基于平面圖像檢測系統的研究與設計

王杰

（榆林學院陜西榆林719000）

在工業自動化及現代化不斷發展的過程中，將人類視覺作為基礎實現識別、測量及控制的需求逐漸發展，傳統根據人為對問題的解決方式已經無法滿足現代化需求，以此就產生了視覺技術，包括機器視覺非接觸測量技術[1]。目前，圖像處理技術發展較為迅速，以此使辦公自動化系統、地理信息系統、圖像通訊技術等技術及功能都已經成為可能，并且應用領域也有了有效的擴展及豐富。但是和國外相比，我國此方面的發展較為下載，目前還是在實現圖像相關定性處理方面，其中的潛能和價值并沒有受到重視和發展，對我國相關產業發展及提高造成了阻礙。所以，就要提高國內對此方面的研究水平[2]。

1 系統的設計需求及結構

因為計算機只能夠對數字圖像進行處理，那么數字圖形處理的條件就是將需要測試的物體圖像轉化成為數字形式。另外，還要求系統能夠實現收集圖像的預處理及圖像分割，從而得到目標物體中心點的坐標。以中心坐標得到套色誤差分量，并且實現結果的輸出。

通過以上系統設計需求分析表示，本文所設計的檢測系統主要包括圖像收集、分析及輸出三部分構成。圖1為基于平面的圖像檢測系統結構，以實際測量實物大小，使用CCD攝像機，以具體情況使用LED光源等一系列的配套設備，將攝像機對準被測的實物[3]。

圖1 基于平面的圖像檢測系統結構

在攝像頭和被測的實物對準，將拍攝的圖像成像到CCD光敏面中，在每個光敏單元勢阱中存儲，并且和圖像照度為正比光生信號電荷，從而有效實現光電轉換及電荷積累。之后到CCD移位寄存器進行轉移，基于驅動脈沖實現順序輸出及轉移，從而使其成為圖像信號。在檢測系統中，圖像數字化的部件利用圖像視頻收集卡實現，圖像數據會在計算機內存中存儲，在屏幕上進行展現。對光學圖像進行調整，使其為最佳狀態。將圖像進行凍結，使模擬圖像信息轉變成為數字信息，從而實現后期處理[4]。

2 系統的設計

2.1 系統的模塊結構

圖2為檢測系統的模塊結構，其主要包括兩大部分，分別為中心處理單元及檢測單元。

圖2 檢測系統的模塊結構

本文設計的重點為檢測部分，其中心處理單元包括可編程控制器及工控機操作面板構成。其中工控機的主要目的就是實現檢測單元數據傳輸、顯示及統計。對現場設備進行檢測及控制。利用操作面板對參數進行修改，并且還能夠實現功能的設置。其中可編程控制器的主要目的就是對伺服機構進行控制，并且還能夠實現與工控機數據進行交流[5]。

本文所設計的檢測單元還實現了實時信號處理結構的設置，其使用模塊化設計及線性流水陣列結構，其主要特點為接口簡單，并且方便維護及擴充，還能夠支持多處理模式，滿足不同處理算法的需求。

此系統能夠實現圖像的全面檢測，為了能夠有效滿足系統檢測實時性需求，其中的檢測單元都要求獨立實現自身任務，并且將檢測結果利用USB集線器及接口到中心處理單元中傳輸。并且通過可重構技術實現針對圖像檢測部分可重構并行處理器的設計，其能夠有效實現圖像收集、處理和分析[6]。

2.2 系統的軟件設計

系統軟件在設計過程中主要指的是檢測單元圖像處理程序，圖3為系統軟件設計的檢測算法流程。

圖3 系統軟件設計的檢測算法流程

圖像檢測系統中的算法較多，對于圖像地層處理算法一般使用FPGA實現，高層處理算法一般使用DSP實現。系統將算法對各處理單元進行分配，各單元再通過流水線方式實現任務的處理，以此使工作效率得到進一步的提高[7]。

2.3 圖像收集卡的選擇

圖像收集卡是將CCD攝像器件中已經轉換成為模擬視頻信號顯微圖像信號朝著數字信號進行轉化。圖像收集卡與形成圖像的質量具有密切的聯系，并且也會對圖像分析及數據計算可靠性及精準度造成影響。根據不同的工作需求，要使用滿足自身性能及價格的圖像收集卡。本文使用多媒體圖像收集卡，從而有效實現圖像模擬喜好A/D變換、數字信號存儲等，和計算機共同實現文字、圖像、圖形及語音的多媒體綜合處理。另外，對于圖像收集卡的選擇，不僅要求其能夠實現圖像收集和傳輸，還能夠實現多幅圖像的收集[8]。圖4為圖像收集卡的工作流程。

