基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統設計

杜 娟

（安陽職業技術學院，安陽 455000）

0 引言

在視覺傳達設計領域中，圖像中物體的規律能側面反映出圖像的本質特征，利用統計學提取技術可提取出該圖像的本質特征，以達到視覺傳達的目的，當系統在傳輸比較復雜的多維圖像時，需要引入CAD輔助技術，利用該技術可簡化和繪制多維圖像，以表現出圖像的結構信息[1]。

CAD輔助技術下視覺傳達具有立體化、動態化的特效，改變了圖像傳統的平面化、靜態化特點，并將圖像產品轉化到了虛擬信息形象，擴展了傳統視覺傳達設計的外延，使視覺傳達發生了質的飛躍。

傳統的視覺傳達數字系統無法實現圖像的動態化和多維化，且傳達的效果較差，只能設計單個元素，很難實現多元素的設計，在進行自動化視覺傳達時，缺乏視覺秩序關系，導致系統傳達視覺信息的效率較低，精準性較差[2]。

為了解決傳統視覺傳達數字系統出現的問題，本文設計了基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統，采用CAD輔助技術，凸顯圖像的結構信息，使視覺傳達具有較好的立體化和動態化特效，設計硬軟件環境，通過系統的硬件，完成對圖像的采集、處理、傳輸、存儲和控制，搭建軟件開發環境，提升視覺傳達自動化數字系統的性能，最后通過對比實驗，驗證本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統的有效性，確定系統的可行性。

1 基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統硬件設計

本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統硬件由圖像采集處理模塊、圖像傳輸模塊、圖像存儲模塊和圖像控制模塊四部分組成，系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統硬件結構

1.1 圖像采集處理模塊

系統的圖像采集處理模塊包括攝像頭、微處理器、傳感器，攝像頭的像素較高，可將圖像拍攝的非常清晰，里面配置的放大器和A/D轉換電路可以實現數字量的輸出[3]。圖像采集處理模塊示意圖如圖2所示。

圖2 圖像采集處理模塊示意圖

觀察圖2 可知，傳感器采用三星公司生產的OV7670，該傳感器可支持連續掃描方式，圖像格式為QVGA，像素最高為800×600，完全符合本文系統采集圖像的要求，傳感器的編程模式為CCB，可進行隔行掃描，采集出來的圖像像素約40萬，通過圖像采集模塊中的攝像頭和傳感器，完成圖像的采集。微處理器是圖像采集處理模塊中的核心部件，微處理器選用三星公司生產的S3C2440A，該款微處理器功耗較低，屬于工業級，具有較好的集成能力，工作頻率為450MHz，在處理圖像時，最高可達到550MHz，處理圖像的速度較快，具有32K的指令Cache，在微處理器的外部，設有26路外部中斷源，以及12個通用的I/O端口，通過引入MMU，實現對圖像的高效處理。通過圖像采集處理模塊，完成圖像的采集與處理操作。

圖像采集器電路圖如圖3所示。

圖3 圖像采集器電路圖

1.2 圖像傳輸模塊

在本文系統的圖像傳輸模塊中，選擇紅外傳感器作為圖像傳輸的設備，該款紅外傳感器的優點在于可以保持圖像的動態化和多維化，自動輻射紅外線，通過快速輻射紅外線，提升圖像信息的傳達效果，基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統，目的在于提升圖像的傳達效果和效率，采用紅外線傳感器作為傳輸設備，能夠降低系統的傳達耗時。圖像傳輸模塊示意圖如圖4所示。

圖4 圖像傳輸模塊示意圖

采用紅外線傳感器傳輸圖像信息時，首先由圖像采集處理模塊對圖像進行采集和處理，傳感器接收到系統下發的指令后，打開探頭，向采集、處理完的圖像信息釋放紅外輻射，當紅外輻射射程達到額定射程時，紅外傳感器觸發攝像頭，使攝像頭采集成像，以此完成對圖像信息的傳輸。傳輸器電路圖如圖5所示。

