王杰

（榆林學(xué)院陜西榆林719000）

在工業(yè)自動(dòng)化及現(xiàn)代化不斷發(fā)展的過(guò)程中，將人類視覺作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)識(shí)別、測(cè)量及控制的需求逐漸發(fā)展，傳統(tǒng)根據(jù)人為對(duì)問(wèn)題的解決方式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化需求，以此就產(chǎn)生了視覺技術(shù)，包括機(jī)器視覺非接觸測(cè)量技術(shù)[1]。目前，圖像處理技術(shù)發(fā)展較為迅速，以此使辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、圖像通訊技術(shù)等技術(shù)及功能都已經(jīng)成為可能，并且應(yīng)用領(lǐng)域也有了有效的擴(kuò)展及豐富。但是和國(guó)外相比，我國(guó)此方面的發(fā)展較為下載，目前還是在實(shí)現(xiàn)圖像相關(guān)定性處理方面，其中的潛能和價(jià)值并沒有受到重視和發(fā)展，對(duì)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及提高造成了阻礙。所以，就要提高國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究水平[2]。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求及結(jié)構(gòu)

因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能夠?qū)?shù)字圖像進(jìn)行處理，那么數(shù)字圖形處理的條件就是將需要測(cè)試的物體圖像轉(zhuǎn)化成為數(shù)字形式。另外，還要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)收集圖像的預(yù)處理及圖像分割，從而得到目標(biāo)物體中心點(diǎn)的坐標(biāo)。以中心坐標(biāo)得到套色誤差分量，并且實(shí)現(xiàn)結(jié)果的輸出。

通過(guò)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析表示，本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要包括圖像收集、分析及輸出三部分構(gòu)成。圖1為基于平面的圖像檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)際測(cè)量實(shí)物大小，使用CCD攝像機(jī)，以具體情況使用LED光源等一系列的配套設(shè)備，將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)的實(shí)物[3]。

圖1 基于平面的圖像檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在攝像頭和被測(cè)的實(shí)物對(duì)準(zhǔn)，將拍攝的圖像成像到CCD光敏面中，在每個(gè)光敏單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)，并且和圖像照度為正比光生信號(hào)電荷，從而有效實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換及電荷積累。之后到CCD移位寄存器進(jìn)行轉(zhuǎn)移，基于驅(qū)動(dòng)脈沖實(shí)現(xiàn)順序輸出及轉(zhuǎn)移，從而使其成為圖像信號(hào)。在檢測(cè)系統(tǒng)中，圖像數(shù)字化的部件利用圖像視頻收集卡實(shí)現(xiàn)，圖像數(shù)據(jù)會(huì)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存儲(chǔ)，在屏幕上進(jìn)行展現(xiàn)。對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行調(diào)整，使其為最佳狀態(tài)。將圖像進(jìn)行凍結(jié)，使模擬圖像信息轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信息，從而實(shí)現(xiàn)后期處理[4]。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

圖2為檢測(cè)系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)，其主要包括兩大部分，分別為中心處理單元及檢測(cè)單元。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為檢測(cè)部分，其中心處理單元包括可編程控制器及工控機(jī)操作面板構(gòu)成。其中工控機(jī)的主要目的就是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)單元數(shù)據(jù)傳輸、顯示及統(tǒng)計(jì)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)及控制。利用操作面板對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)功能的設(shè)置。其中可編程控制器的主要目的就是對(duì)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)與工控機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行交流[5]。

本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)單元還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信號(hào)處理結(jié)構(gòu)的設(shè)置，其使用模塊化設(shè)計(jì)及線性流水陣列結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)為接口簡(jiǎn)單，并且方便維護(hù)及擴(kuò)充，還能夠支持多處理模式，滿足不同處理算法的需求。

此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的全面檢測(cè)，為了能夠有效滿足系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)時(shí)性需求，其中的檢測(cè)單元都要求獨(dú)立實(shí)現(xiàn)自身任務(wù)，并且將檢測(cè)結(jié)果利用USB集線器及接口到中心處理單元中傳輸。并且通過(guò)可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)圖像檢測(cè)部分可重構(gòu)并行處理器的設(shè)計(jì)，其能夠有效實(shí)現(xiàn)圖像收集、處理和分析[6]。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要指的是檢測(cè)單元圖像處理程序，圖3為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法流程。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法流程

