摘 要： 當(dāng)前以信號回波反饋為基礎(chǔ)的高空信息搜集系統(tǒng)缺少直觀性，反饋的信息也無法得到直觀的視覺表達，信息采集過程缺陷明顯。為了滿足新一代高空信息搜集系統(tǒng)的要求，提出以視覺圖像識別技術(shù)為基礎(chǔ)的高空信息搜集系統(tǒng)設(shè)計方法。運用ARM視覺圖像傳感器采集地面的圖像信息，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)RTL8019AS以太網(wǎng)控制模塊傳輸，S3C44BOX微處理器模塊處理，再由CCD圖像搜集模塊、解碼模塊再處理后，數(shù)據(jù)被發(fā)到監(jiān)控中心進行分析之后存入應(yīng)用服務(wù)器。軟件部分采用Visual C++編程系統(tǒng)程序，給出了CCD圖像搜集模塊以及TCP/IP通信模塊內(nèi)部引入的PLC控制器對高空視覺圖像識別下的信息搜集優(yōu)化設(shè)計流程。系統(tǒng)經(jīng)過測試證明其應(yīng)用性能良好。

關(guān)鍵詞： 圖像識別； 智能視覺； 信息搜集系統(tǒng)； ARM

中圖分類號： TN911.73?34； TP311 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0031?05

Optimization design of information collection system supported by high?altitude visual image recognition technology

HUANG Hongben

（Laboratory of Image Processing and Intelligent Information System， Wuzhou University， Wuzhou 543002， China）

Abstract： The current high?altitude information collection system based on signal echo feedback lacks of intuition， in which the feedback information can’t be expressed with intuitive vision， and the process of information collection has obvious defects. To meet the requirements of a new generation high?altitude information collection system， the design method of high?altitude information collection system based on visual image recognition technology is put forward， in which the ARM visual image sensor is adopted to collect the ground image information. The collected data is transmitted by Ethernet control module RTL8019AS， successively processed by microprocessor processing module S3C44BOX， CCD image collection module and decoding module， and then sent to the monitoring center for analysis and deposited in the application server. Visual C++ programming system procedure is applied in software. The optimization design process of information collection for high?altitude visual pattern image recognition is provided， in which PLC controlled is introduced in the interior of CCD image collection module and TCP/IP communication module. The test results prove that the application performance of this system is great.

Keywords： image recognition； intelligent vision； information collection system； ARM

0 引 言

隨著計算機技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，高空圖像識別技術(shù)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用[1]，例如醫(yī)療診斷中各種醫(yī)學(xué)圖片的分析與識別、天氣預(yù)報中的衛(wèi)星云圖識別、遙感圖片識別、指紋識別、臉譜識別等諸多領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用[2?3]，并延伸出了高空視覺圖像識別技術(shù)，在高空領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用，而高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集變成了學(xué)者們研究的熱門課題[4?5]。當(dāng)前的高空信息搜集系統(tǒng)主要以回波技術(shù)為基礎(chǔ)，通過電磁波反饋的信息重構(gòu)地面情況，但是，這種方式的弊端也較為明顯，最為直觀的是其缺少明顯的視覺反饋特性，采集信息一旦不完整，重構(gòu)過程會存在較大誤差。本文提出了一種以視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代高空信息采集系統(tǒng)的設(shè)計方法，為新一代的高空信息采集提供理論指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集系統(tǒng)包括：ARM視覺圖像傳感器模塊、RTL8019AS以太網(wǎng)控制模塊、S3C44BOX微處理器模塊、CCD圖像搜集模塊、監(jiān)控中心模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)器模塊、圖像解碼模塊、TCP/IP通信模塊、LED視覺顯示模塊等。搜集系統(tǒng)的整體框架見圖1。

圖1 搜集系統(tǒng)整體框架

在圖1中，系統(tǒng)通過不同編號的ARM視覺圖像傳感器采集地面上的圖像信息。采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)RTL8019AS以太網(wǎng)控制模塊傳輸，S3C44BOX微處理器模塊處理，再由CCD圖像搜集模塊、解碼模塊再處理后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到監(jiān)控中心進行分析，通過LED視覺顯示之后存入應(yīng)用服務(wù)器。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計

2.1 ARM視覺圖像傳感模塊的硬件設(shè)計

基于ARM的高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息采集硬件系統(tǒng)的核心部分是三星S3C44BOX微處理器與RTL8019AS以太網(wǎng)控制器。該監(jiān)控器的內(nèi)部集成了以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議棧。圖像采集模塊與監(jiān)控器之間使用USB接口進行連接，從而實現(xiàn)了采集中心對現(xiàn)場的實時信息顯示。ARM視覺圖像傳感模塊的硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 ARM傳感模塊的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2能夠得知，ARM的外圍電路主要包括以下部分：

