基于單片機的圖像采集與處理應(yīng)用研究

唐婧壹

（山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046011）

0 引言

當(dāng)前在眾多工業(yè)企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的一般是由PC 機、圖像采集卡以及CCD 攝像頭構(gòu)成的圖像處理采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)存在功耗高、結(jié)構(gòu)繁瑣，價格昂貴，體積大等眾多弊端。近幾年來，隨著微軟Vista操作系統(tǒng)面世，PC 用戶能夠使用Instant on 功能，給單片機發(fā)展提供了廣闊的前景，一種克服傳統(tǒng)圖像處理采集系統(tǒng)的諸多弊端的智能控制及智能處理功能的微型圖像處理采集系統(tǒng)成為研究的對象。本文是以TI 的單片機lm4f120h5qr 為處理器，以O(shè)V7670（帶FIFO）為圖像傳感器，以ILI9327 為顯示的圖像采集、處理與顯示的系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)是智能小車循跡的基礎(chǔ)，需要進行圖像處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）整體連接。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的管腳介紹和實際管腳分布情況，做出了攝像頭、LCD 與單片機的管腳連接，為了連接方便，加入轉(zhuǎn)接板。

（2）單片機。單片機lm4f120h5qr 是由TI 公司推出的32 位單片機：時鐘頻率高達(dá)80MHz，帶有Flash 存儲器，容量是256KB；采用ICDI 調(diào)試接口，Stellaris ICDI只支持通過JTAG 調(diào)試。安裝完ICDI 驅(qū)動后會在PC 上虛擬一個串口，用這個串口來輸出調(diào)試信息是很方便的，代碼通過ICDI 燒到板子中去。

（3）攝像頭：設(shè)計所選用的攝像頭Ov7670（fifo），其有效像素為640×480（即30W）；所用的輸出格式為QVGA（240*320），在攝像頭內(nèi)部，裝設(shè)有一個fifo 芯片（AL422B），這個芯片的容量是384K 字節(jié)，可以用來存儲圖像數(shù)據(jù)，它的大小足夠用來存儲兩幀的QVGA 格式數(shù)據(jù)ov7670 模塊的自身就帶有源晶振,它可以產(chǎn)生12M時鐘信號，并以這個信號作為ov7670 時鐘信號的輸入做出了攝像頭與單片機的管腳分配和連接。如圖1 所示。

圖1 攝像頭與單片機的管腳分配和連接示意圖

（4）顯示屏：設(shè)計所選用的液晶顯示屏型號為FPC2667，它是TFT-LCD 液晶顯示屏中的一種,控制器為ili9327：像素為240RGB*432（設(shè)計中為240*320）GRAM 為233280字節(jié)支持18-/16-/9-/8-比特的數(shù)據(jù)總線接口，有8 位數(shù)據(jù)接口做出了LCD 與單片機的管腳連接。如圖2 所示。

（5）轉(zhuǎn)接板：在電腦主板生產(chǎn)時，需對PCI 這個功能測試，那么就一定需要一個PCI 卡插入主板的PCI 插槽。在長時間的插拔過程中，一定會對頻繁插入的PCI 設(shè)備卡產(chǎn)生磨損。這時，PCI PCB 轉(zhuǎn)接卡，就發(fā)揮其作用。有利的保護PCI 設(shè)備卡。本設(shè)計系統(tǒng)PCB 轉(zhuǎn)接板工藝圖如圖3 所示。

圖2 LCD 與單片機的管腳連接

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)與應(yīng)用

（1）系統(tǒng)時鐘配置：系統(tǒng)時鐘由ST89C51 單片機、復(fù)位電路、晶振電路、外部中斷和顯示電路5 個模塊組成。其中以單片機模塊為核心模塊，主導(dǎo)其余四個模塊工作，1602 顯示模塊用來顯示秒、分、時計數(shù)單位中的值。實現(xiàn)電路的總體功能是通過AT89c51 單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器實施其實現(xiàn)過程是通過軟件延時輔助，對定時/計數(shù)器程序進行中斷定時，達(dá)到系統(tǒng)時鐘配置要求。

（2）初始化LCD：初始化LCD 就是初始化模塊的寄存器，通過寫入預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)，對LCD 特性進行設(shè)置，在控制器的寄存器寫入預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)之前，首先對先復(fù)位一下控制端部的外部硬件。為使LCD 復(fù)位正確，要加個低電平的脈沖于LCD 模塊的復(fù)位端口。

（3）中斷初始化：系統(tǒng)采用了一個外部中斷，用它來捕捉VSYNC 同步信號，然后在中斷里邊啟動ov7670 這個模塊的圖像數(shù)據(jù)存儲，等到下次VSYNC 同步信號到來的時候，我們就關(guān)閉圖像數(shù)據(jù)的存儲，這樣的話，一幀圖像數(shù)據(jù)的存儲就完成了，這個時候，就可以在主函數(shù)里邊將這一幀數(shù)據(jù)讀取出來，傳送給單片機進行處理，同時，開始下一幀圖像數(shù)據(jù)的存儲就這樣往復(fù)循環(huán)。

