本發(fā)明涉及煙葉分級(jí)領(lǐng)域，特別涉及一種基于FPGA的煙葉分級(jí)方法和裝置。

背景技術(shù)：

煙葉是我國(guó)的重要經(jīng)濟(jì)作物，現(xiàn)在我國(guó)對(duì)于煙葉的分級(jí)還主要依靠人觀察和手摸的人工階段。不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且主觀性和模糊性較強(qiáng)。基于計(jì)算機(jī)的煙葉智能分級(jí)在對(duì)煙葉圖像處理時(shí)計(jì)算量比較大，很難滿足實(shí)時(shí)性的要求?；贔PGA芯片的處理能力現(xiàn)在越來(lái)越強(qiáng)，利用FPGA并行處理的優(yōu)勢(shì)，像素級(jí)別的算法完全可以在FPGA中實(shí)時(shí)處理，在煙葉的分級(jí)處理中，利用FPGA實(shí)現(xiàn)的裝置相比于PC對(duì)于煙葉圖像的處理，在速度上有著極大的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于FPGA的煙葉分級(jí)方法和裝置，采用兩塊FPGA芯片作為主控芯片，在速度上極大的提升了對(duì)煙葉圖像的處理速度。

本發(fā)明的目的是以下述方式實(shí)現(xiàn)的：

一種基于FPGA的煙葉分級(jí)裝置，所述裝置包括通過(guò)雙排插針相互連接的接口板FPGA和處理板FPGA；

所述接口板FPGA通過(guò)串行通信芯片接口連接CCD，由接口板FPGA發(fā)送指令采集幀圖像，采集的圖像存入與接口板FPGA相連的SRAM緩存Ⅰ；

所述接口板FPGA讀取SRAM緩存Ⅰ中的煙葉圖像進(jìn)行背景分割并進(jìn)行去噪處理，然后提取已設(shè)定的圖像特征；接口板FPGA將提取的圖像特征存入與處理板FPGA相連的SRAM緩存Ⅱ，然后處理板FPGA根據(jù)已建立的分級(jí)模型算法對(duì)煙葉的特征信息進(jìn)行處理，得到分色分級(jí)結(jié)果，并將分色分級(jí)結(jié)果和控制信息發(fā)送到接口板FPGA；

所述接口板FPGA將采集的煙葉圖像和相應(yīng)的分色分級(jí)結(jié)果在VGA顯示并通過(guò)語(yǔ)音模塊進(jìn)行播報(bào)。

所述圖像特征包括顏色特征、紋理特征、脈絡(luò)特征。

所述控制信息包括將SRAM里緩存的煙葉幀圖像和對(duì)應(yīng)的分色分級(jí)信息存儲(chǔ)至外部存儲(chǔ)設(shè)備。

所述的分級(jí)模型算法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、最近距離算法、聚類算法、粗集算法中的一種或幾種對(duì)提取的圖像特征進(jìn)行分組、分色和分級(jí)。

在處理板FPGA上，每?jī)善琒RAM通過(guò)擴(kuò)展位寬的方式共享地址總線。

一種基于FPGA的煙葉分級(jí)方法，所述方法包括如下步驟：

步驟一、接口板FPGA通過(guò)串行通信芯片發(fā)送相機(jī)設(shè)置命令，每完成一條命令的發(fā)送，將觸發(fā)信號(hào)由串行通信芯片發(fā)送至CCD，開(kāi)始幀圖像傳輸過(guò)程，在CCD完成應(yīng)答信號(hào)后，再繼續(xù)發(fā)出下一條命令；

步驟二、 接口板FPGA根據(jù)圖像中煙葉的展開(kāi)度和光線情況選擇最合適的幀圖像進(jìn)行采集，采集的圖像存入與接口板FPGA相連的SRAM緩存Ⅰ；

步驟三、接口板FPGA對(duì)SRAM緩存Ⅰ中的煙葉圖像進(jìn)行背景分割，剔除圖像中與煙葉分級(jí)無(wú)關(guān)的因素，再進(jìn)行去噪處理，去除噪聲后進(jìn)行特征提??；

