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(紹興職業(yè)技術學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000)

0 引言

高幀頻拍照設備拍攝頻率高，每秒拍攝畫面多，拍攝角度更全方位，且像素極為清晰，現(xiàn)已被各領域廣泛使用，致使當前的圖像絕大多數(shù)為高幀頻二維圖像[1]。結合數(shù)字技術，可將高幀頻二維圖像進行壓縮、編碼等處理，使更多需要對圖像進行多樣處理的領域獲得便捷手段[2]。要對這種高幀頻二維數(shù)字圖像進行處理，就需要對圖像數(shù)據(jù)進行采集，在圖像數(shù)據(jù)采集過程中，面臨的最大問題就是采集速率的控制[3]。網(wǎng)絡環(huán)境下的高幀頻二維數(shù)字數(shù)據(jù)具有不穩(wěn)定性、復雜性、靈活度較高等特點，導致難以對數(shù)據(jù)采集速率進行控制[4]。相關專家對該問題進行研究，已取得一定成果。文獻[10]依據(jù)SPRINT算法原理，對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行預處理，計算數(shù)據(jù)最佳分裂時間，生成中心站點決策樹，從而設計出高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集速率較低，控制效果并不理想。為此，提出改進設計的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)硬件和軟件數(shù)據(jù)采集、過濾、采集速率控制功能的改進，完成系統(tǒng)設計。實驗證明，該系統(tǒng)采集速率高，采集精度高，采集耗時少。

1 系統(tǒng)硬件設計

依據(jù)數(shù)據(jù)采集速率控制需求，對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)進行設計。系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。數(shù)據(jù)采集電路和電源電路是系統(tǒng)硬件最重要的兩個部分。對數(shù)據(jù)采集電路和電源電路進行改進設計，可大幅度提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率和數(shù)據(jù)采集精度，使系統(tǒng)能夠更好的對數(shù)據(jù)采集速率進行控制。具體改進設計過程如下。

1.1 數(shù)據(jù)采集電路

良好的數(shù)據(jù)采集電路必須依靠性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)采集卡，選用KPCI-811數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)采集電路進行改進設計[5]。KPCI-811數(shù)據(jù)采集卡具有多功能性，它不僅可以高精度的對數(shù)據(jù)進行采集，還能對數(shù)據(jù)采集信號進行控制，對數(shù)據(jù)進行輸入輸出控制。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡，便可將數(shù)據(jù)的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到計算機中加以存儲，再取出相應的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出給其他外部電路設備。給出高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路

由圖1可知，采集信號先到達數(shù)據(jù)信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該模塊將采集信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，F(xiàn)IFO模塊對數(shù)字信號進行緩存，PIC接口模塊則采用DMA內(nèi)存分配方法，結合配置芯片中的數(shù)據(jù)信號配置信息，將傳送來的數(shù)字信號傳輸?shù)絇C端進行存儲待用[6]?？刂颇K則起到數(shù)據(jù)采集過程采集速率的控制作用，以時鐘信號為標記，將數(shù)字信號的狀態(tài)做好記錄，根據(jù)信號狀態(tài)發(fā)送不同的控制信號，下達控制指令。

1.2 電源電路

電源電路是系統(tǒng)硬件設備中不可缺少的組成部分，電源電路設計的合理性可去報高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)安全地運行。改進設計的控制系統(tǒng)中所有電源均為直流電源。將電源電壓恒定控制在24 V、測距電壓控制在5 V。利用穩(wěn)壓芯片TPS76822構建電源電路，設定其電壓均為3.3 V[7]。在進行高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集過程中，要達到功率最大，需設定電壓為24 V，最大工作電流為0.825A。給出電源電路圖如圖2所示。

圖2 電源電路

綜上所述，完成高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)硬件部分的設計，為系統(tǒng)軟件設計提供最高配置的硬件環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設計

高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)的軟件功能主要包括：數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的過濾，數(shù)據(jù)采集速率的控制。利用高潮圖聚類方法對數(shù)據(jù)進行采集，過濾掉沒有采集價值的數(shù)據(jù)，引入小波理論對數(shù)據(jù)采集速率進行控制，完成系統(tǒng)軟件部分的優(yōu)化開發(fā)。具體描述過程如下。

2.1 高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集

引入超圖聚類方法對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，首先利用神經(jīng)網(wǎng)絡采集算法對二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)采集過程中，對圖像數(shù)據(jù)集C進行訓練，由此可以獲得一個數(shù)據(jù)采集器Bi,根據(jù)二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集效率的估計和圖像數(shù)據(jù)屬性值的計算結果融合，得到數(shù)據(jù)采集函數(shù)和每個數(shù)據(jù)點隸屬數(shù)據(jù)采集函數(shù)的概率，由此完成對二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集。