圖像檢測(cè)系統(tǒng)中的算法較多，對(duì)于圖像地層處理算法一般使用FPGA實(shí)現(xiàn)，高層處理算法一般使用DSP實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)將算法對(duì)各處理單元進(jìn)行分配，各單元再通過(guò)流水線方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)的處理，以此使工作效率得到進(jìn)一步的提高[7]。

2.3 圖像收集卡的選擇

圖像收集卡是將CCD攝像器件中已經(jīng)轉(zhuǎn)換成為模擬視頻信號(hào)顯微圖像信號(hào)朝著數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。圖像收集卡與形成圖像的質(zhì)量具有密切的聯(lián)系，并且也會(huì)對(duì)圖像分析及數(shù)據(jù)計(jì)算可靠性及精準(zhǔn)度造成影響。根據(jù)不同的工作需求，要使用滿足自身性能及價(jià)格的圖像收集卡。本文使用多媒體圖像收集卡，從而有效實(shí)現(xiàn)圖像模擬喜好A/D變換、數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)等，和計(jì)算機(jī)共同實(shí)現(xiàn)文字、圖像、圖形及語(yǔ)音的多媒體綜合處理。另外，對(duì)于圖像收集卡的選擇，不僅要求其能夠?qū)崿F(xiàn)圖像收集和傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)多幅圖像的收集[8]。圖4為圖像收集卡的工作流程。

圖4 圖像收集卡的工作流程

2.4 圖像收集和顯示模塊的設(shè)計(jì)

圖像收集和顯示模塊能夠有效實(shí)現(xiàn)圖像的及時(shí)收集和顯示，對(duì)圖像進(jìn)行抓拍。抓拍指的是將現(xiàn)場(chǎng)圖像到內(nèi)存中存儲(chǔ)，之后將圖像到緩沖區(qū)中進(jìn)行復(fù)制，然后將圖像緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)和BMP文件格式到硬盤中存儲(chǔ)，顯示已經(jīng)調(diào)用[9]。圖5為圖像收集模塊的工作流程。

圖5 圖像收集模塊的工作流程

首先實(shí)現(xiàn)收集的初始化，將圖像抓拍處理進(jìn)行啟動(dòng)，將圖像實(shí)時(shí)到屏幕函數(shù)進(jìn)行關(guān)閉，從而為圖像到內(nèi)存的收集進(jìn)行中準(zhǔn)備。對(duì)圖像分辨率的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確定圖像輸入及輸出窗口之后，設(shè)利用相應(yīng)函數(shù)設(shè)置窗口。在設(shè)置完成之后，對(duì)圖像調(diào)用到內(nèi)存函數(shù)中，在內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)文件信息的資源分配，并且實(shí)現(xiàn)文件信息頭的設(shè)置。在設(shè)置完成之后，對(duì)空文件實(shí)現(xiàn)BMP文件信息、圖像數(shù)據(jù)信息的寫入。假如函數(shù)成功執(zhí)行，那么就對(duì)磁盤實(shí)現(xiàn)BMP文件的寫入，從而圖像抓拍工作就完成[10]。

2.5 圖像處理模塊

圖6為模塊以收集圖像對(duì)象特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的圖像處理模塊設(shè)計(jì)。

圖6 以收集圖像對(duì)象特點(diǎn)設(shè)計(jì)的圖像處理模塊

其一，灰度處理。因?yàn)槭占徽娌蕡D像，其運(yùn)算難度比較大，所以就要將其轉(zhuǎn)變成為256色灰度圖像。

其二，閾值分割。在實(shí)現(xiàn)圖像收集的過(guò)程中，具有灰度值噪聲點(diǎn)，可以使用閾值法將其去除。使用合適閾值，只要是灰度值在閾值中點(diǎn)為白色，在閾值下為黑色。從而能夠?qū)⒃肼曔M(jìn)行去除，并且還能夠使圖像為黑白兩個(gè)顏色的二值圖像，便于今后處理[11]。

