摘要：傳統(tǒng)圖像拼接技術(shù)往往由計(jì)算機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)的處理，但計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在尺寸大、成本高、便攜性差的缺點(diǎn)，為此，設(shè)計(jì)一種基于圖像增強(qiáng)算法的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)由FPGA完成圖像采集與增強(qiáng)處理，然后將優(yōu)化后的兩組圖像傳輸給DSP，最終完成兩組圖像的拼接。設(shè)計(jì)圖像增強(qiáng)算法，對(duì)拼接區(qū)域不同灰度條件下進(jìn)行了分類處理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像特征點(diǎn)的增強(qiáng);設(shè)計(jì)基于特征點(diǎn)向量距離比較的匹配算法，從而優(yōu)化了圖像拼接效果。對(duì)比該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)算法的拼接效果可知，在灰度變化較小的圖像區(qū)域中，兩種方法的拼接結(jié)果基本一致;而在灰度變化較大的圖像區(qū)域中，傳統(tǒng)方法的平均處理造成了特征點(diǎn)區(qū)域彌散，從而產(chǎn)生一定的失真，相比之下，該系統(tǒng)在1，2，3特征區(qū)域拼接效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);圖像采集;數(shù)據(jù)處理;圖像拼接;圖像增強(qiáng)處理;對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：TN214-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-0088-04

0 引 言

通過(guò)圖像處理完成目標(biāo)識(shí)別、信息提取等任務(wù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、生產(chǎn)生活[1-3]等，而成像系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍受限于光學(xué)模塊的性能，為了獲取更大的視場(chǎng)、收集更多的信息，往往需要更好的光學(xué)鏡頭，但其成本也會(huì)大幅提高，故圖像拼接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖像拼接技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的一種，其主要目的是獲取更大的視場(chǎng)、更高的分辨率，從而為系統(tǒng)提供更多的有效信息[4]。該技術(shù)在導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像、虛擬現(xiàn)實(shí)、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在圖像拼接方面，文獻(xiàn)[5]曾提出一種鄰接矩陣計(jì)算的拼接線檢測(cè)算法，通過(guò)距離矩陣減小拼接誤差。文獻(xiàn)[6]通過(guò)自動(dòng)選取影像輪廓的方式尋找合適的拼接線，從而實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu)。文獻(xiàn)[7]利用改進(jìn)的最大搜索算法對(duì)拼接圖像進(jìn)行擬合匹配，對(duì)不同條件下圖像的拼接提供了優(yōu)化。在拼接圖像效果增強(qiáng)方面，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種模糊特征提取的盲識(shí)別算法，有效地提高了目標(biāo)識(shí)別能力，對(duì)邊緣模糊及失焦具有一定的抑制作用。文獻(xiàn)[1]通過(guò)同態(tài)濾波等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)拼接圖像篡改區(qū)域的識(shí)別。文獻(xiàn)[9]人提出的羽化模糊痕跡識(shí)別算法對(duì)于拼接圖像中的拼接區(qū)具有很好的區(qū)分效果。

由此可見(jiàn)，該技術(shù)應(yīng)用前景廣泛，但尚存在一定不足。首先，目前圖像拼接處理模塊是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的[10]，體積大、成本高，能夠形成獨(dú)立產(chǎn)品的嵌入式系統(tǒng)還不成熟;其次，由于圖像拼接過(guò)程實(shí)際上是兩幅以上圖像的位置匹配，所以兩幅圖像實(shí)際光照環(huán)境的影響是無(wú)法消除的，這也是一些拼接圖像合成后視覺(jué)效果較差的原因之一。本文提出一種拼接圖像增強(qiáng)算法，并在嵌入式系統(tǒng)中完成硬件結(jié)構(gòu)與軟件算法的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更具實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)整體由DSP[11-12]和FPGAc[13，14]共同構(gòu)成，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的采集、解碼與圖像增強(qiáng)處理;DSP主要負(fù)責(zé)對(duì)兩組圖像進(jìn)行圖像拼接、壓縮與存儲(chǔ)。