根據(jù)對二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)集的訓練，給出神經(jīng)網(wǎng)絡采集算法對圖像數(shù)據(jù)采集效率的估計：

(1)

其中:α代表神經(jīng)網(wǎng)絡采集算法對圖像數(shù)據(jù)采集效率的估計值，i代表圖像數(shù)據(jù)集個數(shù)，C代表圖像數(shù)據(jù)集，m代表圖像數(shù)據(jù)屬性值。

依據(jù)高斯分布的生成，獲得新的圖像數(shù)據(jù)屬性集，則有數(shù)據(jù)屬性集T：

(2)

其中:w代表影響圖像數(shù)據(jù)采集的參數(shù)，實驗結果表明，當此參數(shù)控制在1-2區(qū)間內(nèi)，圖像數(shù)據(jù)采集的精度最高，x代表圖像數(shù)據(jù)采集系數(shù)，該系數(shù)為1時的數(shù)據(jù)采集效率最高，改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率最貼近于最高數(shù)據(jù)采集效率。

將圖像數(shù)據(jù)采集效率的估計值與數(shù)據(jù)屬性值相融合，得到圖像數(shù)據(jù)采集函數(shù)：

(3)

其中:R代表圖像數(shù)據(jù)采集函數(shù)值，Bi代表圖像數(shù)據(jù)采集器。

高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集過程中，每個數(shù)據(jù)點隸屬數(shù)據(jù)采集函數(shù)的概率為：

(4)

其中:P代表每個數(shù)據(jù)點隸屬數(shù)據(jù)采集函數(shù)的概率，j代表圖像數(shù)據(jù)點個數(shù)。

通過上述計算結果可知，因為每個數(shù)據(jù)點隸屬數(shù)據(jù)采集函數(shù)的概率，對二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集有很大影響，所以當P(xj)≥90時，圖像數(shù)據(jù)采集得以實現(xiàn)，由于在數(shù)據(jù)采集第一步時對圖像數(shù)據(jù)采集效率進行了估計，因此P(xj)<90的概率基本可以忽略。

2.2 高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的過濾

利用OCTEON多核處理器對采集的數(shù)據(jù)進行過濾[8]。過濾過程中，首先判斷其是否為值得采集的數(shù)據(jù)，然后利用圖像數(shù)據(jù)的線性相關性矩陣是否超過無用數(shù)據(jù)的閾值，來判斷無用數(shù)據(jù)的存在，如果存在無用數(shù)據(jù)，找出無用數(shù)據(jù)存在節(jié)點，并將其過濾掉。利用OCTEON多核處理器對采集數(shù)據(jù)進行過濾的具體過程如下。

為了使過濾的數(shù)據(jù)更貼近圖像數(shù)據(jù)中值得采集的數(shù)據(jù)函數(shù)，假設，SS0代表圖像數(shù)據(jù)原始簇的中心集，則有：

re.XY=SS0

(5)

其中:re.XY代表圖像數(shù)據(jù)根節(jié)點的預備中心集。排除數(shù)據(jù)根節(jié)點，對所有數(shù)據(jù)節(jié)點n進行下列設置：

n.XY=pn.XY

(6)

其中:pn.XY代表圖像數(shù)據(jù)節(jié)點n的上級數(shù)據(jù)節(jié)點預備中心集。

以上述計算為依據(jù)，分析圖像數(shù)據(jù)原始簇的中心集SS0，得到數(shù)據(jù)活動簇中心子集SSactive，如果SSactive=re.XYactive,那么過濾的數(shù)據(jù)更貼近圖像數(shù)據(jù)中值得采集的數(shù)據(jù)函數(shù)。

利用圖像數(shù)據(jù)的線性相關性矩陣是否超過無用數(shù)據(jù)的閾值驗證公式，判斷數(shù)據(jù)是否為無用數(shù)據(jù)，如果為無用數(shù)據(jù)便將其過濾掉。設定圖像數(shù)據(jù)的線性相關性矩陣為Wg*g，并對其進行計算，如果線性相關性矩陣計算結果超過分布式數(shù)據(jù)中無用數(shù)據(jù)閾值(圖像無用數(shù)據(jù)閾值范圍為0.01-0.02)，那么便認為此圖像數(shù)據(jù)為無用數(shù)據(jù)，則圖像數(shù)據(jù)的線性相關性矩陣是否超過無用數(shù)據(jù)的閾值驗證公式為：

(7)

