模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李樂(lè)平

摘 要： 基于各領(lǐng)域?qū)δ：龍D像顯示效果、行為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和采集效率的要求，設(shè)計(jì)高性能的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的模糊圖像處理模塊對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行光柵化操作，并將得到的黑白像素圖像進(jìn)行渲染。色彩填充模塊中的頂點(diǎn)著色器和像素著色器，分別對(duì)渲染后的黑白像素圖像進(jìn)行局部和整體的色彩填充，所得到的模糊圖像的全彩圖像將傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示器進(jìn)行顯示。軟件利用Kalman濾波對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)擁有較高的顯示效果、行為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和采集效率。

關(guān)鍵詞： 模糊圖像； 高速采集系統(tǒng)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； Kalman濾波

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0110?04

Design of high?speed acquisition system for fuzzy image information data

LI Leping

（Neijiang Vocational & Technical College， Neijiang 641000， China）

Abstract： Aiming at the requirements of each field for the fuzzy image display effect， behavior prediction accuracy and collection efficiency， a high?performance and high?speed acquisition system of the fuzzy image information data was designed. The fuzzy image processing module of the system performs the rasterization operation of the fuzzy image information data， and renders the acquired black and white pixels image. The vertex shader and pixel shader in the color filling module perform the local filling and overall color filling respectively to the rendered black and white pixels image. The full?color image of the obtained fuzzy image is transmitted to the computer display for displaying. The Kalman filtering is used in the software to deal with the fuzzy image information data. The experimental conclusion shows that the system has high display effect， behavior prediction accuracy and acquisition efficiency.

Keywords： fuzzy image； high?speed acquisition system； system design； Kalman filtering

0 引 言

圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)在公安、消防、航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用很廣。受物體運(yùn)動(dòng)速度的限制，高速運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生模糊圖像的幾率很大。很多時(shí)候，模糊圖像中所涵蓋的信息數(shù)據(jù)是非常重要的，對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)的高速采集漸漸成為科研組織的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目[1?3]。以往研究出的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)使用的采集多種多樣，但依舊無(wú)法滿足各領(lǐng)域?qū)δ：龍D像顯示效果、行為預(yù)測(cè)和系統(tǒng)采集效率的要求[4?6]。

以往研究出的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的性能側(cè)重點(diǎn)不同，但均無(wú)法達(dá)到高性能設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)基于FC?AE?ASM的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在航空信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)模糊圖像信息數(shù)據(jù)的超高速采集。整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)水平和顯示水平均很高、采集效率尚可，但價(jià)格昂貴，在日常企業(yè)中的應(yīng)用較少。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)基于PXI總線的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，其著重進(jìn)行了模糊圖像恢復(fù)的顯示端設(shè)計(jì)，利用高性能的顯示處理器優(yōu)化采集資源，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)模糊圖像較高水平的顯示，但該系統(tǒng)的采集效率仍有較大的可提升空間。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)基于FPGA和USB的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)在保證顯示水平的基礎(chǔ)上，利用FPGA和 USB有效提高了系統(tǒng)的處理和存儲(chǔ)采集效率。但系統(tǒng)的功能較為簡(jiǎn)單，僅適用于對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)要求不高的領(lǐng)域。

為提高以上系統(tǒng)對(duì)模糊圖像的顯示效果、行為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和采集效率，設(shè)計(jì)高性能的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)擁有較高的顯示效果、行為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和采集效率。

1 模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的硬件設(shè)備較多，系統(tǒng)利用視覺(jué)處理器、坐標(biāo)處理器、片段處理器和著色器等設(shè)備進(jìn)行模糊圖像信息數(shù)據(jù)的采集，并利用Kalman濾波進(jìn)行輔助運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)模糊圖像的高水平顯示、行為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和高速采集。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程均可通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察。

1.1 模糊圖像處理模塊設(shè)計(jì)

模糊圖像處理模塊選用視覺(jué)處理器、幀緩沖器、坐標(biāo)處理器以及片段處理器進(jìn)行模糊圖像信息數(shù)據(jù)的處理。視覺(jué)處理器（GPU）是一種專門(mén)針對(duì)圖像處理、解放計(jì)算機(jī)CPU圖像處理任務(wù)的顯示芯片。在進(jìn)行模糊圖像信息數(shù)據(jù)的處理中，目標(biāo)圖像坐標(biāo)值的獲取是視覺(jué)處理器的基礎(chǔ)工作。目標(biāo)圖像的坐標(biāo)值經(jīng)由坐標(biāo)處理器進(jìn)行處理后，將傳送到幀緩沖器臨時(shí)存儲(chǔ)。坐標(biāo)處理器先將目標(biāo)圖像的立體坐標(biāo)值變換成二維平面坐標(biāo)，再經(jīng)由光柵化操作將模糊圖像變?yōu)闁鸥駡D像，并對(duì)柵格圖像進(jìn)行分塊恢復(fù)處理，進(jìn)而得到黑白像素圖像。