（1） [10100 Mb/s]以太網(wǎng)控制器，其主要功能是接入Ethernet。

（2） 多路可編程接口，其主要功能是與現(xiàn)場設(shè)備進行通信。

（3） 兩個UART，利用EIA232或EIA485接口進行通信。其中EIA232接口能夠作為在線編程數(shù)據(jù)傳輸接口。

（4） 一個USB Device口，其主要功能是與現(xiàn)場視覺采集模塊進行通信。

2.2 以太網(wǎng)通信接口模塊的硬件設(shè)計

ARM視覺圖像傳感模塊的設(shè)計為以太網(wǎng)通信接口模塊的設(shè)計帶來了一定的約束條件，利用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集系統(tǒng)與采集中心進行遠程連接。根據(jù)現(xiàn)場視覺圖像數(shù)據(jù)的傳輸要求，需要對通信接口進行設(shè)計。

RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片在以太網(wǎng)的訪問層和物理層能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，其中包括視覺圖像數(shù)據(jù)的接收與傳輸、地址信息識別、CRC編碼/解碼、信號傳輸路徑檢測等。在RTL8019AS的外部總線上，ARM處理器進行MAC幀的讀寫。根據(jù)視覺圖像數(shù)據(jù)傳輸路徑的不同，在RTL8019AS內(nèi)部能夠劃分成本地DMA通道與遠程DMA通道。本地DMA通道的功能是實現(xiàn)控制器與網(wǎng)絡(luò)的信息交換。ARM處理器對遠程DMA通道進行操作即可實現(xiàn)視覺圖像數(shù)據(jù)的收發(fā)，以太網(wǎng)通信接口模塊的硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)通信接口模塊硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖3中，當(dāng)ARM處理器需要向監(jiān)控中心發(fā)送視覺圖像數(shù)據(jù)時，先將一幀圖像利用遠程DMA通道傳輸至RTL8019AS中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后下達發(fā)送指令。RTL8019AS在結(jié)束上一幀圖像的發(fā)送后，再發(fā)送當(dāng)前幀圖像。RTL8019AS接收到的圖像與MAC進行對比，然后利用CRC進行校驗。校驗完畢后，由FIFO存儲到緩沖區(qū)，接收結(jié)束之后，采用中斷指令的方式通知ARM處理器，ARM處理器再利用遠程DMA通道接收這一幀視覺圖像。

2.3 RCRTL8019AS通信接口模塊的硬件設(shè)計

RCRTL8019AS與以太網(wǎng)進行通信時，需要利用FB2022濾波芯片進行連接。RCRTL8019AS與以太網(wǎng)接口的連接如圖4所示。

圖4 RTL8019與以太網(wǎng)連接圖

圖4中，F(xiàn)B2022濾波芯片的主要功能是用于與以太網(wǎng)進行連接。TPOUT+、TPOUT-、TPin+、TPin-是RCRTL8019AS芯片的4個輸出信號的引腳。FB2022的右側(cè)接口是以太網(wǎng)RJ45A的接口。利用RJ45雙絞線與以太網(wǎng)相連接。

2.4 CCD圖像搜集模塊的硬件設(shè)計

RCRTL8019AS通信接口模塊設(shè)計完成之后需要設(shè)計視覺圖像搜集模塊，視覺圖像搜集模塊的構(gòu)成主要有兩部分：第一部分是CCD圖像傳感器，本文系統(tǒng)采用TAS5130D1B CCD圖像傳感器。CCD圖像搜集模塊的硬件設(shè)計如圖5所示。

圖5 圖像搜集模塊的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

第二部分是圖像后臺處理部分，其中包括產(chǎn)生圖像傳感器的時序、讀取圖像傳感器的數(shù)據(jù)、圖像的處理及壓縮等功能。上述功能通過元器件ET61×251實現(xiàn)。實現(xiàn)的過程是：首先將搜集的視覺圖像數(shù)據(jù)按照一定格式，通過USB接口發(fā)送到ARM處理器；然后經(jīng)過以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS發(fā)送到監(jiān)控中心；最后由監(jiān)控中心的計算機進行接收和顯示，從而完成了系統(tǒng)整體模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集。

3 軟件設(shè)計

3.1 CCD圖像搜集模塊軟件流程設(shè)計

CCD圖像搜集模塊的軟件部分采用Visual C++編程實現(xiàn)，其中包括若干module語句。視覺圖像信息采集與信息傳輸部分的Verilog HDL模塊主要有：Set_sample.v，Bus_assign.v，Wr.v，Rd.v、Delay.v等。上述模塊之間能夠進行通信聯(lián)系。TCP/IP搜集系統(tǒng)通信模塊的軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 CCD圖像搜集模塊流程圖

圖6中，各個模塊的功能如下所述：

（1） Set_sample.v視覺圖像搜集同步模塊。

輸入圖像數(shù)據(jù)：pcicon0。啟動搜集視覺圖像信息：Vref，場參考視覺圖像信息；Rts0，奇偶場標(biāo)準(zhǔn)視覺圖像信息。輸出圖像數(shù)據(jù)：sig_frame，采集同步輸出視覺圖像信息，高電平有效，進行高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集和總線管理。Sig_field，搜集同步場參考視覺圖像信息。