系統(tǒng)由8個(gè)模塊構(gòu)成：圖像采集模塊，圖像解碼模塊、存儲(chǔ)模塊、圖像增強(qiáng)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像拼接模塊、圖像壓縮模塊與圖像緩沖模塊。圖像采集模塊由CCD、圖像采集芯片構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集待測(cè)區(qū)域圖像，并將不同參數(shù)條件下的兩幅待拼接的圖像分別傳輸至其相應(yīng)的圖像單元及解碼模塊;圖像解碼模塊分別給待拼接的兩幅圖像進(jìn)行解碼處理;存儲(chǔ)模塊完成對(duì)兩組待拼接圖像的存儲(chǔ);圖像增強(qiáng)模塊為待拼接的兩幅圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，主要采用提高圖像對(duì)比度的方式是圖像清晰;數(shù)據(jù)傳輸模塊由FPGA將干涉圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSP;圖像拼接模塊完成對(duì)已完成圖像增強(qiáng)的兩幅圖像進(jìn)行拼接;圖像壓縮模塊將拼接完成的圖像按照標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸完成數(shù)據(jù)壓縮;圖像緩沖模塊為壓縮后的拼接圖像存儲(chǔ)到SDRAM中提供傳輸速率匹配。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 圖像增強(qiáng)算法設(shè)計(jì)

圖像增強(qiáng)在本系統(tǒng)中的主要作用是提高圖片對(duì)比度，從而使圖片中的目標(biāo)具有更好的可識(shí)別性。在兩幅待拼接的圖像中存在灰度值相近的情況，導(dǎo)致當(dāng)直接通過(guò)原圖進(jìn)行處理時(shí)，低灰度細(xì)節(jié)信息可能會(huì)造成遺漏。這種情況一般出現(xiàn)在光源強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)或者光源強(qiáng)度太弱的條件下。所以，本系統(tǒng)采用了放大或縮小其動(dòng)態(tài)范圍的方式提高圖像的對(duì)比效果。對(duì)于圖像灰度值均值超過(guò)200的區(qū)域或者灰度值均值低于100的區(qū)域進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮的方式。

圖像增強(qiáng)過(guò)程主要是針對(duì)亮度信號(hào)處理，因此采用寬度8位、深度1 024的FIFO對(duì)亮度信號(hào)進(jìn)行處理，增加檢測(cè)電路完成對(duì)灰度值得判斷與分類，然后輸出給接口控制單元，從而實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。圖像增強(qiáng)算法程序流程如圖2所示。

由圖2可知，兩幅需要拼接的圖像在拼接之前，首先由FPGA控制完成圖像的采集與保存，然后再通過(guò)圖像增強(qiáng)算法使圖像對(duì)比度提高，從而使圖像拼接過(guò)程中可以獲取更多的特征點(diǎn)，提高拼接效果。

2.2 圖像拼接算法設(shè)計(jì)

圖像拼接算法在DSP上完成，主要通過(guò)圖像接口模塊、拼接算法模塊、圖像壓縮與存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)。圖像接口模塊完成將FPGA傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)導(dǎo)人DSP，并對(duì)其反饋已傳輸圖像的幀數(shù);拼接算法模塊實(shí)現(xiàn)圖像拼接融合;圖像壓縮與存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)將拼接后圖像進(jìn)行保存輸出。

對(duì)圖像的拼接主要是圖像配準(zhǔn)的過(guò)程，圖像配準(zhǔn)主要采用特征點(diǎn)位對(duì)其的方式，由于本系統(tǒng)在輸入DSP圖像數(shù)據(jù)前已經(jīng)完成了圖像增強(qiáng)處理，所以可以利用圖像對(duì)比度高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)特征點(diǎn)向量進(jìn)行循環(huán)累加對(duì)比，通過(guò)求解最近鄰距離與次近鄰的比值關(guān)系確定最合適的特征配準(zhǔn)點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)圖像拼接的效果。圖像拼接算法程序流程如圖3所示。