根據(jù)式(7)可判斷圖像數(shù)據(jù)的線性相關性矩陣是否超過無用數(shù)據(jù)的閾值，如果已經(jīng)超過，便找出無用數(shù)據(jù)節(jié)點所在位置，并利用OCTEON多核處理器將其過濾出去，完成對圖像數(shù)據(jù)中無用數(shù)據(jù)的過濾。

2.3 圖像數(shù)據(jù)采集速率的控制

以上述數(shù)據(jù)為基礎，基于小波理論對過濾后的數(shù)據(jù)進行采集速率控制。對數(shù)據(jù)采集速率進行控制，主要取決于兩個數(shù)據(jù)類的相似度，所以要先構建圖像數(shù)據(jù)相似度模型，然后根據(jù)相似度模型將圖像數(shù)據(jù)進行采集速率控制，最后以H(k,c)所有變化值的和，得到所有圖像數(shù)據(jù)類間的相似度，并對其進行分組操作，由此完成對圖像數(shù)據(jù)采集速率控制過程。

假設，構建一個圖像數(shù)據(jù)相似度模型H(F,K)，其中F代表圖像數(shù)據(jù)頂點集，K代表圖像數(shù)據(jù)相似度集，且每個數(shù)據(jù)相似度k∈K有一個權重M(k)，數(shù)據(jù)頂點沒有權重。由于在圖像數(shù)據(jù)采集中，數(shù)據(jù)相似度k與數(shù)據(jù)類c同為數(shù)據(jù)頂點的集合，那么它們之間的關系可定義為：

(8)

其中:H(k,c)代表圖像數(shù)據(jù)相似度與數(shù)據(jù)類頂點的關系，|k|代表圖像數(shù)據(jù)相似度k中的頂點數(shù)目，|c|代表圖像數(shù)據(jù)類c中頂點數(shù)目，|k∩c|代表k和c的交集數(shù)目。

假設，將圖像數(shù)據(jù)類ci與cj進行聚類，對于一個數(shù)據(jù)相似度(|k∩ci|)≠κ，κ代表圖像數(shù)據(jù)類別總數(shù)目，如果H(k,ci)>H(k,cij)表示著圖像數(shù)據(jù)相似度k中有數(shù)據(jù)類cj中的頂點，且k中包含了cj的多數(shù)頂點，所以H(k,c)值的波動，體現(xiàn)了cj和ci間就數(shù)據(jù)相似度k而言的近似度。

根據(jù)上述內(nèi)容，給出圖像數(shù)據(jù)類c的速率函數(shù)：

(9)

其中:Q(c)代表圖像數(shù)據(jù)類c的速率。圖像數(shù)據(jù)類c的速率是所有圖像數(shù)據(jù)相似度k權重H(k,c)值的和，該權重是依據(jù)數(shù)據(jù)相似度k以及其數(shù)據(jù)類c的頂點數(shù)目分配的。

綜上所述，根據(jù)比較速率控制前后的圖像數(shù)據(jù)類的相似度來決定速率控制與否，由此將圖像數(shù)據(jù)速率指數(shù)定義為：

f(ci,cj)=Q(ci)-Q(cj)

(10)

其中:f代表圖像數(shù)據(jù)速率指數(shù)，Q(ci)代表圖像數(shù)據(jù)類ci的速率，Q(cj)代表圖像數(shù)據(jù)類cj的質(zhì)量。H(k,c)的變化體現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)合并類間的相似度變化，計算H(k,c)所有變化值的和，便能得到所有圖像數(shù)據(jù)類間的相似性。由此完成對圖像數(shù)據(jù)的采集速率控制。

根據(jù)以上步驟，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路和電源電路等硬件設備進行優(yōu)化，通過改進開發(fā)系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)采集速率控制功能，完成高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)的設計。

3 實驗結果與分析

為了驗證改進設計的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)的性能，需要進行一次仿真實驗。在Simulink的環(huán)境下搭建高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集實驗仿真平臺。實驗數(shù)據(jù)取自于東北大學微機室1 000臺帶有此網(wǎng)絡的計算機，在該實驗中，利用小波理論對1 000臺計算機中的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行高精度采集。以此觀察改進系統(tǒng)的有效性和可行性。

圖像數(shù)據(jù)采集時間是直接反應數(shù)據(jù)采集速率快慢的關鍵因素，分別采用文獻[8]系統(tǒng)、文獻[9]系統(tǒng)和改進系統(tǒng)對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，測試三種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間，測得三種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間對比結果如表1所示：

