鄭丁丁 詹毅

摘 要：安檢機(jī)是安檢工作中的關(guān)鍵設(shè)備，傳統(tǒng)方式是人工看圖識別，安檢員崗前培訓(xùn)長，作業(yè)疲勞時(shí)易產(chǎn)生誤檢和漏檢。嵌入式系統(tǒng)憑借其成本低、功耗低、集成度高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)在諸多領(lǐng)域迅速發(fā)展。本文從硬件和軟件兩方面對嵌入式圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，并將其應(yīng)用至安檢機(jī)違禁品智能識別系統(tǒng)中。通過實(shí)測可知，安檢機(jī)違禁品智能識別系統(tǒng)可快速、高效地識別出各類違禁品，可大大提高安檢的工作效率，實(shí)現(xiàn)減員增效的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 嵌入式圖像;安檢機(jī);違禁品智能識別;系統(tǒng)開發(fā)

文章編號： 2095-2163（2019）03-0106-04 中圖分類號： TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

近些年，公共場所的安全問題已成為關(guān)系社會民生的重要事件，安全檢查工作可以有效減少安全事故的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的安檢機(jī)人工成本高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，且對安檢員依賴大，常出現(xiàn)漏檢和錯檢的現(xiàn)象[2-4]。嵌入式系統(tǒng)是近些年發(fā)展起來的圖像處理系統(tǒng)，憑借其成本低、功耗低、集成度高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)[5-6]在醫(yī)療器械、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等領(lǐng)域迅速發(fā)展 [7-8]。本文從軟硬件兩方面對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并將其應(yīng)用至安檢機(jī)違禁品智能識別系統(tǒng)中。

1 硬件系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 電源設(shè)計(jì)

本嵌入式系統(tǒng)包含一個為處理器內(nèi)核供電的1.6 V電源和一個為核心板供電的3.2 V電源。本次電源設(shè)計(jì)中使用非隔離Buck降壓變換器。其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。由圖1可知，D為二極管，L為電感，C為電容，RL為負(fù)載。當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，整個電路連通，電源將通過電感L為電容器C充電，同時(shí)電流經(jīng)過負(fù)載。當(dāng)S打開時(shí)，無電流通過電感L，但電路閉合式電容C中的電量可以使負(fù)載L通電。

輸出的電流[9]如式（1）所示：

由式（1）可知，輸出的電壓與濾波電感L、負(fù)載電流Io、開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間TON和輸入電壓Vi等因素均有關(guān)系。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸入電壓可保證恒定，但負(fù)載的變化會引起電流和電壓的變化，本文通過調(diào)整占空比來解決此問題，從而使得電流恒定。

1.2 晶體振蕩電路設(shè)計(jì)

本文選用的系統(tǒng)時(shí)鐘為內(nèi)部鎖相環(huán)和外接無源晶振兩者結(jié)合的方法。系統(tǒng)外接8.512 MHz的無源晶振，并可通過軟件將其最高時(shí)頻率調(diào)整至175 MHz。當(dāng)系統(tǒng)在連接電源工作后，其工作頻率低于175 MHz。此外，由于處理器AT91RM9200中包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，因此在設(shè)計(jì)時(shí)還需連接一個無源晶振，其頻率為34.571 KHz。當(dāng)該系統(tǒng)在某些時(shí)間段不需要實(shí)時(shí)信息時(shí)，可以設(shè)置定時(shí)器，設(shè)置成其他低于32 KHz的頻率。

1.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路的作用主要為電源電壓監(jiān)控、上電復(fù)位和用戶按鍵復(fù)位等[10]。本文的復(fù)位電路采用RC電路構(gòu)成，其中采用的元器件為IMP811，該元器件可進(jìn)行手動鍵入輸入復(fù)位功能，還可通過低功耗微處理器、數(shù)字系統(tǒng)和微控制器等進(jìn)行電源的監(jiān)視工作，運(yùn)行工作范圍為-35 ℃～110 ℃。本文復(fù)位電路的基本構(gòu)造如圖2所示。

1.4 FLASH存儲器接口設(shè)計(jì)

FLASH存儲器是一種目前較為常用的信息存儲器，并具有電擦寫、斷電后仍可保存信息的功能[11]，且有讀寫速度快、存儲容量大，耗電低等優(yōu)點(diǎn)[12]。此外，F(xiàn)LASH存儲器支持在整片或者分扇進(jìn)行編程，也可以通過其內(nèi)部嵌入算法展開操作。時(shí)下，工程中通用的編程電壓為3.3 V，數(shù)據(jù)寬度為16位和8位兩種。在進(jìn)行本文嵌入式圖像處理系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，采用2種FLASH存儲器。一種為16位并行的ATMEL，其存儲容量為2.0 M;另一種為串行的DATAFLASH，其存儲容量為8.0 M。而在存儲容量為2.0 M的FLASH存儲器中，配置了16位和8位兩種工作方式，其數(shù)據(jù)寬度為16位，標(biāo)準(zhǔn)電壓為2.8～3.2?? V，工作電壓為2.68～3.56 V，封裝形式為48腳TSOP。在常見系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH存儲器可在3.0 V的電壓下實(shí)現(xiàn)擦除和編程功能，工程師可以進(jìn)行整點(diǎn)擦拭、編程及輸入命令序列等操作。