3 測(cè)試與分析

測(cè)試圖像的采集、傳輸與圖像增強(qiáng)由Spartan 6處理器完成，特征點(diǎn)強(qiáng)化后的圖像通過(guò)TMS320DM642型DSP完成圖像的拼接。

3.1 高速圖像采集

系統(tǒng)通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)圖像的高速采集，當(dāng)CONVST信號(hào)為低電平時(shí)，BUSY為高，則通過(guò)CS和RD信號(hào)完成A/D數(shù)據(jù)的輸出;當(dāng)CONVST信號(hào)下降沿時(shí)同時(shí)觸發(fā)Ram_write信號(hào)，從而開(kāi)始將采集得到的圖像數(shù)據(jù)保存到SDRAM。仿真時(shí)序如圖4所示。

由此可見(jiàn)，F(xiàn)PGA通過(guò)對(duì)FIFO端口的控制，令其符合異步讀寫(xiě)規(guī)則，在執(zhí)行周期內(nèi)對(duì)SLWR信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，最終將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SDRAM。

3.2 圖像拼接測(cè)試與對(duì)比分析

圖像拼接測(cè)試采用對(duì)兩幅圖像拼接的方法實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)圖像的特征點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了分析，討論了特征點(diǎn)數(shù)對(duì)圖像拼接的影響。測(cè)試圖片是在晴朗條件下對(duì)本校校園拍照獲得，然后將圖像拼接后實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)放大，原始圖像如圖5所示。

在圖像1和圖像2中存在一定的重疊區(qū)域，在重疊區(qū)域中尋找特征點(diǎn)并完成兩幅圖像的拼接。待拼接兩幅圖像的重疊區(qū)域沒(méi)有較大對(duì)比度的特征點(diǎn)，所以采用傳統(tǒng)圖像拼接算法可選的特征點(diǎn)少，相對(duì)位置容易造成偏差。由于本系統(tǒng)首先將采集得到的圖像根據(jù)灰度分布進(jìn)行圖像增強(qiáng)，從而使圖像區(qū)域邊界的對(duì)比得到大幅提升，故其具備成為圖像拼接的特征點(diǎn)會(huì)更多，并且對(duì)比度更高，更容易被識(shí)別并用于位置定位。由本系統(tǒng)圖像增強(qiáng)與圖像拼接后的合成圖像如圖6所示。

本系統(tǒng)完成的拼接圖像與傳統(tǒng)算法在Matlab中完成的圖像拼接做對(duì)比，基于傳統(tǒng)算法獲得的拼接圖像如圖7所示。

對(duì)比圖6與圖7中兩幅圖片的拼接位置可以看出，在圖7中白云、藍(lán)天區(qū)域兩幅拼接圖像的效果基本接近，存在部分不一致的圖片疊加效果也不是特別明顯。但是在拼接區(qū)域中具有對(duì)比度較高的部分傳統(tǒng)方法存在明顯的失真，分別是標(biāo)注圓圈1，2，3。圖像放大后可以看出，這三個(gè)對(duì)比度高的局部區(qū)域在傳統(tǒng)算法處理后由于采用了均值位置，所以細(xì)節(jié)部分有失真;而通過(guò)本系統(tǒng)在圖像增強(qiáng)的基礎(chǔ)上完成圖像拼接該位置上沒(méi)有明顯的失真。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)在圖像優(yōu)化與拼接方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種用于圖像拼接的嵌入式系統(tǒng)，由FP-GA完成對(duì)圖像的采集與增強(qiáng)處理，由DSP完成了基于特征點(diǎn)匹配的圖像拼接。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了本系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法的圖片拼接效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與優(yōu)勢(shì)，其具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] ROSSI Alessandro， DIANI Marco. CORSINI Giovanni. Bilater-al filter-based adaptive non-uniformity correction for infrared fo-cal - plane array sVstems [J]. Optical engineering， 2010， 49（5）：057003.