表1 三種不同系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)采集時間對比

通過分析表1可得知，采用文獻[8]系統(tǒng)對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，其平均數(shù)據(jù)采集時間約為22 s，其數(shù)據(jù)采集時間隨數(shù)據(jù)集的增加大幅度增加。采用文獻[9]系統(tǒng)對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，其平均數(shù)據(jù)采集時間約為16 s，相對文獻[8]系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集時間隨數(shù)據(jù)集的增加，增長幅度較小。采用改進系統(tǒng)對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，其平均數(shù)據(jù)采集時間約為5 s，且數(shù)據(jù)采集時間隨數(shù)據(jù)集的增加增長幅度極小。對比三種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間結果，文獻[9]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間比文獻[8]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間縮短了一半，改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間近乎是文獻[9]系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時間的一半，因此可得，改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間遠遠小于前兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間，這是由于改進系統(tǒng)在數(shù)據(jù)過濾方面利用了OCTEON多核處理器對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行過濾，一是過濾掉惡意數(shù)據(jù)，二是將沒有采集價值的數(shù)據(jù)過濾掉，減少了采集時所用時間，提高了采集速率。實驗結果充分說明，改進系統(tǒng)的采集速率更快，采集速率控制精度更高，驗證了改進系統(tǒng)的有效性。

圖像數(shù)據(jù)采集效率是所設計的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)的最重要性能指標，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)進行高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集，測試兩種種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率，對比兩種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率(%)結果如圖3所示。

圖3 兩種不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速率對比結果

分析圖3得知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，在數(shù)據(jù)集從5個增加到7個的過程中，其數(shù)據(jù)采集速率大幅度上升，但其他階段數(shù)據(jù)采集速率變化較為平穩(wěn)，平均數(shù)據(jù)采集速率保持在38%左右。采用改進系統(tǒng)對高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行采集，在數(shù)據(jù)集從0個增加到6個的過程中，其數(shù)據(jù)采集速率大幅度增長，后續(xù)階段數(shù)據(jù)采集速率基本保持穩(wěn)定，其數(shù)據(jù)采集速率整體隨圖像數(shù)據(jù)集的增加呈上升趨勢，平均數(shù)據(jù)采集速率保持在92%左右。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集速率結果發(fā)現(xiàn)，改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率遠遠大于傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率，充分說明改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率更高，速率控制的更好，驗證了改進系統(tǒng)的可行性。

圖像數(shù)據(jù)采集精度間接影響圖像數(shù)據(jù)的采集速率，若數(shù)據(jù)采集速率快，但數(shù)據(jù)采集精度低，那么所設計的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)是毫無實際意義的，因此對改進系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集精度進行測試，并結合文獻[9]系統(tǒng)、文獻[10]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度進行對比，測得三種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度(%)對比結果如圖4所示。

圖4 三種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度對比結果

通過圖4可知，三種不同系統(tǒng)在進行高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集時，均出現(xiàn)三次數(shù)據(jù)采集精度峰值，且都是在圖像數(shù)據(jù)集為0～10個，15～20個，40～45個時發(fā)生的。文獻[9]系統(tǒng)的三次數(shù)據(jù)采集精度峰值分別為50%，40%，20%。其平均數(shù)據(jù)采集精度約為35%。文獻[10]系統(tǒng)的三次數(shù)據(jù)采集精度峰值分別為60%，50%，42%。其平均數(shù)據(jù)采集精度約為50%。改進系統(tǒng)的三次數(shù)據(jù)采集精度峰值分別為90%，80%，70%。其平均數(shù)據(jù)采集精度約為80%。對比三種不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度結果，文獻[10]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度大于文獻[9]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度遠遠大于前兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，近乎是文獻[9]系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度的兩倍。實驗結果充分說明，改進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度更高，數(shù)據(jù)采集速率控制更高，驗證了改進系統(tǒng)的實用性。

綜合以上實驗說明，所設計的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集耗時少，采集速率高，采集精度高，具有良好的速率控制效果，實用性和有效性強，滿足圖像數(shù)據(jù)采集速率的需求。

4 結束語

改進設計的高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的采集耗時較長，采集速率較低，采集精度較低等問題。選用更優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)采集電路和電源電路進行改進，完善系統(tǒng)硬件設備，優(yōu)化開發(fā)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)采集速率控制三個軟件功能，完成高幀頻二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集效率控制系統(tǒng)的設計。通過實驗證明，改進的數(shù)據(jù)采集速率控制系統(tǒng)采集耗時少，速率高，采集精度高，充分滿足對圖像數(shù)據(jù)采集速率進行控制的需求。但該系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性仍需進行改進，未來將針對系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性進行深入研究，極力為數(shù)據(jù)采集領域的發(fā)展提供良好的幫助。