若想要讀取模糊圖像的黑白像素圖像信息數(shù)據(jù)，則需要經(jīng)由雙向診斷控制接口連接幀緩沖器，將處理結(jié)果直接顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。黑白像素圖像需經(jīng)渲染才能夠得到與模糊圖像色調(diào)相一致的圖像，圖1是模糊圖像處理模塊渲染管道結(jié)構(gòu)圖。

由圖1可知，視覺(jué)處理器的渲染工作主要通過(guò)坐標(biāo)處理器和片段處理器進(jìn)行操作。坐標(biāo)處理器和片段處理器所能容納的存儲(chǔ)量均很低，二者只能對(duì)模糊圖像的黑白像素圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，其輸出結(jié)果會(huì)被存儲(chǔ)到幀緩沖器中。

坐標(biāo)處理器對(duì)黑白像素圖像信息數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值進(jìn)行處理，處理結(jié)果將傳送給片段處理器。同時(shí)，視覺(jué)處理器通過(guò)自身接口，將原模糊圖像信息數(shù)據(jù)傳送給片段處理器。片段處理器在接收原模糊圖像信息數(shù)據(jù)前，會(huì)對(duì)其紋理內(nèi)存進(jìn)行模擬，以提高片段處理器的計(jì)算能力，方便模糊圖像處理模塊對(duì)黑白像素圖像的零偏差渲染。

1.2 色彩填充模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)視覺(jué)處理器渲染后的黑白像素圖像信息數(shù)據(jù)，同原模糊圖像信息數(shù)據(jù)仍存在一定的差別。故模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)在色彩填充模塊中，引入著色器為圖像進(jìn)行進(jìn)一步上色，進(jìn)而還原模糊圖像的實(shí)際畫(huà)面。著色器分為頂點(diǎn)著色器和像素著色器。頂點(diǎn)著色器進(jìn)行模糊圖像中目標(biāo)物體各邊緣點(diǎn)的色彩填充，屬于局部色彩填充；像素著色器進(jìn)行模糊圖像整體的色彩填充。將頂點(diǎn)著色器和像素著色器結(jié)合起來(lái)，同時(shí)對(duì)黑白像素圖像進(jìn)行色彩填充，這樣既能保證模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)對(duì)模糊圖像的顯示效果，也能提高系統(tǒng)采集效率。

1.2.1 頂點(diǎn)著色器設(shè)計(jì)

頂點(diǎn)著色器對(duì)黑白像素圖像的色彩填充與模糊圖像處理模塊的處理流程是相對(duì)應(yīng)的，即模糊圖像處理模塊每對(duì)模糊圖像進(jìn)行一次處理，其處理結(jié)果均會(huì)傳輸?shù)巾旤c(diǎn)著色器中進(jìn)行色彩的實(shí)時(shí)填充。頂點(diǎn)著色器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，頂點(diǎn)著色器擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，其能夠同時(shí)處理四種不同類型寄存器的傳輸數(shù)據(jù)。色彩空間通常被分為四種類型，分別為紅色空間、藍(lán)色空間、綠色空間和三原色混合空間。原模糊圖像中的色彩被分類到四種色彩空間中，每種色彩空間選用的寄存器也不同，故頂點(diǎn)著色器中有4種不同類型的寄存器。

寄存器中除存儲(chǔ)模糊圖像色彩信息數(shù)據(jù)外，其他的模糊圖像信息數(shù)據(jù)也會(huì)被實(shí)時(shí)、完整存入。輸入寄存器中存入頂點(diǎn)坐標(biāo)、預(yù)測(cè)位移、預(yù)測(cè)速度等數(shù)據(jù)信息；輸出寄存器中存入頂點(diǎn)著色器的色彩填充結(jié)果；只讀寄存器和常量寄存器直接受計(jì)算機(jī)管控，計(jì)算機(jī)會(huì)將模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的著色算法和語(yǔ)言存入其中。只讀寄存器也常被用作模糊圖像中目標(biāo)物體位置數(shù)據(jù)信息的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域。

頂點(diǎn)著色器能夠?qū)崿F(xiàn)模糊圖像中邊緣點(diǎn)的色彩精準(zhǔn)填充，其細(xì)節(jié)處理較為完美。但若用頂點(diǎn)著色器進(jìn)行大面積區(qū)域的色彩填充工作，則會(huì)降低模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的采集效率，故系統(tǒng)利用像素著色器進(jìn)行這一工作。

1.2.2 像素著色器設(shè)計(jì)