其三，中值濾波。使用3×3模塊，將某個(gè)點(diǎn)作為中心，如果模塊區(qū)域中只存在此點(diǎn)像素值，那么此點(diǎn)就是噪聲，將像素值進(jìn)行更改，從而將其去除。

其四，邊緣檢測(cè)。因?yàn)樵肼朁c(diǎn)對(duì)于邊緣檢測(cè)具有一定的影響，所以使用功能Gauss算法將噪聲去除，之后實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)[12]。

其五，細(xì)化。對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)細(xì)化處理，將圖像幾何特征進(jìn)行有效突出，降低冗余信息量。

其六，坐標(biāo)與距離的計(jì)算。使用Hough算法實(shí)現(xiàn)圖像的處理，并誒對(duì)兩個(gè)圓的距離進(jìn)行計(jì)算[13]。

2.6 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模糊圖像恢復(fù)模塊

在相關(guān)研究過(guò)程中，其觀測(cè)的目標(biāo)就會(huì)使用功能CCD光點(diǎn)探測(cè)器對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探測(cè)，以此導(dǎo)致圖像出現(xiàn)模擬，從而對(duì)圖像質(zhì)量及觀測(cè)精度造成影。假如將采樣時(shí)間縮短，能夠降低模糊量，但是也會(huì)降低檢測(cè)的靈敏度。所以，就要使用適當(dāng)?shù)奶幚砑夹g(shù)，恢復(fù)模糊圖像?？梢允褂迷诳焖倨毓怆A段中對(duì)目標(biāo)移動(dòng)量數(shù)學(xué)規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，從而設(shè)計(jì)相應(yīng)處理軟件，能夠在X、Y兩個(gè)方面移動(dòng)，以此使圖像質(zhì)量及觀測(cè)精度進(jìn)行有效保證[14]。圖7為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模糊圖像恢復(fù)模塊的結(jié)構(gòu)。

圖7 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模糊圖像恢復(fù)模塊的結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)的測(cè)量

3.1 攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，創(chuàng)建空間坐標(biāo)系，主要包括系統(tǒng)標(biāo)定，在理想狀態(tài)中，系統(tǒng)屬于正交直角坐標(biāo)系[15]，圖8為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的坐標(biāo)系。

3.2 幾何參數(shù)檢測(cè)

在對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試之后，使用CAD2002繪制標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖像，并且使用激光打印機(jī)進(jìn)行打印。通過(guò)圖像處理，得到圖像和參數(shù)計(jì)算的結(jié)果，詳見圖9。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果表示，對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度造成影響的主要包括硬件自身及缺陷導(dǎo)致的誤差。在對(duì)本文所研究的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之后表示，此系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)圖像多因素模擬，并且還能夠?qū)鹘y(tǒng)圖像檢測(cè)系統(tǒng)中的問(wèn)題進(jìn)行解決，從而提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度和效果[16]。

圖8 攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的坐標(biāo)系

圖9 圖像和參數(shù)計(jì)算的結(jié)果

表1 實(shí)際圖像圓心的距離

4 結(jié)束語(yǔ)

文中將檢測(cè)系統(tǒng)和圖像處理中作為本文研究的基礎(chǔ)，對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)中廣泛使用圖像處理檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的研究，并且對(duì)系統(tǒng)軟件、模塊的設(shè)計(jì)和具體的檢測(cè)原理進(jìn)行了全面的分析，希望能夠?yàn)橥谢蛘呦嚓P(guān)研究人員提供參考。在本文研究過(guò)程中也得到了一定的成果，比如設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)不僅具備圖像測(cè)量功能，并且還具備板卡功能，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)量的轉(zhuǎn)換。另外，系統(tǒng)還能夠優(yōu)化程序算法，降低程序運(yùn)行時(shí)間，使運(yùn)行速度得到提高。以此表示，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的使用價(jià)值及應(yīng)用前景。