圖像處理及存儲(chǔ)顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹立華

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

圖像處理及存儲(chǔ)顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹立華

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

本文詳細(xì)論述了基于高性能工控機(jī)平臺(tái)的圖像處理及存儲(chǔ)顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用數(shù)字圖像采集卡實(shí)時(shí)接收紅外傳感器輸出的數(shù)字圖像信號(hào)，利用工控機(jī)CPU利用接收到的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)定位、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及圖像增強(qiáng)處理等操作。文中詳細(xì)論述了硬件組成及軟件工作原理，給出了試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論圖片。

高性能工控機(jī)；數(shù)字圖像；圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)

目前紅外圖像處理技術(shù)隨著紅外圖像傳感器的發(fā)展得到了極大的發(fā)展，紅外圖像傳感器有著可見光傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，基本上可以實(shí)現(xiàn)全天候工作，其主要民用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楸O(jiān)控、森林防火、道路監(jiān)察及高精度位置測(cè)量等。軍用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣怆娊?jīng)緯儀及紅外告警等。

20世紀(jì)90年代以后，隨著高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高及圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，可以在高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)很多以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，可以將很多功能集成在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行綜合處理，減少了中間處理環(huán)節(jié)的費(fèi)用降低了成本。

文中介紹的系統(tǒng)采用一臺(tái)高性能工控機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像的目標(biāo)定位、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及圖像增強(qiáng)輸出，詳細(xì)介紹了硬件組成及軟件構(gòu)成框架，并對(duì)每一部分進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 系統(tǒng)組成原理

顯示系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，工控機(jī)為顯示系統(tǒng)功能核心。各部分完成功能如下。

1）高性能工控機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)數(shù)字圖像進(jìn)行目標(biāo)定位、圖像存儲(chǔ)及增強(qiáng)處理，輸出8位圖像數(shù)據(jù)作為輸出數(shù)據(jù)源。

2）采用數(shù)字圖像采集卡實(shí)時(shí)采集數(shù)字圖像。

3）標(biāo)準(zhǔn)模擬圖像輸出卡用于輸出8位數(shù)字圖像進(jìn)。

2 系統(tǒng)硬件配置

高性能工控機(jī)選用研華公司生產(chǎn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，可支持3.6 GHzI7處理器，前端總線達(dá)1 GHz；可支持通道DDR3內(nèi)存，最大可擴(kuò)展到32G，本系統(tǒng)采用16G內(nèi)存。

3 系統(tǒng)軟件配置

3.1 軟件整體框架

考慮到高性能工控機(jī)I7處理器具有4核8線程的特性，同時(shí)系統(tǒng)需要完成目標(biāo)提取、圖像存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)增強(qiáng)3項(xiàng)功能，在軟件結(jié)構(gòu)上采用4線程處理機(jī)制，即圖像數(shù)據(jù)獲取及分配線程、目標(biāo)提取線程、圖像存儲(chǔ)線程及實(shí)時(shí)增強(qiáng)線程。

各線程間的關(guān)系如圖2所示。

各線程功能如下：

圖像數(shù)據(jù)獲取及分配線程的功能為當(dāng)采集卡中斷產(chǎn)生時(shí)，實(shí)時(shí)獲取圖像數(shù)據(jù)，為去3個(gè)線程提供圖像數(shù)據(jù)。

目標(biāo)提取線程的功能為在圖像中定位目標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)的精確位置信息。

圖像存儲(chǔ)線程的功能為實(shí)時(shí)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，為事后處理提供數(shù)據(jù)源。

實(shí)時(shí)增強(qiáng)線程的功能為將圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，輸出顯示。

圖2 軟件多線程結(jié)構(gòu)

3.2 目標(biāo)提取

采用形心方法進(jìn)行目標(biāo)提取。根據(jù)目標(biāo)特征自適應(yīng)的計(jì)算目標(biāo)閾值，根據(jù)目標(biāo)閾值二值化圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)如下目標(biāo)二階矩公式計(jì)算出目標(biāo)位置信息。

計(jì)算目標(biāo)二階矩公式是一個(gè)集團(tuán)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，不是個(gè)別點(diǎn)的位置信息，因此具有穩(wěn)定性好，精度高的特點(diǎn)。

3.3 圖像存儲(chǔ)

為了保證圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性，采用具有64MB緩存的SATA2高轉(zhuǎn)速硬盤作為介質(zhì)，其大容量的緩存能夠保證數(shù)據(jù)寫入硬盤的連續(xù)性和穩(wěn)定性，防止由于硬盤磁頭跳轉(zhuǎn)等因素造成數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)寫入現(xiàn)象的發(fā)生。

在開啟圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程后，系統(tǒng)首先分配兩塊較大的內(nèi)存空間，每塊空間約可存儲(chǔ)50幀的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用乒乓操作方式，圖像采集卡采集到的圖像數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)到其中的一塊內(nèi)存中，當(dāng)該塊內(nèi)存寫滿后，轉(zhuǎn)而寫入另外一塊內(nèi)存，同時(shí)將第一塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入硬盤，從而從軟件角度構(gòu)建硬盤二級(jí)緩存，保證數(shù)據(jù)的完整和實(shí)時(shí)性。

每幀圖像的數(shù)據(jù)大小為640×512×2=0.655 MB字節(jié)，按照幀頻為100 F/s計(jì)算，則1秒鐘存儲(chǔ)量為：

（640×512×2）×100=65.5 MB

選擇1 TB硬盤，可以存儲(chǔ)時(shí)間約為4.2 h。

3.4 圖像增強(qiáng)

灰度拉伸采取線性拉伸方法，即采用線性公式對(duì)灰度值分布在（，HH）區(qū)間的像元進(jìn)行拉伸：

4 結(jié)論

本文以高性能工控機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位、圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及圖像增強(qiáng)輸出3種功能。給出了具體的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定可靠，在實(shí)際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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G2

A

2096-0360（2015）14-0019-02

曹立華，研究方向?yàn)閳D像處理。