新版《陶瓷砖试验方法》国家标准正式实施，相对于1999年出版的老国标，色差、起拱等瓷砖容易发生的质量纠纷在新国标中都有了详细的参照指标，如对色差的规定为：距离墙地砖3m处目测不明显［4］。但这是一个比较模糊的概念，无定量指标和测定方法，且也没有给出示例。新国标中指出，单色釉面砖常规的色差值为0.75，数值越大则代表色差越大。但由于人类视觉特点，把色差控制在1.5以下，人眼基本感觉不到色差存在。

4 实验结果

抽取600mm×600mm的正方形彩色墙地砖9块，编号从001－009，如图3所示，以004作为标准样本，使用本装置进行色差分级。结果如表2所示。

图3 获取的彩色墙地砖图像

表2 色差测量结果

由表2可知，编号为004的墙地砖与编号为001，005，009的墙地砖的色差值都小于1.5，根据人类视觉心理特点，可以认定色差相同。并且，让熟练工人进行目测分选，和装置测量结果一样。大量实验表明，应用本装置进行色差检测与人眼视觉效果吻合度良好。检测速度可以达到2块/s，在保证测量准确度的前提下，也大大提高了检测效率。

5 结论

本文研究了基于ARM11的墙地砖色差检测装置，分析了该装置的整体结构、工作原理，提出了一种基于塔形FCM聚类分析和色差公式进行色差检测的算法。实验结果表明：该装置具有稳定性好、分类结果准确、运行速度快、便携性高的特点，可以用于实现彩色墙地砖非接触色差检测。

［1］ 庄志红，伍峰.基于ARM微控器LPC2132嵌入式球机控制系统设计［J］.制造业自动化，2010，10（下）：92－93.

［2］ 刘浩学.CIE均匀颜色空间与色差公式的应用［J］.北京印刷学院学报，2003，11（3）：4－8.

［3］ 刘尊洋，王自荣.塔型FCM和CIEDE2000的仿造迷彩主色提取方法［J］.红外与激光工程，2010（4）：68－69.

［4］ 国家标准局.陶瓷砖试验方法（GB/T3810.2－2006）［S］.北京：中国标准出版社，2006.

（责任编校：李秀荣）

Ceramic Tile Chromatism Detecting Device Based on ARM11

WANG Yong－qianga；LI Qing－lib

（a.Department of Computer Science and Technology；b.Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China）

The ceramic tiles chromatism detecting device based on ARM11processors has been researched.By the way of the telescoping clustering method and the euclidean distance method，the device can detect chromatism.The CMOS cameras are selected to capture the images.This software operates in the Linux environment.The results show that the device can meet the non－contact chromatism detect.

ceramic tiles；chromatism detect；ARM11

book=40,ebook=40

TP391.77；TQ174.76

A

1672－349X（2012）03－0087－03

2011－12－20

河北省科学技术研究与发展计划项目（11215640）；唐山市科学技术研究与发展计划项目（11110210B－6－6）

王永强（1980－），男，河北唐山人，讲师，硕士，主要从事图像处理及色差检测研究。