像素著色器對(duì)渲染后的黑白像素圖像進(jìn)行紋理內(nèi)存取樣和像素計(jì)算兩種處理。圖3是像素著色器結(jié)構(gòu)圖。

圖3中，像素著色器的運(yùn)算器能夠?yàn)槟：龍D像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)提供加、乘、點(diǎn)積等運(yùn)算，紋理內(nèi)存取樣和像素計(jì)算均在運(yùn)算器中進(jìn)行。運(yùn)算器將原模糊圖像信息數(shù)據(jù)中的紋理坐標(biāo)進(jìn)行取樣，再通過(guò)像素計(jì)算獲取其中的重要信息數(shù)據(jù)，像素著色器會(huì)根據(jù)像素計(jì)算結(jié)果為黑白像素圖像進(jìn)行大面積色彩填充。同時(shí)，頂點(diǎn)著色器的填充結(jié)果也會(huì)被傳送至像素著色器的存入寄存器中，并通過(guò)運(yùn)算器將兩著色器的填充結(jié)果合成全彩圖像，最終經(jīng)由輸出寄存器將模糊圖像的全彩圖像信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示器中進(jìn)行顯示。

2 模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)的高效處理，是高速且準(zhǔn)確地采集模糊圖像信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。處理結(jié)果若不準(zhǔn)確，采集器進(jìn)行的所有工作均為無(wú)效。系統(tǒng)利用Kalman濾波對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其更易被采集。

Kalman濾波是一種基于線性函數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的最優(yōu)估計(jì)方法，其每次對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)的處理流程均會(huì)進(jìn)行完好存儲(chǔ)。當(dāng)系統(tǒng)再次處理模糊圖像信息數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)參考前一次的處理流程，并將參考值與實(shí)際處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和完善，直至得出最優(yōu)處理結(jié)果。

軟件進(jìn)行了模糊圖像模型的構(gòu)建，利用Kalman濾波分析模糊圖像參數(shù)，進(jìn)而對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分裂處理，使其組合成平面模糊圖像，這是由于平面模糊圖像的信息數(shù)據(jù)更為直觀。

假設(shè)以一待處理長(zhǎng)方形模糊圖像的長(zhǎng)和寬分別是和，，分別是模糊圖像在模型中的橫、縱坐標(biāo)取值范圍，將初始模糊圖像分裂，分裂后的圖像用表示，則有：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)本文設(shè)計(jì)的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的顯示水平、行為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和采集效率進(jìn)行了驗(yàn)證。其驗(yàn)證方法是通過(guò)將本文系統(tǒng)，與曾研究出的性能較高的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。所選取的對(duì)比系統(tǒng)為基于PXI總線的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)[8]，和基于FPGA和USB的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)[9]。

實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行三個(gè)系統(tǒng)對(duì)模糊圖像顯示效果的驗(yàn)證。圖4是需要進(jìn)行信息數(shù)據(jù)高速采集的初始模糊圖像，利用三個(gè)系統(tǒng)對(duì)該模糊圖像在相同條件下，同時(shí)進(jìn)行采集，其輸出結(jié)果如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7可明顯看出，在相同條件下，基于FPGA和USB的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)雖能夠勉強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)：龍D像的車(chē)牌進(jìn)行顯示，但在較為復(fù)雜的模糊圖像中，可視其為無(wú)效顯示；基于PXI總線的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的顯示效果良好；本文系統(tǒng)的顯示效果與以上兩系統(tǒng)相比，更加接近于真實(shí)物體，證明本文系統(tǒng)擁有優(yōu)異的顯示效果。

實(shí)驗(yàn)還利用三個(gè)系統(tǒng)對(duì)圖4中汽車(chē)的行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)（設(shè)正北方的運(yùn)行方向?yàn)?°），并對(duì)三個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。表1是三個(gè)系統(tǒng)的行為預(yù)測(cè)對(duì)比表，表2是三個(gè)系統(tǒng)的總用時(shí)統(tǒng)計(jì)表。

由表1可知，三個(gè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性均較高，但本文系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性可到100%，證明本文系統(tǒng)擁有非常優(yōu)異的預(yù)測(cè)能力。由表2可知，本文系統(tǒng)作用于圖4中模糊圖像的總用時(shí)為14 ms，低于基于FPGA和USB的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)總用時(shí)5 ms，低于基于PXI總線的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)總用時(shí)12 ms，證明了本文系統(tǒng)擁有采集效率高的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)高性能的模糊圖像信息數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的模糊圖像處理模塊對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行光柵化操作，并將得到的黑白像素圖像進(jìn)行渲染。色彩填充模塊中的頂點(diǎn)著色器和像素著色器，分別對(duì)渲染后的黑白像素圖像進(jìn)行局部和整體的色彩填充，所得到的模糊圖像的全彩圖像將傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示器進(jìn)行顯示。軟件利用Kalman濾波對(duì)模糊圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)擁有較高的顯示效果、行為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和采集效率。

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