唐婧壹

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011）

0 引言

當(dāng)前在眾多工業(yè)企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的一般是由PC 機(jī)、圖像采集卡以及CCD 攝像頭構(gòu)成的圖像處理采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)存在功耗高、結(jié)構(gòu)繁瑣，價(jià)格昂貴，體積大等眾多弊端。近幾年來，隨著微軟Vista操作系統(tǒng)面世，PC 用戶能夠使用Instant on 功能，給單片機(jī)發(fā)展提供了廣闊的前景，一種克服傳統(tǒng)圖像處理采集系統(tǒng)的諸多弊端的智能控制及智能處理功能的微型圖像處理采集系統(tǒng)成為研究的對(duì)象。本文是以TI 的單片機(jī)lm4f120h5qr 為處理器，以O(shè)V7670（帶FIFO）為圖像傳感器，以ILI9327 為顯示的圖像采集、處理與顯示的系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)是智能小車循跡的基礎(chǔ)，需要進(jìn)行圖像處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）整體連接。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的管腳介紹和實(shí)際管腳分布情況，做出了攝像頭、LCD 與單片機(jī)的管腳連接，為了連接方便，加入轉(zhuǎn)接板。

（2）單片機(jī)。單片機(jī)lm4f120h5qr 是由TI 公司推出的32 位單片機(jī)：時(shí)鐘頻率高達(dá)80MHz，帶有Flash 存儲(chǔ)器，容量是256KB；采用ICDI 調(diào)試接口，Stellaris ICDI只支持通過JTAG 調(diào)試。安裝完ICDI 驅(qū)動(dòng)后會(huì)在PC 上虛擬一個(gè)串口，用這個(gè)串口來輸出調(diào)試信息是很方便的，代碼通過ICDI 燒到板子中去。

（3）攝像頭：設(shè)計(jì)所選用的攝像頭Ov7670（fifo），其有效像素為640×480（即30W）；所用的輸出格式為QVGA（240*320），在攝像頭內(nèi)部，裝設(shè)有一個(gè)fifo 芯片（AL422B），這個(gè)芯片的容量是384K 字節(jié)，可以用來存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，它的大小足夠用來存儲(chǔ)兩幀的QVGA 格式數(shù)據(jù)ov7670 模塊的自身就帶有源晶振,它可以產(chǎn)生12M時(shí)鐘信號(hào)，并以這個(gè)信號(hào)作為ov7670 時(shí)鐘信號(hào)的輸入做出了攝像頭與單片機(jī)的管腳分配和連接。如圖1 所示。

圖1 攝像頭與單片機(jī)的管腳分配和連接示意圖

（4）顯示屏：設(shè)計(jì)所選用的液晶顯示屏型號(hào)為FPC2667，它是TFT-LCD 液晶顯示屏中的一種,控制器為ili9327：像素為240RGB*432（設(shè)計(jì)中為240*320）GRAM 為233280字節(jié)支持18-/16-/9-/8-比特的數(shù)據(jù)總線接口，有8 位數(shù)據(jù)接口做出了LCD 與單片機(jī)的管腳連接。如圖2 所示。

（5）轉(zhuǎn)接板：在電腦主板生產(chǎn)時(shí)，需對(duì)PCI 這個(gè)功能測(cè)試，那么就一定需要一個(gè)PCI 卡插入主板的PCI 插槽。在長(zhǎng)時(shí)間的插拔過程中，一定會(huì)對(duì)頻繁插入的PCI 設(shè)備卡產(chǎn)生磨損。這時(shí)，PCI PCB 轉(zhuǎn)接卡，就發(fā)揮其作用。有利的保護(hù)PCI 設(shè)備卡。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)PCB 轉(zhuǎn)接板工藝圖如圖3 所示。

圖2 LCD 與單片機(jī)的管腳連接

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

（1）系統(tǒng)時(shí)鐘配置：系統(tǒng)時(shí)鐘由ST89C51 單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路、外部中斷和顯示電路5 個(gè)模塊組成。其中以單片機(jī)模塊為核心模塊，主導(dǎo)其余四個(gè)模塊工作，1602 顯示模塊用來顯示秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)單位中的值。實(shí)現(xiàn)電路的總體功能是通過AT89c51 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)施其實(shí)現(xiàn)過程是通過軟件延時(shí)輔助，對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器程序進(jìn)行中斷定時(shí)，達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘配置要求。

（2）初始化LCD：初始化LCD 就是初始化模塊的寄存器，通過寫入預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)，對(duì)LCD 特性進(jìn)行設(shè)置，在控制器的寄存器寫入預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)之前，首先對(duì)先復(fù)位一下控制端部的外部硬件。為使LCD 復(fù)位正確，要加個(gè)低電平的脈沖于LCD 模塊的復(fù)位端口。

（3）中斷初始化：系統(tǒng)采用了一個(gè)外部中斷，用它來捕捉VSYNC 同步信號(hào)，然后在中斷里邊啟動(dòng)ov7670 這個(gè)模塊的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等到下次VSYNC 同步信號(hào)到來的時(shí)候，我們就關(guān)閉圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這樣的話，一幀圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)就完成了，這個(gè)時(shí)候，就可以在主函數(shù)里邊將這一幀數(shù)據(jù)讀取出來，傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)，開始下一幀圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)就這樣往復(fù)循環(huán)。