圖5 傳輸器電路圖

1.3 圖像存儲模塊

本文系統的圖像存儲模塊以FIFO存儲器為主要的存儲設備，該存儲器是一個先入先出的雙口緩沖器，FIFO存儲器的芯片集成能力較強，功能復雜，具有豐富的數據資源，體積較小，存儲方便。其內存空間為6Mbit，可支持FPGA，在FIFO存儲器的內部設有指針控制電路，可為I/O端口和USB接口提供總線讀取存儲器，讀取端口的工作頻率最高可達100MHz。在指針控制電路中，可傳輸兩路指針信號并隨著兩路串行圖像數據連接到USB接口上，圖像數據在FIFO存儲器中集成，在FPGA上緩存，通過FPGA編碼控制圖像數據的讀/寫操作，讀出緩存在FPGA上的圖像數據，通過I/O轉換接口轉換傳輸過來的指針信號，并將圖像數據存儲在FIFO存儲器內。通過圖像存儲模塊，完成圖像數據的存儲，圖像存儲模塊圖如圖6所示。

圖6 圖像存儲模塊

1.4 圖像控制模塊

圖像存儲模塊完成圖像的存儲后，由圖像控制模塊對存儲完成的圖像進行控制，圖像控制模塊的核心器件為VGA圖像控制器，該款圖像控制器的視頻高速數模轉換芯片具有較強的控制能力和轉換能力，VGA圖像控制器上具有豐富的數據接口，由這些接口輸入圖像數據，輸入完成后再將圖像數據寫入到轉換芯片當中，VGA圖像控制器就可將轉換芯片內的圖像數據轉換成圖像[4]。圖像控制模塊接口如圖7所示。

圖7 圖像控制模塊接口

除了轉換芯片外，圖像控制模塊內還含有刷新模塊、生成模塊，刷新模塊主要可將一頁頁的圖像數據自動進行更新和刷新，提升圖像的傳達效果，生成模塊主要通過刷新、更新完的圖像數據生成傳達信號，以協助VGA圖像控制器控制圖像的傳達和傳輸。

2 基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統軟件設計

CAD是計算機輔助設計的英文縮寫，可利用計算機及圖形設備對圖像進行設計，通過計算機較強的圖文處理能力，輔助工程技術人員設計產品或者工程繪圖。在本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統中，采用了CAD輔助技術，可以提升視覺傳達的自動化程度，縮短傳達周期，提升傳達效率[5,6]。

本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統的軟件流程如圖8所示。

圖8 基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統軟件流程

第一步：對圖像數據信息庫進行管理。圖像數據信息庫中包含圖像數據采集、圖像數據信息傳達、圖像數據信息接收，圖像數據采集可通過硬件中的圖像采集處理模塊來實現，在進行圖像數據采集時，需要將圖像數據種類進行分類，以提升采集的效率，縮短采集周期。圖像信息傳達通過圖像傳輸設備將圖像信息傳輸到數字系統中，圖像數據信息接收主要負責將采集、傳輸完的圖像信息緩存下來，以便采用CAD輔助技術對圖像信息進行平面和三維設計。

第二步：顯示三維立體圖像。對圖像數據信息庫實現管理后，對處理完的圖像信息采用CAD輔助技術進行平面和三維設計，在進行平面設計時，將全景照相機中的圖像進行簡單拼接，再將實拍圖像進行多幅拼接，拼接完成后再與CAD設計完的平面圖像進行融合，形成平面全景圖并將其輸出。平面圖形成后再采用CAD輔助技術將其進行三維設計，使其形成三維、動態化的圖像，需要將圖像數據中的每個點映射到三維空間內，然后采用雙目視差立體顯示與真三維立體顯示技術對原始的三維立體圖像進行處理，在采用雙目視差立體顯示技術時，人的雙眼看見同一圖像時，兩只眼睛前面呈現的是不一樣的圖像，因此分別顯示兩只眼睛看到的圖像，在某一時刻下先將對應的左眼視圖傳輸到第一臺攝像頭上，對應的右眼視圖傳輸到第二臺攝像頭上，然后采用真三維立體顯示技術將兩張圖像做深度分析和處理，與處理過的圖像進行結合，最終將三維立體圖像顯示出來。