（4）存儲讀取圖像數(shù)據(jù)：系統(tǒng)選用MCLK 與SMCLK的時鐘源為XT2，實現(xiàn)各時鐘信號的同步，并且等待XT2晶振的起振，調(diào)用串口初始化函數(shù)，完成串口初始化。接著，要調(diào)用攝像頭中斷初始化函數(shù)、攝像頭初始化函數(shù)、攝像頭寫復(fù)位函數(shù)、攝像頭圖像捕獲函數(shù)以及讀復(fù)位函數(shù)，初始化攝像頭并且打開外部中斷，準(zhǔn)備捕獲圖像。然后進行存儲數(shù)據(jù)與讀取數(shù)據(jù)。如圖4 所示。

圖4 存儲讀取圖像數(shù)據(jù)示意圖

（5）圖像處理。為了兼顧算法的準(zhǔn)確性和快速性，我將在數(shù)碼管的七個部分上分別各取9 個點，存于數(shù)組中，去掉其中的最大和最小值，然后剩下的7 個點的Y值取平均值，如果大于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為亮，如果小于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為滅。依次判斷好數(shù)碼管7 個部分的亮滅情況后，匯總結(jié)果，就能得出數(shù)碼管顯示的數(shù)字是多少。9 個點，存于數(shù)組中，去掉其中的最大和最小值，然后剩下的7 個點的Y 值取平均值，如果大于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為亮，如果小于設(shè)定的閾值，就判斷數(shù)碼管該部分為滅。依次判斷好數(shù)碼管的好壞。

3 圖像處理

（1）RGB 轉(zhuǎn)灰度色：對于彩色轉(zhuǎn)灰度，有一個很著名的心理學(xué)公式Gray =R*0.299+G*0.587+B*0.11。實際應(yīng)用時，希望避免低速的浮點運算，所以需要整數(shù)算法。注意到系數(shù)都是3 位精度的沒有，實現(xiàn)整數(shù)運算算法是通過將它們縮放1000 倍心理學(xué)公式完成，即Gray =（R*299+G*587+B*114+500）/1000。

（2）中值濾波：中值濾波是一種典型的低通濾波器，是較為理想的非線性濾波技術(shù)，其特點是能夠較好地保護目標(biāo)圖像邊緣，可抑制脈沖噪聲，濾除尖波干擾噪聲。在對圖像進行操作時，可以按灰度等級目的把局部區(qū)域的像素排序，將灰度的中值設(shè)置為灰度值。其流程如下：首先通過在濾波模板漫游模式，把圖中某個像素位置與模板中心進行重合；然對讀取模板中各對應(yīng)像素的灰度值后自小到大進行排序；最后取中間數(shù)據(jù)加入相對應(yīng)模板像素中心位置。這樣就會對孤立的噪聲像素即椒鹽噪聲、脈沖噪聲具有良好的濾波效果。

（3）閾值分割：閾值分割法可分為與局部兩種模式。局部模式就是把原始圖像分成若干個劃分小圖像，然后對每一個子圖像進行閾值選取，可以改善分割效果，值得注意的是，在使用局部模式后，相互接觸的子圖像的邊沿處有時會出現(xiàn)邊不連續(xù)性灰度級，這種情況要使用平滑技術(shù)修復(fù)。局部模式一般用灰度差直方圖法與微分直方圖法進行操作。在實際操作中注意把握以下幾個兩點：首先所取舍的每一塊子圖像尺寸要適當(dāng)，不可過大或者過小，以免影響統(tǒng)計結(jié)果；二是所取舍的每一塊子圖像是任意分割的，避免出現(xiàn)子圖像落在目標(biāo)或者背景區(qū)域的現(xiàn)象，避免出現(xiàn)分割值出現(xiàn)較大的誤差。局部模式的閾值法雖然效果較好，但需要對分割的對每個子圖像進行統(tǒng)計，操作相對較慢，難以滿足實時性的需求。

（4）提取骨架：圖像細(xì)化（骨架化）是進行圖像識別、線條類圖像目標(biāo)分析的重要手段。其基本步驟如下：讀取圖像文件—用graythreash 函數(shù)計算閾值—調(diào)用bwmorph 函數(shù)去除物體的邊界像素—其余像素組成圖像骨架并顯示。

4 結(jié)束語

全文以單片機攝像頭數(shù)據(jù)采集與處理為中心，設(shè)計了一種基于單片機圖像采集與處理的功能，包括攝像頭模塊經(jīng)平滑濾波，閾值分割，骨架提取等，并通過上位機軟件的編寫來顯示圖像。測量精度非常高，經(jīng)過測試實驗驗證了系統(tǒng)的可行性，為智能車循跡奠定了基礎(chǔ)。

[1]張晞，王德銀，張晨.MSP430 系列單片機實用C 語言程序設(shè)計[M]．北京:人民郵電出版社，2005.

[2]沈建華，楊艷琴.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與實踐[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]陸玲，周書民．?dāng)?shù)字圖像處理方法及程序設(shè)計[M]．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011.

[4]孫興華，郭麗．?dāng)?shù)字圖像處理編程框架、理論分析、實例應(yīng)用和源碼實現(xiàn)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2012.