基于嵌入式機(jī)器視覺圖像二值化算法及實現(xiàn)

摘 要：文章介紹了一個基于單片機(jī)的二值圖像實時處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大津法（OTSU法）作為二值圖像處理算法。實驗表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確，快速地對圖像進(jìn)行二值化。當(dāng)光線比較均勻時，圖像處理效果較好，特別是當(dāng)對象物和背景的灰度值的差距較大的時候，效果更明顯；當(dāng)圖像分辨率在一定范圍內(nèi)時，縮小分辨率不會對圖像的處理效果產(chǎn)生影響，但能夠縮短處理時間，這為嵌入式領(lǐng)域在實時圖像二值化處理提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；二值化；大津法；分辨率

1 概述

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器的適應(yīng)能力逐步增強(qiáng)。其中以單片機(jī)為核心，帶圖像處理的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡便易行而在航天航空、生物醫(yī)學(xué)、通信工程、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在眾多圖像二值化處理算法中，閾值化方法因其算法簡單，計算量小，性能較穩(wěn)定而在圖像二值化處理中應(yīng)用最為廣泛。

我們在STM32F103單片機(jī)上運(yùn)用OTSU二值化處理算法，使系統(tǒng)能夠在1s內(nèi)完成圖像的獲取與處理，并且顯示出來。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用全局閾值法中的OTSU法來實現(xiàn)圖像的二值化。OTSU法的基本思想是求取最佳門限閾值，此閾值將圖像灰度直方圖分割成黑白（前景與背景）兩部分，使兩部分類間方差取得最大值，并使類內(nèi)方差值最小，即類間分離性最大，而類內(nèi)的相似性最大。對于某圖像的灰度直方圖，設(shè) t為區(qū)分前景灰度與背景灰度的二值化閾值，設(shè) w0為前景像素所占圖像總像素的比例，令 u0為所有前景像素的平均灰度，設(shè)w1為背景點(diǎn)數(shù)所占圖像總像素的比例，令 u1 為所有背景像素的平均灰度，則圖像的所有像素的平均灰度為u=w0*u0+w1*u1。在進(jìn)行程序運(yùn)算時，t的取值可從圖像的最小灰度值到圖像的最大灰度值依次遍歷，當(dāng)t取某值時，類間方差公式b=w0*（u0-u）*（u0-u）+w1*（u1-u）*（u1-u）能取得最大值，此時t即為二值化的最佳閾值。

獲取到閾值后，將原圖與二值化處理后的圖以BMP位圖格式保存到SD卡中，并設(shè)有串口，以便適應(yīng)不同系統(tǒng)的需求。

2.2 硬件系統(tǒng)

我們的圖像采集系統(tǒng)由ILI9341顯示屏、STM32F103主控芯片、山外鷹眼攝像頭、串口、SD卡五部分組成。圖像采集系統(tǒng)基本框圖如圖1所示。

3 測試與討論

3.1 影響因素分析

為了測試光照、圖像分辨率等因素對于算法的影響以及該系統(tǒng)對于不同圖像處理的效果，我們做了一系列實驗。

不同光照的效果如圖2所示，不同分辨率的效果如圖3所示。

經(jīng)過一系列的實驗與討論，我們得出的結(jié)論是光照會嚴(yán)重影響圖像二值化的閾值大小，而分辨率的大小只要在一定范圍內(nèi)對于閾值并無影響.對于不同的圖像，應(yīng)用我們的系統(tǒng)，與正確的二值化效果相同，所以該系統(tǒng)能夠適應(yīng)大多數(shù)的圖像二值化處理.最終我們將芯片超頻到最高頻率128MHz且將圖像的分辨率調(diào)整到不發(fā)生惡化的最低分辨率，使得系統(tǒng)在1s內(nèi)完成了從拍攝到二值化顯示。

在測試中我們發(fā)現(xiàn)只要分辨率的大小低于32*24，則閾值的數(shù)值會發(fā)生大幅度的波動。經(jīng)過調(diào)查研究，我們認(rèn)為這是一種類似香農(nóng)采樣定理理論與實踐相結(jié)合的有力憑證。香農(nóng)采樣定理的定義是為了不失真地恢復(fù)模擬信號，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。實驗對圖像二值化的處理是256級的灰度，而我們只要將圖像的分辨率設(shè)置成不小于三倍的灰度級，那么該系統(tǒng)對圖像的二值化沒有影響。

3.2 性能分析

對于一個系統(tǒng)，我們需要了解他們的實效性，所以做了以下測試。在圖像分辨率為320*240的情況下，處理一張圖片所需的時間如表1所示，想要在1s內(nèi)完成圖像處理，理論上需要芯片頻率達(dá)到500MHz.在分辨率縮小到最小（即32*24）時，處理一張圖片所需的時間理論上是分辨率為320*240的0.01倍，與實際情況基本吻合。

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，我們將拍攝到的圖像分辨率減小到不失真的臨界值，縮小處理時間，實現(xiàn)快速處理。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以型號為STM32F103的單片機(jī)作為核心處理芯片，該芯片豐富的片上資源大大減少在數(shù)據(jù)傳輸上浪費(fèi)的時間。攝像頭采集的圖像以及處理后的圖像均以BMP位圖文件格式保存在SD卡中或者通過串口發(fā)往下一級處理設(shè)備，以便適應(yīng)其它處理系統(tǒng)的需求。

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)：使用單片機(jī)作為二值圖像的處理核心，用位圖文件存儲二值圖像，發(fā)現(xiàn)了圖像分辨率對圖像二值化處理的影響，能夠準(zhǔn)確的求取閾值，在低速低成本處理器中，1s內(nèi)完成從拍攝，處理，顯示的過程。為單片機(jī)系統(tǒng)在圖像處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]張錚，王艷平，薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺[M].北京：人民郵電出版社，2010：4.

[2]李宏，張冬生，林義剛，等.基于OTSU理論的灰度圖像分割算法研究和改造[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（22）：5437-5440.

[3]童立靖，張艷，舒巍，等.幾種文本圖像二值化方法的對比分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，23（1）：2-4.

[4]原新，隋龍.基于單片機(jī)系統(tǒng)的二值圖像實時處理方法[J].博士論壇，2009，29.

作者簡介：宋瑞祥（1995-），男，漢族，浙江溫州，本科在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。