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        基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

        2021-11-03 08:10:10肖紅楊本勝
        電子技術(shù)與軟件工程 2021年16期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計

        肖紅 楊本勝

        (廣州松田職業(yè)學(xué)院 廣東省廣州市 511300)

        如今,數(shù)字圖像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了各個領(lǐng)域中,各界學(xué)者們開始利用 MATLAB工具提供的各種算法,分別在航空航天、醫(yī)學(xué)圖像、道路交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。數(shù)字圖像處理技術(shù)在將來的發(fā)展中也將深入到實際的生產(chǎn)、科學(xué)研究活動中。近幾年來,社會逐漸朝著信息化方向發(fā)展,人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)日益成熟,不可避免地涉及圖像領(lǐng)域的一些技術(shù)性知識[2]。數(shù)字化圖像處理是利用計算機等數(shù)字技術(shù)規(guī)范化處理數(shù)字圖像,提高數(shù)字圖像的質(zhì)量,達到目標(biāo)識別的預(yù)期目標(biāo)[3]。

        1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

        基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)與一般圖像處理系統(tǒng)之間存在一定差異,基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)可以讓數(shù)字圖像檢測電路和采樣控制電路同時接通電源,在可編程定時控制電路中共同完成設(shè)計,使得數(shù)字圖像處理系統(tǒng)具有更加靈活的控制能力[4-5]。為了有效保證基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在高速運行過程中的有效性,需要嚴格把握好每一個硬件配置的選擇,對于芯片的時間參數(shù)而言,需要確保其可以在允許的范圍內(nèi),實際應(yīng)用時,可以采用74F***或者74S***系列的芯片。

        1.1 設(shè)計同步分離電路

        數(shù)字化視頻圖像中,數(shù)字圖像信號的負脈沖保持在-0.2 v 以上,且通常高于零伏。數(shù)字圖像的同步信號可以用電子比較器。調(diào)試同步分離電路時,應(yīng)盡可能擴大lm311 的輸出,確?;€同步脈沖的寬度在5.7μ ~6μ s 之間,保證基線同步脈沖始終高于零電平。同步分離電路的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1:同步分離電路的結(jié)構(gòu)圖

        1.2 設(shè)計數(shù)字圖像采樣窗口控制電路

        根據(jù)數(shù)字圖像采樣窗口的控制電路原理,確定數(shù)字圖像采集時每一幀的采樣行數(shù),而可編程計數(shù)器的計數(shù)長度可以通過行數(shù)和652H 的乘積得到。在數(shù)字圖像處理過程中,為避免數(shù)字圖像信號在存儲器中傳輸和存儲,則需保證該行的數(shù)值大于23。當(dāng)U6 可編程計數(shù)器2 運行于模式1 的情況下,它能夠決定為每幀數(shù)字圖像進行采樣所需的行數(shù),則計數(shù)長度就是這一行的數(shù)值。U7 程控計數(shù)器0 屬于工作模式5,它能決定每幀數(shù)碼影像何時開始采樣。

        1.3 設(shè)計數(shù)字圖像收集器

        根據(jù)機器視覺技術(shù)的原理,需要將解碼芯片的輸入晶振設(shè)置為24.576 MHz,但是系統(tǒng)運行時要符合系統(tǒng)頻率的規(guī)定,將解碼芯片的工作頻率設(shè)置為13.5 MHz,由于本文設(shè)計的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)是以256 級灰度圖像為研究對象,利用機器視覺的PAL 機制輸入圖像采集信號,與數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的運行速度需求相互結(jié)合,實現(xiàn)數(shù)字圖像解碼芯片的配置。

        在數(shù)字圖像采集器中,解碼芯片可以提供給用戶兩種寄存器設(shè)置方式,即I2C 總線控制和邊界掃描測試。按照數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在設(shè)計過程中方案,選擇使用單片機I/O 接口對I2C 總線接口模擬,初始化處理數(shù)字圖像的寄存器。

        先對數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,設(shè)計了同步分離電路、數(shù)字圖像采樣窗口控制電路以及數(shù)字圖像收集器,完成了硬件設(shè)計。

        2 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

        確定數(shù)字圖像清晰度指標(biāo),劃分數(shù)字圖像的處理結(jié)果。首先是用戶對數(shù)字圖像清晰度的主觀認定程度,其二就是認定數(shù)字圖像的客觀清晰度,將以上兩個方面結(jié)合起來,得到一個可以評估數(shù)字圖像清晰化的指標(biāo)。