第三步：優化三維立體圖像。由于視覺傳達自動化數字系統對視覺傳達效率要求較高，因此采用圖像增強技術對三維立體圖像進行優化，使顯示的三維立體圖像的質量更好，從而提升視覺傳達的效果。按照優化空間的不同，圖像增強技術含有兩種圖像優化方法，分別是基于空域和基于頻域方法，頻域法是對三維立體圖像上的每個虛擬像素點進行優化，優化內容包括圖像平滑和直方圖修正，空域法指的是通過灰度變換方法將三維立體圖像轉換到另一個空間域內，然后通過傅里葉變換方法對存放在另一空間域內的三維立體圖像進行優化，為了提升三維立體圖像的質量和視覺傳達的效果，采用空預法與頻域法相結合的方式對三維立體圖像進行深度優化。

3 實驗研究

為了驗證本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統的有效性，通過與傳統系統進行對比實驗驗證本文系統的有效性。傳統系統沒有采用CAD輔助技術無法實現圖像的多維化和動態化，視覺傳達效果較差，為了對比本文系統與傳統系統的視覺傳達效果，進行了對比實驗，為了使實驗結果具有突出性和代表性，采用了數值對比的方式進行對比，實際視覺傳達結果和兩種系統的視覺傳達結果如圖9所示。

圖9 系統傳達結果圖

由圖9可知，本文系統的視覺傳達效果與實際傳達效果基本相同，只出現兩處傳達不一致的情況，傳達準確率較高，失誤率較小，而傳統數字系統的視覺傳達效果與實際傳達效果相差較大，出現了5處錯報情況，2處漏報情況，視覺傳達效果較差，傳達準確率較低，誤判率較大。

除此之外，傳統視覺傳達自動化數字系統只能設計單個元素，很難對多元素進行設計，并且在進行自動化視覺傳達時，缺乏視覺秩序關系，這些導致了傳統系統傳達視覺信息的效率較低。而本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統，采用CAD輔助技術對圖像進行深度設計，形成三維立體圖像，采用雙目視差立體顯示技術對三維立體圖像進行處理，通過真三維立體顯示技術對圖像進行深度分析，使用圖像增強技術對顯示的三維立體圖像進行優化，并運用傅里葉變換方法和灰度變換方法提升三維立體圖像的質量以及視覺傳達的效果，進而提升了系統傳達視覺信息的效率，為了對比傳統系統與本文系統傳達視覺信息的效率，通過對比實驗進行驗證。

實驗結果如表1所示。

表1 系統性能實驗結果

由表1可知，本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統，傳達視覺信息的效率遠遠高于傳統視覺傳達自動化數字系統，視覺信息傳達的效率提升15.4%，視覺信息傳達的準確率提升了12.1%。本文提出的自動化數字系統能夠在短時間內迅速實現識別，篩選出來有效的數據，并將篩選出來的數據傳輸到數據庫中，在數據庫中進行對比，最后由顯示器顯示傳輸結果。

綜上所述，本文設計的基于CAD輔助技術的視覺傳達自動化數字系統的優于傳統系統，視覺傳達效果更好，準確率更高，沒有出現漏報情況，并且傳達視覺信息的效率遠遠高于傳統系統，系統性能更好，具有一定的應用價值。

4 結語

本文基于CAD輔助技術設計了一種新的視覺傳達自動化數字系統，通過CAD輔助技術設定信息，實現圖像分析，更好地處理圖像特征點，完成自動化處理。本文提出的系統相比較于傳統系統，處理效率更高，傳達結果與實際結果吻合度更高，更適合于實際應用中。