基于圖像準(zhǔn)確處理的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其功能實(shí)現(xiàn)

何擁軍

摘 要： 為了滿(mǎn)足圖像精確處理需求，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣動(dòng)態(tài)配置靈活性，采用高性能Cysclone系統(tǒng)芯片作為核心處理器，并配合1394總線(xiàn)鏈路層構(gòu)建圖像處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)方設(shè)計(jì)分為圖像采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)饶K，先通過(guò)攝像頭采集QR碼圖像，進(jìn)行濾波等預(yù)處理工作，然后經(jīng)定位、提取信息、檢索糾錯(cuò)等得到字符信心。該系統(tǒng)采用圖像處理技術(shù)，很好地解決了不同光照條件引起的識(shí)別不確定性，精確區(qū)分前景和背景，減少信息遺漏，設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)速度和面積技能，優(yōu)化系統(tǒng)硬件操作。在軟件設(shè)計(jì)中，采用軟核處理器，完整圖像信息的提取。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)二值化、濾波等檢測(cè)方法相比，處理時(shí)間大大縮短，同時(shí)處理圖像分辨率也得到提高。

關(guān)鍵詞： 圖像處理； QR碼； 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN957.52?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0097?0

0 引 言

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)是利用圖像采集信息，并實(shí)現(xiàn)處理和傳輸功能的裝置[1?2]，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著圖像采集處理系統(tǒng)逐漸成熟，各個(gè)領(lǐng)域?qū)D像數(shù)據(jù)的可辨識(shí)性和適應(yīng)性要求逐漸提高[3]。本文主要分析基于圖像精確處理的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

為了滿(mǎn)足圖像精確處理需求，本設(shè)計(jì)QR碼識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本設(shè)計(jì)分為圖像采集、系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)圖、圖像處理和視頻顯示模塊。為了滿(mǎn)足精確處理需求，圖像采集模塊采用高清CMOS航空攝像頭，視頻圖像采集模塊采用DE2?70開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)[4?5]，嵌入可編程芯片，視頻顯示模塊使用液晶顯示器輸出視頻。

1.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

視頻圖像處理模塊是關(guān)鍵部分，承擔(dān)圖像的采集、處理以及識(shí)別，視頻圖像主要結(jié)構(gòu)和控制信號(hào)如圖2所示。數(shù)據(jù)從圖像采集模塊的攝像頭接口進(jìn)入，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)。攝像頭采用NTSC制式，將模擬信號(hào)解碼為分量視頻數(shù)據(jù)，將信號(hào)存儲(chǔ)，完整后進(jìn)入FPGA芯片進(jìn)行圖像處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要是圖像預(yù)處理、定位、數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)，然后是芯片的配置。

2 QR碼圖像識(shí)別系統(tǒng)算法

QR碼編碼步驟包括數(shù)據(jù)分析、編碼、糾錯(cuò)、構(gòu)造等，數(shù)據(jù)分析確定字符類(lèi)型和模式，編碼模式包括字符編碼、漢字提取以及擴(kuò)充解釋等。QR碼數(shù)據(jù)編碼按照指定模式，將信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制位流，將碼字轉(zhuǎn)換為序列。數(shù)字模式碼字生成步驟如圖3所示。舉例說(shuō)明字母數(shù)字模式，如將AB?43轉(zhuǎn)換為碼字序列，按照字母數(shù)字模數(shù)得到字符，每?jī)蓚€(gè)字符為一組，均轉(zhuǎn)換為11位二進(jìn)制數(shù)，連成一個(gè)序列。GB2312所規(guī)定的的漢字字符[6]共6 768個(gè)，每個(gè)字符均由2個(gè)字節(jié)表示，將漢字字符轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制碼。

采用QR碼糾錯(cuò)算法生成糾錯(cuò)碼字，在數(shù)據(jù)塊后提取信息，減少數(shù)據(jù)丟失的情況。糾錯(cuò)共分為4個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)4個(gè)容量，一般能夠糾正拒讀錯(cuò)誤和替代錯(cuò)誤[7]。掩膜設(shè)計(jì)主要是滿(mǎn)足符號(hào)深色和淺色的調(diào)整，降低譯碼錯(cuò)誤發(fā)生率，僅僅使用在編碼圖形中。根據(jù)各個(gè)掩膜圖參考生成條件，進(jìn)行異或操作，對(duì)每個(gè)掩膜進(jìn)行評(píng)價(jià)。QR碼符號(hào)由正方形模塊構(gòu)成，編碼區(qū)域包括糾錯(cuò)編碼和數(shù)據(jù)編碼。

QR碼識(shí)別給予CCD攝像頭采集的圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)去除圖像噪聲，數(shù)字圖像由有限個(gè)元素組成，二維數(shù)字灰度圖像均可以由函數(shù)表示。在QR碼圖像進(jìn)行識(shí)別之前需要預(yù)處理，保證QR碼完整性。本組設(shè)計(jì)中，采用空間濾波中值濾波方法，降低噪聲[8]，并進(jìn)行Otsu算法二值化，完成QR碼預(yù)處理工作。