（2） Delay.v延時模塊。該模塊主要有行延時和像素延時。

（3） Wr.v視覺圖像寫入模塊。如果接收到行延時和像素延時結(jié)束信息時，則產(chǎn)生相應(yīng)的地址信息，并通過sram寫時序產(chǎn)生相關(guān)寫入信息。

（4） Rd.v視覺圖像信息讀取模塊。在從sram中讀取視覺圖像數(shù)據(jù)時，通過sram的讀取時序，產(chǎn)生對應(yīng)的讀取地址和讀取信息。

（5） Bus_assign.v總線管理模塊。其主要功能是負(fù)責(zé)系統(tǒng)地址總線的更換，以及在信息搜集系統(tǒng)中不同的芯片之間進行數(shù)據(jù)連接等。寫入地址與sram地址相連通；讀取地址與sram地址線相連通。

3.2 系統(tǒng)程序代碼實現(xiàn)

本文設(shè)計的高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集系統(tǒng)對信息的搜集軟件程序代碼如下：

function [collect ]=obj_collect（pop） //啟動并進行初始化

[r c]=size（pop），x=pop；collect=zeros（r，1）；

//在搜集高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息

Set_sample.v=zeros（r，1），sn=[x（i+56） x（i+56*2） x（i+56*3）

//進行同步搜集信息

x（i+56*4）]，for m=1：c[rn cn]=size（sn）；

//將各規(guī)則中的信息順序進行排列

Delay.v=size（sf）/for j=1：cn；for k=1：cf； //進行時延處理

Wr.v=（mx（sn（j））?mx（sf（k）））^2+（my（sn（j））?my（sf（k）））^2；

//寫入視覺圖像數(shù)據(jù)

Rd.v=setdiff（sf，sn（j）），%sn=setdiff（sn，sn（j））；

//高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息讀取

Bus_assign.v=（（sx（k）?mx（x（i+（m?1）*r）））^2+（sy（k）?my（x（i+（m?1）*r）））^2）^0.5； //通過搜集信息進行總線管理

collect（i，1）=collect（i，1）/（10^8），collect（i，1）=1/collect（i，1）end%collectend； //信息搜集結(jié)束

高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜索系統(tǒng)提供了一項主動服務(wù)： 如果搜集信息改變將通知用戶。當(dāng)信息改變時，系統(tǒng)會識別出哪個變化的信息與系統(tǒng)的命令有關(guān)，再將新信息報告給用戶。系統(tǒng)程序代碼的實現(xiàn)驗證了設(shè)計的高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜索系統(tǒng)的有效性。

4 實驗與分析

為了驗證本文設(shè)計的高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集系統(tǒng)的有效性，需要進行一次實驗。實驗構(gòu)建實驗環(huán)境，利用不同系統(tǒng)進行視覺圖像信息搜集。本文實驗環(huán)境用圖7進行描述。

圖7 視覺圖像信息搜集實驗環(huán)境

以文獻[6]中的信息回波控制技術(shù)為基礎(chǔ)進行對比，傳統(tǒng)的信息搜集系統(tǒng)以文獻[4]中的技術(shù)為基礎(chǔ)進行視覺圖像信息搜集，獲取的實驗結(jié)果用圖8進行描述。

圖8 文獻[6]系統(tǒng)搜集結(jié)果

利用本文系統(tǒng)進行視覺圖像信息搜集，獲取的實驗結(jié)果用圖9進行描述。

圖9 本文系統(tǒng)搜集結(jié)果

根據(jù)圖8，圖9的實驗結(jié)果能夠得知，利用文獻[6]系統(tǒng)搜集到的視覺圖像信息較少，這是因為在信息搜集的過程中，由于搜集目標(biāo)來回移動，從而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確搜集到當(dāng)前搜集范圍內(nèi)目標(biāo)的變化信息，降低搜索效率。而利用本文的系統(tǒng)則能夠避免上述缺陷，提高了目標(biāo)信息搜集的效率。

在實驗的過程中，隨著待搜集目標(biāo)數(shù)目的不斷增加，利用不同系統(tǒng)進行目標(biāo)視覺圖像信息搜集，獲取的實驗結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)圖10的實驗結(jié)果能夠得知，隨著待搜集目標(biāo)數(shù)目的不斷增加，利用本文系統(tǒng)進行高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集，極大地縮短了搜集時間。對上述過程中的實驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，得到實驗結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的實驗結(jié)果能夠得知，利用本文系統(tǒng)進行高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集能夠極大縮短搜集過程消耗的時間，從而提高了搜集的效率，充分體現(xiàn)了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

圖10 不同算法搜集時間

表1 不同系統(tǒng)搜集消耗時間數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)不能實時搜集高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息，本文提出一種高空視覺圖像識別技術(shù)下的信息搜集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。硬件部分以三星S3C44B0X微處理器與RTL8019AS以太網(wǎng)控制器為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了各部分的設(shè)計方法。軟件部分采用Visual C++編程系統(tǒng)程序，重點闡述了信息采集與信息傳輸部分的Verilog HDL模塊，并給出信息搜集的源程序。仿真實驗結(jié)果表明，利用本文系統(tǒng)能夠有效縮短搜集的時間，提高了搜集效率，效果令人滿意。

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