[2]李嬋，萬(wàn)曉霞，謝偉，等.多通道光譜采集系統(tǒng)濾光片設(shè)計(jì)方法研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2016，37（5）：639-643.

LI Chan， WAN Xiaoxia， XIE Wei. et al.Color filter designmethod for multi-channel spectral acquisition system [J]. Jour-nal of applied optics. 2016， 37（5）： 639-643.

[3]戴軍，唐湘成，高志峰.海空背景下紅外圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].紅外技術(shù)，2016，38（2）：121-125.

DAI Jun， TANG Xiangcheng. GAO Zhifeng. Design and imple-mentaLion of an infrared image processing system under seaand sky background [J]. Infrared technology. 2016. 38（2）：121-125.

[4]王偉，陸亦懷，陸釩，等.基于DSP的傅里葉變換紅外光譜儀動(dòng)鏡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]量子電子學(xué)報(bào)，2015，32（1）：8-16.

WANG Wei， LU Yihuai， LU Fan， et al.Design of moving mir-ror control system for Fourier transform infrared spectrometerbased on DSP [J]. Chinese journal of quantum electronics，2015. 32（1）：8-16.

[5] BAHRAMI K，KOT A C.Image tampering detection by expos-ing blur type inconsistency [C]// IEEE International Conferenceon Acoustics， Speech and signal Processing. Florence： IEEE，2014 ： 2654-2658.

[6] WANG Y C. LIU J G. Evaluation methods for the autonomy ofunmanned systems [Jl Chinese science bulletin. 2012. 57（26） ： 3409-3418.

[7] WAN Y C， WANG D L， XIAO J H. et al. Automatic determi-nation of seamlines for aerial image mosaicking based on vectorroads alone [J]. Journal of photogrammetry and remote sensing，2013 . 76 ： 1-10.

[8] CHON J， KIM H， LIN C S. Seam-line determination for imagemosaicking： a technique minimizing the maximum local mis-match and the global cost [J]. Journal of photogrammetry andremote sensing， 2010， 65（1） ： 86-92.

[9] GOOSSENS S， CHANDRASEKAR K. AKESSON B. et al.Power/performance trade-offs in real-time SDRAM commandscheduling [J]. IEEE transactions on computers， 2016， 65（6） ：1882-1895.

[10] 11 N， WANG J. A highly efficient SDR AM controller support-ing variable-length burst access and batch process for discretereads [J]. International journal of electronics ， 2015 ， 103 （3 ） ：406-423.

[11]郭文記 ，曾曉茹 ，趙寶瑋 ，等 .高光譜 RX異常檢測(cè)的多 DSP并行化處理技術(shù) [J].光譜學(xué)與光譜分析 ， 2014. 34 （5） ： 1383 - 1387.

GUO Wenji， ZENG Xiaoru， ZHAO Baowei， et al. Multi-DSPparallel processing technology of hyperspectral RX anomalydetection [J]. Spectroscopy and spectral analysis， 2014， 34（ 5） ： 1383-1387.

[12] SU Lijuan， YUAN Yan. BIN Xiangli. Spectrum reconstruc-tion method for airborne temporally-spatially modulated fouri-er transform imaging spectrometers [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2014， 52（6） ： 720-728.

[13]周志娟 ，張玉貴 ，樊奔 .基于 FPGA的干F涉信號(hào)雙 ADC采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù) . 2016 ， 12（4） ： 123-128.

ZHOU Zhijuan， ZHANG Yugui. FAN Ben. Design of interfer-ence signal double ADC acquisition system based on FPGA[J]. Electronic measurement technology， 2016， 12（4） ： 123- 128.

[14] RIHO Y， NAKAZATO K. Partial access mode： new methodfor reducing power consumption of dynamic random accessmemory [J]. IEEE transactions on very large scale integrationsystems ， 2014， 22（ 7） ： 1461-1469.

作者簡(jiǎn)介：孫穎馨（1977-），女，吉林長(zhǎng)春人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)站開(kāi)發(fā)、操作系統(tǒng)等。