采用硬件算法實(shí)現(xiàn)QR圖像數(shù)據(jù)的采集，包括采樣、定位以及提取等工作。圖像預(yù)處理后，提取相關(guān)信息，有效定位，調(diào)整符號(hào)偏角，建立采樣點(diǎn)，得到提取像素信息的位置坐標(biāo)。QR碼定位中，主要搜索位置探測(cè)圖像。QR碼圖像濾波給予鄰域處理，逐點(diǎn)移動(dòng)掩膜。硬件實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性濾波器時(shí)，需要設(shè)計(jì)排序，求出較多邏輯資源，采用非線(xiàn)性濾波中值濾波器濾波。Matlab仿真采用傳統(tǒng)處理器方法，代碼如下：

>> t0=cputime；

>> K=medfilt2（J，[3，3]）；

>> t1=cputime?t0

根據(jù)模塊長(zhǎng)度網(wǎng)格化處理整個(gè)符號(hào)，一個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，減少計(jì)算量，后續(xù)工作中均按照?qǐng)D像采集模塊化坐標(biāo)。掩膜時(shí)需要注意功能區(qū)域，考慮到圖像探測(cè)、校正，因此不消除掩膜。數(shù)據(jù)編碼中，數(shù)據(jù)位流基本格式為模式指示符、字符計(jì)數(shù)指示符、數(shù)據(jù)位流、終止符，模式指示符共4位，包括數(shù)字、字符數(shù)字、漢字、字節(jié)，字符計(jì)數(shù)則是由版本而確定，數(shù)據(jù)流部分也是根據(jù)版本而定。

3 軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件采用Altera公司EP2C70芯片，編輯單元68 416個(gè)，RAM容量15 200 b，4個(gè)PLL，622個(gè)用戶(hù)pin數(shù)量。軟件部分，使用DSP Builder處理數(shù)字信號(hào)。

在圖像預(yù)處理模塊中，硬件設(shè)計(jì)要求不僅需要滿(mǎn)足輸出功能，同時(shí)要能夠達(dá)到實(shí)時(shí)處理，且邏輯資源盡可能少，又能監(jiān)測(cè)濾波狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用中值濾波器，分為圖像掃描和功能邏輯模塊。掃描模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)組的采集，邏輯模塊實(shí)現(xiàn)像素的計(jì)算。窗結(jié)構(gòu)零數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，需要滿(mǎn)足掃描和濾波器邏輯模塊，采用由左到右的掃描方式，窗結(jié)構(gòu)包括9個(gè)寄存器，存儲(chǔ)像素值，掃描過(guò)程中，每一個(gè)區(qū)域考慮相鄰的像素提取?；叶戎狈綀D用來(lái)描述灰度級(jí)個(gè)數(shù)，采用FPGA片內(nèi)存儲(chǔ)資源實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)流為1～254數(shù)據(jù)集合，讀入像素值后，RAM值加1，模塊化代碼如下：

FIFO設(shè)計(jì)中，利用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源，按照先進(jìn)后出的原則讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入時(shí)鐘clk上升時(shí)，信號(hào)為高，緩存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該模塊內(nèi)設(shè)置兩個(gè)地址計(jì)數(shù)寄存器，每一次讀或者寫(xiě)，寄存器數(shù)值加1。讀寫(xiě)到最大值時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)值，不會(huì)超過(guò)存儲(chǔ)空間。濾波器功能邏輯模塊采用奇偶排序法進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，直方圖統(tǒng)計(jì)模塊采用灰度直方圖函數(shù)，采用FPGA片內(nèi)存儲(chǔ)資源，數(shù)據(jù)范圍為1～254數(shù)據(jù)集合，在像素值讀入后，RAM地址數(shù)值加1。QR碼定位模塊是圖像預(yù)處理后掃描，在規(guī)定誤差內(nèi)表示為探測(cè)圖像咸蛋，提取模塊長(zhǎng)度和其他信息。定位模塊包括累加模塊、轉(zhuǎn)換和提取模塊，狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)reset信號(hào)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，時(shí)鐘周期由高到低，進(jìn)入初始模塊，若累加像素動(dòng)作完整，狀態(tài)進(jìn)入到模塊長(zhǎng)度計(jì)算。

4 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)中，由于能夠直接使用濾波，二值化等檢測(cè)，處理時(shí)間大大縮短，而且圖像分辨率達(dá)到640×480，處理速度上具有很大優(yōu)勢(shì)。由Quartus Ⅱ編譯報(bào)告分析資源使用情況，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用11 347個(gè)LE，寄存器為7 169個(gè)，占到20%，資源使用率適中，有利于后端布局布線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)物盡其用，節(jié)省資源。通過(guò)Modelsim仿真產(chǎn)生文件，分析FPGA片內(nèi)功耗，SDRAM緩存器控制模塊耗能較大。

QR碼視頻圖像經(jīng)過(guò)中值濾波處理之后，噪聲可以經(jīng)過(guò)過(guò)濾，大大減少，對(duì)后期定位有利，而且能夠減少漏定，提高識(shí)別率。二值化方面，能夠有效區(qū)分前景和背景最大的灰度閾值。QR碼經(jīng)過(guò)中值濾波、采樣等檢測(cè)后，信息寄存到SSRAM中，然后數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡瑑?nèi)存儲(chǔ)器中，確定圖形坐標(biāo)，符號(hào)通過(guò)NIOS打印在Console上。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)基于圖像精確處理的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整，完成各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工作，提出給予結(jié)果反饋的二值化算法，優(yōu)化和改進(jìn)中值濾波硬件結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)QR碼定位模塊，實(shí)現(xiàn)信息的提取，圖像處理速度大大提高。

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