（4）存儲(chǔ)讀取圖像數(shù)據(jù)：系統(tǒng)選用MCLK 與SMCLK的時(shí)鐘源為XT2，實(shí)現(xiàn)各時(shí)鐘信號(hào)的同步，并且等待XT2晶振的起振，調(diào)用串口初始化函數(shù)，完成串口初始化。接著，要調(diào)用攝像頭中斷初始化函數(shù)、攝像頭初始化函數(shù)、攝像頭寫復(fù)位函數(shù)、攝像頭圖像捕獲函數(shù)以及讀復(fù)位函數(shù)，初始化攝像頭并且打開外部中斷，準(zhǔn)備捕獲圖像。然后進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與讀取數(shù)據(jù)。如圖4 所示。

圖4 存儲(chǔ)讀取圖像數(shù)據(jù)示意圖

（5）圖像處理。為了兼顧算法的準(zhǔn)確性和快速性，我將在數(shù)碼管的七個(gè)部分上分別各取9 個(gè)點(diǎn)，存于數(shù)組中，去掉其中的最大和最小值，然后剩下的7 個(gè)點(diǎn)的Y值取平均值，如果大于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為亮，如果小于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為滅。依次判斷好數(shù)碼管7 個(gè)部分的亮滅情況后，匯總結(jié)果，就能得出數(shù)碼管顯示的數(shù)字是多少。9 個(gè)點(diǎn)，存于數(shù)組中，去掉其中的最大和最小值，然后剩下的7 個(gè)點(diǎn)的Y 值取平均值，如果大于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為亮，如果小于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為滅。依次判斷好數(shù)碼管的好壞。

3 圖像處理

（1）RGB 轉(zhuǎn)灰度色：對(duì)于彩色轉(zhuǎn)灰度，有一個(gè)很著名的心理學(xué)公式Gray =R*0.299+G*0.587+B*0.11。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，希望避免低速的浮點(diǎn)運(yùn)算，所以需要整數(shù)算法。注意到系數(shù)都是3 位精度的沒有，實(shí)現(xiàn)整數(shù)運(yùn)算算法是通過將它們縮放1000 倍心理學(xué)公式完成，即Gray =（R*299+G*587+B*114+500）/1000。

（2）中值濾波：中值濾波是一種典型的低通濾波器，是較為理想的非線性濾波技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠較好地保護(hù)目標(biāo)圖像邊緣，可抑制脈沖噪聲，濾除尖波干擾噪聲。在對(duì)圖像進(jìn)行操作時(shí)，可以按灰度等級(jí)目的把局部區(qū)域的像素排序，將灰度的中值設(shè)置為灰度值。其流程如下：首先通過在濾波模板漫游模式，把圖中某個(gè)像素位置與模板中心進(jìn)行重合；然對(duì)讀取模板中各對(duì)應(yīng)像素的灰度值后自小到大進(jìn)行排序；最后取中間數(shù)據(jù)加入相對(duì)應(yīng)模板像素中心位置。這樣就會(huì)對(duì)孤立的噪聲像素即椒鹽噪聲、脈沖噪聲具有良好的濾波效果。

（3）閾值分割：閾值分割法可分為與局部?jī)煞N模式。局部模式就是把原始圖像分成若干個(gè)劃分小圖像，然后對(duì)每一個(gè)子圖像進(jìn)行閾值選取，可以改善分割效果，值得注意的是，在使用局部模式后，相互接觸的子圖像的邊沿處有時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊不連續(xù)性灰度級(jí)，這種情況要使用平滑技術(shù)修復(fù)。局部模式一般用灰度差直方圖法與微分直方圖法進(jìn)行操作。在實(shí)際操作中注意把握以下幾個(gè)兩點(diǎn)：首先所取舍的每一塊子圖像尺寸要適當(dāng)，不可過大或者過小，以免影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果；二是所取舍的每一塊子圖像是任意分割的，避免出現(xiàn)子圖像落在目標(biāo)或者背景區(qū)域的現(xiàn)象，避免出現(xiàn)分割值出現(xiàn)較大的誤差。局部模式的閾值法雖然效果較好，但需要對(duì)分割的對(duì)每個(gè)子圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，操作相對(duì)較慢，難以滿足實(shí)時(shí)性的需求。

（4）提取骨架：圖像細(xì)化（骨架化）是進(jìn)行圖像識(shí)別、線條類圖像目標(biāo)分析的重要手段。其基本步驟如下：讀取圖像文件—用graythreash 函數(shù)計(jì)算閾值—調(diào)用bwmorph 函數(shù)去除物體的邊界像素—其余像素組成圖像骨架并顯示。

4 結(jié)束語

全文以單片機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理為中心，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)圖像采集與處理的功能，包括攝像頭模塊經(jīng)平滑濾波，閾值分割，骨架提取等，并通過上位機(jī)軟件的編寫來顯示圖像。測(cè)量精度非常高，經(jīng)過測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為智能車循跡奠定了基礎(chǔ)。

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