步驟四、接口板FPGA將提取的圖像特征傳送給處理板FPGA，處理板FPGA利用已建立的分級(jí)模型算法對(duì)提取的特征進(jìn)行分組、分色和分級(jí)，分級(jí)結(jié)果和控制信號(hào)再傳送給接口板FPGA；

步驟五、接口板FPGA將煙葉的分級(jí)結(jié)果和對(duì)應(yīng)的煙葉幀圖像通過(guò)VGA顯示，并通過(guò)語(yǔ)音模塊播放。

所述步驟三中，特征的提取標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)處理板FPGA里設(shè)定的煙葉分級(jí)模型來(lái)選擇。

所述步驟四中的控制信號(hào)是將分級(jí)結(jié)果和對(duì)應(yīng)SDRAM中的幀圖像存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)設(shè)備里。

所訴步驟四中的分級(jí)模型算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、最近距離算法、聚類算法、粗集算法中的一種或幾種

所述步驟五中，通過(guò)同一個(gè)顯示器顯示采集到的煙葉幀圖像和分級(jí)結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

利用FPGA的分級(jí)裝置體積更小，運(yùn)算速度快且操作簡(jiǎn)單，可以很好的解決現(xiàn)在煙葉分級(jí)過(guò)程中的分級(jí)速度問(wèn)題；利用FPGA的可編程性，可以優(yōu)化升級(jí)分級(jí)模型算法并且不用購(gòu)買新的設(shè)備，更加經(jīng)濟(jì)；本發(fā)明有利于定制統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，避免傳統(tǒng)人為分級(jí)過(guò)程中產(chǎn)生的各種糾紛。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，依據(jù)本發(fā)明的一種將煙葉實(shí)時(shí)智能分級(jí)的裝置，采用兩塊FPGA芯片作為主控芯片。第一片F(xiàn)PGA的電路板成為接口板，完成CCD、VGA以及語(yǔ)音模塊等的接口通信功能和煙葉圖像預(yù)處理和特征提取等功能。第二片F(xiàn)PGA的電路板稱為處理板，用來(lái)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，完成對(duì)煙葉分級(jí)模型的建立，處理由接口板FPGA發(fā)來(lái)的煙葉特征數(shù)據(jù)，根據(jù)已有模型進(jìn)行分色分級(jí)。兩片板子采用雙排插針的連接方式。

CCD連接CameraLink接口，實(shí)時(shí)采集煙葉數(shù)據(jù)，由接口板FPGA發(fā)送指令采集幀圖像，采集的圖像緩存至SRAM，接口板FPGA讀取SRAM中的煙葉圖像進(jìn)行背景分割并進(jìn)行去噪處理，然后提取已設(shè)定的圖像特征，比如長(zhǎng)寬比、RGB值等。圖像的特征信息從接口板FPGA發(fā)送至處理板FPGA后，存入SRAM緩存，然后處理板FPGA將煙葉的特征信息根據(jù)已建立的分級(jí)模型算法進(jìn)行處理，然后將分色分級(jí)結(jié)果和控制信息發(fā)送到接口板，接口板將處理結(jié)果在VGA顯示并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)出來(lái)，接口板接收到的控制信息是將CCD采集的煙葉圖像和對(duì)應(yīng)的分色分級(jí)信息存儲(chǔ)至外部存儲(chǔ)設(shè)備的指令，及將接口板FPGA上SRAM里緩存的煙葉幀圖像復(fù)制給外部存儲(chǔ)。在處理過(guò)程中，F(xiàn)lash作為代碼的存儲(chǔ)芯片，在上電后從其中加載已經(jīng)設(shè)定好的代碼。