        用戶對數(shù)字圖像清晰度的主觀評價是來自人對數(shù)字圖像色彩和清晰度的判斷,依據(jù)個人的敏感度和對色彩的喜好程度,因此,最終確定的用戶主觀認定指標(biāo)是不確定的。

        數(shù)字圖像的均值可以衡量數(shù)字圖像在機器視覺效果方面的色彩亮度和像素程度,數(shù)字圖像的標(biāo)準(zhǔn)差可以衡量數(shù)字圖像處理效果的直觀因素,標(biāo)準(zhǔn)差因素是反映數(shù)字圖像在像素灰度分布方面離散程度的直接指標(biāo),因此,在設(shè)計數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的軟件時,通過均值和標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值范圍,確定數(shù)字圖像處理的清晰化評估指標(biāo)。將數(shù)字圖像的輸出值作為度量數(shù)字圖像失真或者評價數(shù)字圖像質(zhì)量的值,公式如下:

        當(dāng)認定了數(shù)字圖像清晰度的評估指標(biāo)之后,可以進一步研究基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在處理數(shù)字圖像時的處理流程。

        由于數(shù)字圖像的清晰度是由反射分量和亮度組成的,因此,數(shù)字圖像在機器視覺技術(shù)處理下的清晰度計算公式為:

        上述公式中,I(x,y)表示數(shù)字圖像的像素,R(x,y)表示數(shù)字圖像的輸出分量,可以體現(xiàn)出數(shù)字圖像的整體特性,S(x,y)表示數(shù)字圖像的采集分量。

        機器視覺技術(shù)降低了空氣光照對數(shù)字圖像的影響程度,可以獲取到能夠體現(xiàn)物體本身特質(zhì)的反射分量,實現(xiàn)數(shù)字圖像的清晰化處理。將接收到的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化到用戶視覺感知的視覺領(lǐng)域中,轉(zhuǎn)化公式可以表示為:

        為了提高數(shù)字圖像的機器視覺清晰度效果,需要彌補數(shù)字圖像的對比度缺陷,那么數(shù)字圖像處理的輔助公式為:

        上述公式中,G(x,y)表示數(shù)字圖像的對比度缺陷處理量。

        根據(jù)數(shù)字圖像的清晰度指標(biāo),清晰化處理數(shù)字圖像的程度,完成了數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計,實現(xiàn)了數(shù)字圖像的處理。

        3 系統(tǒng)測試分析

        為了驗證基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)具有一定的實用性,需要測試基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的性能。引入文獻[4]的圖像處理系統(tǒng)進行對比,測試了兩個圖像處理系統(tǒng)的吞吐量和處理效率,結(jié)果如下。

        兩個圖像處理系統(tǒng)的吞吐量測試結(jié)果如圖2所示。

        圖2:系統(tǒng)的吞吐量測試結(jié)果

        從圖2 的結(jié)果可以看出,隨著數(shù)字圖像的幀數(shù)越來越多,兩個數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的吞吐量也隨著增加,文獻[4]的圖像處理系統(tǒng)得到的吞吐量偏低,在4000 幀/s,基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的吞吐量比較高,達到了16000 幀/s,原因是本文設(shè)計的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在機器視覺技術(shù)的支撐下,可以消除噪聲對數(shù)字圖像的干擾,從而提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

        兩個圖像處理系統(tǒng)的處理效率測試結(jié)果如表1所示。

        表1:網(wǎng)絡(luò)流量誤識率測試結(jié)果

        從表1 的實驗結(jié)果可以看出,隨著數(shù)字圖像樣本數(shù)量的不斷增加,與文獻[4]的圖像處理系統(tǒng)相比,基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在處理數(shù)字圖像時,處理效率基本都超過了95%,保證了數(shù)字圖像的質(zhì)量,原因是基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在處理之前,利用機器視覺理論,將數(shù)字圖像的像素特征提取出來,并對數(shù)字圖像進行了清晰化處理,使得素質(zhì)圖像的處理效率大大提升。

        4 結(jié)束語

        考慮到目前數(shù)字圖像處理系統(tǒng)存在耗時長、處理效果差的問題,本文提出了基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn),在機器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分,實現(xiàn)了數(shù)字圖像的處理。結(jié)果顯示,基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)可以縮短數(shù)字圖像的處理時間,提高數(shù)字圖像的處理效果。

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