本系統(tǒng)的FLASH存儲子系統(tǒng)的作用就是存儲程序代碼，并當(dāng)系統(tǒng)收到執(zhí)行指令后開始工作。所以本系統(tǒng)需將帶有程序代碼的FLASH存儲子系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)匹配至ROM模塊。本系統(tǒng)FLASH存儲設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 圖像編碼模塊設(shè)計(jì)

（1）離散余弦變換（Discrete Cosine Transformation， DCT）。離散余弦是一種基于實(shí)數(shù)的正交變換[13]。這里，研究給出了一維離散余弦的數(shù)學(xué)運(yùn)算公式為：

離散余弦變換是一種常見的壓縮算法，該算法是一種技術(shù)非常成熟的圖像有損壓縮。DCT通過函數(shù)的形式對圖像進(jìn)行表達(dá)，以褶翻作為圖像邊界，并利用傅立葉變換來對圖像進(jìn)行加工。在實(shí)際運(yùn)用中，由于圖像各個部位的屬性不同，其表達(dá)形式存在一定的差異，因此在處理圖像時(shí)往往根據(jù)圖像的不同屬性，分別啟用不同的技術(shù)方法。在進(jìn)行圖像編碼時(shí)，用該系統(tǒng)基于對DCT系數(shù)的量化，通過解碼特定范圍內(nèi)的余弦運(yùn)算，從而完成每個圖像的反轉(zhuǎn)。綜合上述處理步驟后，系統(tǒng)會自動將此數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別解析，再統(tǒng)一生成新的圖像。該系統(tǒng)在安檢機(jī)違禁品智能識別應(yīng)用時(shí)，由于安檢機(jī)智能識別圖像的DCT較小，一般均小于0.1，因此對圖像的質(zhì)量損失較小，可以保證圖像的高清性。

（2）DCT圖像壓縮編碼的實(shí)現(xiàn)。編碼過程主要分為輸入圖片、劃分像素塊、輸入量化表、掃描量化系數(shù)、選擇任意突變進(jìn)行壓縮比變化和DCT逆變換等步驟。對此過程可描述為：首先利用安檢機(jī)的攝像系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，然后將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號傳輸至系統(tǒng)的芯片，芯片會對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理。在得到成為固定的像素模塊后，再對圖像中的每個像素輔以DCT變換，接下來就是對此數(shù)據(jù)的判別分析，最后獲得壓縮后的圖像數(shù)據(jù)。

2.2 畸變校正模塊的設(shè)計(jì)

由于目前安檢機(jī)的圖像一般均來自于X射線，X射線得到的多為直線的成像結(jié)果，此外X射線得到的圖像質(zhì)量也并不高，通常還會存在失真或者不清晰等現(xiàn)象，使得安檢員難以做出正確論斷。因此對圖像的畸變進(jìn)行校正就顯得十分必要。本文采用的畸變校正算法為最小二乘法[14]。具體運(yùn)算過程為：研究畸變的圖像模型，對畸變系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行畸變校正，從而確定各個標(biāo)點(diǎn)的灰度值。安檢機(jī)的標(biāo)靶與鏡頭之間約為52 cm，線條間距約為1.2 cm。通過對安檢機(jī)得到的原始圖像詳加分析后可知，系統(tǒng)獲得的圖像質(zhì)量不高，特征也不明顯。所以需要對原始圖像進(jìn)行處理，從而提取圖片中的關(guān)鍵信息，圖像的處理一般包括濾除噪聲干擾、控制圖像的灰度值等環(huán)節(jié)。由徑向畸變數(shù)學(xué)模型[15]推知，校正后的圖像坐標(biāo)和原始的圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系是非線性的。其計(jì)算方程組為：

其中，k1、k2為徑向畸變系數(shù)，可通過最小二乘法計(jì)算得到。由此可知方程組的各個坐標(biāo)，再根據(jù)安檢機(jī)的鏡頭參數(shù)進(jìn)行像素的標(biāo)定，計(jì)算出各個像素的校正參數(shù)和畸變參數(shù)，而后將統(tǒng)一羅列校正系數(shù)，以便系統(tǒng)的快速校正圖像。本次研究中得到的圖像校正結(jié)果如圖4所示。

3 嵌入式圖像處理系統(tǒng)在安檢機(jī)中的應(yīng)用

將道具、毒品、電池等違禁品輸入至圖像智能處理系統(tǒng)中，在X射線的投射和檢測下可以清晰看到違禁品。如果行李中沒有違禁品，則報(bào)警界面不會顯示警告信息，行李會安全通過安檢機(jī)。如圖5所示，如果行李中含有違禁品，則裝有嵌入式圖像處理系統(tǒng)的安檢機(jī)將會智能識別出違禁品，并將可疑的物品進(jìn)行圖像和聲音報(bào)警，提示安檢員進(jìn)行進(jìn)一步處理。

4 結(jié)束語

本文首先對嵌入式圖像處理系統(tǒng)從電源、晶體震蕩電路、復(fù)位電路設(shè)計(jì)及FLASH存儲器接口等方面提供了硬件上的具體設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，還對嵌入式圖像處理系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了研究，而且又基于離散余弦變換實(shí)現(xiàn)了DCT圖像的壓縮編碼，然后利用最小二乘法成功研發(fā)了畸變校正模塊。最后將該系統(tǒng)運(yùn)用至安檢機(jī)違禁品智能識別系統(tǒng)中，通過實(shí)測可知，該系統(tǒng)可快速、高效地識別出違禁品。

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