圖4 圖像收集卡的工作流程

2.4 圖像收集和顯示模塊的設計

圖像收集和顯示模塊能夠有效實現圖像的及時收集和顯示，對圖像進行抓拍。抓拍指的是將現場圖像到內存中存儲，之后將圖像到緩沖區中進行復制，然后將圖像緩沖區中的數據和BMP文件格式到硬盤中存儲，顯示已經調用[9]。圖5為圖像收集模塊的工作流程。

圖5 圖像收集模塊的工作流程

首先實現收集的初始化，將圖像抓拍處理進行啟動，將圖像實時到屏幕函數進行關閉，從而為圖像到內存的收集進行中準備。對圖像分辨率的參數進行設置，確定圖像輸入及輸出窗口之后，設利用相應函數設置窗口。在設置完成之后，對圖像調用到內存函數中，在內存中實現文件信息的資源分配，并且實現文件信息頭的設置。在設置完成之后，對空文件實現BMP文件信息、圖像數據信息的寫入。假如函數成功執行，那么就對磁盤實現BMP文件的寫入，從而圖像抓拍工作就完成[10]。

2.5 圖像處理模塊

圖6為模塊以收集圖像對象特點實現的圖像處理模塊設計。

圖6 以收集圖像對象特點設計的圖像處理模塊

其一，灰度處理。因為收集三十二位真彩圖像，其運算難度比較大，所以就要將其轉變成為256色灰度圖像。

其二，閾值分割。在實現圖像收集的過程中，具有灰度值噪聲點，可以使用閾值法將其去除。使用合適閾值，只要是灰度值在閾值中點為白色，在閾值下為黑色。從而能夠將噪聲進行去除，并且還能夠使圖像為黑白兩個顏色的二值圖像，便于今后處理[11]。

其三，中值濾波。使用3×3模塊，將某個點作為中心，如果模塊區域中只存在此點像素值，那么此點就是噪聲，將像素值進行更改，從而將其去除。

其四，邊緣檢測。因為噪聲點對于邊緣檢測具有一定的影響，所以使用功能Gauss算法將噪聲去除，之后實現邊緣檢測[12]。

其五，細化。對圖像實現細化處理，將圖像幾何特征進行有效突出，降低冗余信息量。

其六，坐標與距離的計算。使用Hough算法實現圖像的處理，并誒對兩個圓的距離進行計算[13]。

2.6 運動目標模糊圖像恢復模塊

在相關研究過程中，其觀測的目標就會使用功能CCD光點探測器對運動進行探測，以此導致圖像出現模擬，從而對圖像質量及觀測精度造成影。假如將采樣時間縮短，能夠降低模糊量，但是也會降低檢測的靈敏度。所以，就要使用適當的處理技術，恢復模糊圖像。可以使用在快速曝光階段中對目標移動量數學規律進行觀測，從而設計相應處理軟件，能夠在X、Y兩個方面移動，以此使圖像質量及觀測精度進行有效保證[14]。圖7為運動目標模糊圖像恢復模塊的結構。

圖7 運動目標模糊圖像恢復模塊的結構

3 系統的測量

3.1 攝像機的內參數

在實現系統測量過程中，創建空間坐標系，主要包括系統標定，在理想狀態中，系統屬于正交直角坐標系[15]，圖8為攝像機內參數的坐標系。

3.2 幾何參數檢測

在對檢測系統進行調試之后，使用CAD2002繪制標準測試圖像，并且使用激光打印機進行打印。通過圖像處理，得到圖像和參數計算的結果，詳見圖9。

通過測試結果表示，對系統檢測精度造成影響的主要包括硬件自身及缺陷導致的誤差。在對本文所研究的系統進行測試之后表示，此系統能夠有效實現圖像多因素模擬，并且還能夠對傳統圖像檢測系統中的問題進行解決，從而提高系統的檢測精度和效果[16]。

圖8 攝像機內參數的坐標系

圖9 圖像和參數計算的結果

表1 實際圖像圓心的距離

4 結束語

文中將檢測系統和圖像處理中作為本文研究的基礎，對于現代工業中廣泛使用圖像處理檢測系統進行了全面的研究，并且對系統軟件、模塊的設計和具體的檢測原理進行了全面的分析，希望能夠為同行或者相關研究人員提供參考。在本文研究過程中也得到了一定的成果，比如設計的檢測系統不僅具備圖像測量功能，并且還具備板卡功能，能夠實現模擬信號量的轉換。另外，系統還能夠優化程序算法，降低程序運行時間，使運行速度得到提高。以此表示，本文所設計的系統具有良好的使用價值及應用前景。