基于機(jī)器視覺的數(shù)字圖像處理系統(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(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(yán)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(fù)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(kuò)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(jìn)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(jī)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(jī)器視覺的PAL 機(jī)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(jī)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?jǐn)?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(rèn)定程度，其二就是認(rèn)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(rèn)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(jī)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(rèn)定了數(shù)字圖像清晰度的評估指標(biāo)之后，可以進(jìn)一步研究基于機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器視覺清晰度效果，需要彌補(bǔ)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(jī)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(jī)器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的性能。引入文獻(xiàn)[4]的圖像處理系統(tǒng)進(jìn)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(xiàn)[4]的圖像處理系統(tǒng)得到的吞吐量偏低，在4000 幀/s，基于機(jī)器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的吞吐量比較高，達(dá)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(jī)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(xiàn)[4]的圖像處理系統(tǒng)相比，基于機(jī)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(jī)器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在處理之前，利用機(jī)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(jìn)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(jī)器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，在機(jī)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(jī)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。