根據(jù)分色分級(jí)實(shí)時(shí)性的要求和代碼設(shè)計(jì)占用邏輯資源的情況，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)流程，所述的接口板與處理板我們都選用的是Altera公司的CycloneIV系列的FPGA，型號(hào)為EP4CF23C8N。CCD我們采用的是JVC的TK-1481BEC。接口板和處理板在處理過(guò)程中需要緩存芯片，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，這里我們選用操作簡(jiǎn)單的異步SRAM作為存儲(chǔ)。選用的是ISSI公司的IS64WV102416BL型號(hào)。在處理板上，每?jī)善琒RAM通過(guò)擴(kuò)展位寬的方式共享地址總線。VGA接口芯片采用ADV7123 高速、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。語(yǔ)音播放模塊采用的是WM8731S便攜式因特網(wǎng)音頻編解碼器芯片。外部存儲(chǔ)采用通用SD卡標(biāo)準(zhǔn)。Flash模塊負(fù)責(zé)代碼的存儲(chǔ)，根據(jù)代碼所占空間的大小我們選用ALTERA的專用Flash配置芯片EPCS128。接口板和處理板都采用JTAG接口，用來(lái)下載編譯好的代碼。

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)lash中的代碼分別加載到接口板和處理板FPGA，接口板和處理板FPGA接收到復(fù)位信號(hào)后，經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)周期的延時(shí)等待其他模塊與芯片完成復(fù)位，然后接口板FPGA通過(guò)串行通信芯片（整合在CameraLink接口芯片內(nèi)部）發(fā)送相機(jī)設(shè)置命令，每完成一條命令的發(fā)送，在CCD完成應(yīng)答信號(hào)后，再繼續(xù)發(fā)出下一條命令。完成命令的發(fā)送后，將觸發(fā)信號(hào)由串行通信芯片發(fā)送至CCD，開(kāi)始幀圖像傳輸過(guò)程。接口板FPGA根據(jù)圖像中煙葉的展開(kāi)度和光線情況選擇最合適的幀圖像進(jìn)行采集，緩存至SRAM。然后對(duì)SRAM種的煙葉圖像進(jìn)行背景分割（設(shè)定閾值），剔除圖像中與煙葉分級(jí)無(wú)關(guān)的因素，背景分割后還需要去噪處理（噪聲對(duì)分級(jí)影響較大），去除噪聲后才可以進(jìn)行特征提取，特征的提取標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)處理板FPGA里設(shè)定的煙葉分級(jí)模型來(lái)選擇的，是已經(jīng)設(shè)定好的。提取的圖像特征傳送給處理板FPGA，處理板根據(jù)已建立的分級(jí)模型算法進(jìn)行分級(jí)運(yùn)算，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、最近距離算法、聚類算法、粗集算法等中的一種或幾種對(duì)提取的特征進(jìn)行分組、分色和分級(jí)，分級(jí)結(jié)果和控制信號(hào)再傳送給接口板FPGA。接口板FPGA將煙葉的分級(jí)結(jié)果和對(duì)應(yīng)的煙葉幀圖像通過(guò)VGA顯示出來(lái)，這里我們通過(guò)同一個(gè)顯示器顯示采集到的煙葉幀圖像和分級(jí)結(jié)果，以便更直觀的認(rèn)識(shí)與判斷，語(yǔ)音播報(bào)模塊負(fù)責(zé)將分級(jí)的結(jié)果通過(guò)語(yǔ)音的形式播放出來(lái)。處理板返回給接口板的控制信號(hào)是將分級(jí)結(jié)果和對(duì)應(yīng)SDRAM中的幀圖像存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)設(shè)備里。

分級(jí)模型算法還可以使用現(xiàn)有技術(shù)中的隨機(jī)森林分級(jí)模型算法，隨機(jī)森林分級(jí)模型算法根據(jù)不同特征的值建立一定數(shù)量的分類級(jí)別，且不同類別之間是相互獨(dú)立的，利用對(duì)不同類別特征值的運(yùn)算結(jié)果對(duì)輸入的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分類。應(yīng)用隨機(jī)森林分級(jí)模型算法時(shí)，接口板FPGA將提取的圖像特征傳送給處理板FPGA，處理板根據(jù)隨機(jī)森林分級(jí)模型算法進(jìn)行分級(jí)運(yùn)算，將不同的特征值與設(shè)定的節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行運(yùn)算比對(duì)，逐層運(yùn)算，得出最終分級(jí)結(jié)果和控制信號(hào)，分級(jí)結(jié)果和控制信號(hào)再傳送給接口板FPGA。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以作出若干改變和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。