基于Matlab圖像采集工具箱的圖像處理實驗平臺設(shè)計

傅志中， 趙宇飛， 周 寧， 李曉峰， 徐 進(jìn)

(電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 成都 611731)

基于Matlab圖像采集工具箱的圖像處理實驗平臺設(shè)計

傅志中， 趙宇飛， 周 寧， 李曉峰， 徐 進(jìn)

(電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 成都 611731)

基于Matlab的圖像采集工具箱，設(shè)計了一套集圖像采集與處理的圖像數(shù)據(jù)處理軟硬件平臺。該平臺利用Matlab的圖像處理與采集函數(shù)，實時從圖像傳感器采集并處理圖像數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)的圖像處理平臺，該實驗平臺能提供更多的實驗項目和實際體驗，提高學(xué)生的臨場實驗效果，并使學(xué)生專注于圖像處理實驗項目的創(chuàng)新思路與算法設(shè)計過程。

圖像處理； 圖像采集工具箱； 實驗項目； 算法設(shè)計； 實驗平臺設(shè)計

0 引 言

數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展得益于廣泛的應(yīng)用需求以及數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其理論性和實踐性都很強?！鞍俾劜蝗缫灰姟蓖癸@了圖像在人類認(rèn)知與信息獲取方面的重要性。基于理論模型描述進(jìn)行圖像處理算法的教學(xué)模式，學(xué)生不能深刻地理解、認(rèn)知圖像處理技術(shù)內(nèi)容，不能激發(fā)學(xué)生對圖像處理課程的學(xué)習(xí)興趣和對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

Photoshop、Corel draw、美圖秀秀等軟件，側(cè)重于圖像編輯、美化與特效制作，與教材內(nèi)容切合度較差，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)與理解圖像處理基本原理及算法。對此，許多教學(xué)工作者對圖像處理平臺和實驗項目展開了廣泛研究與探索。

自INTEL公司推出OPENCV以來，基于C/C++的圖像處理實時應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展，使得VC或VS開發(fā)環(huán)境成為圖像處理技術(shù)應(yīng)用的一個重要開發(fā)平臺?；赩C平臺數(shù)字圖像處理教學(xué)實驗[1-3]，有助于學(xué)生通過實驗直觀地認(rèn)識和掌握圖像處理的原理和用途，但該實驗系統(tǒng)對學(xué)生的C語言使用熟練程度要求較高，學(xué)生容易陷于繁雜的編程工作，而忽略了本該重視的圖像處理任務(wù)及算法設(shè)計問題，不適合于課程教學(xué)實驗。

MathWorks公司推出的用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件Matlab，在高校和業(yè)界都得到了廣泛的應(yīng)用，得到了教育者和業(yè)界技術(shù)開發(fā)人員的高度認(rèn)可和推崇[4-5]?；贛atlab的圖像處理實驗軟件與實驗項目[6-10]，為圖像處理技術(shù)實驗開展提供了重要手段，降低了學(xué)生對C語言等的實踐環(huán)節(jié)難度，使學(xué)生專注于問題發(fā)現(xiàn)、問題解決和算法設(shè)計過程，提高了學(xué)生對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣。但這些實驗還是基于Matlab或VC平臺環(huán)境的軟仿真，還僅停留在軟件仿真方面，學(xué)生沒有接觸到實際的圖像獲取與處理系統(tǒng)，缺乏真實的實際體驗。

基于DSP或FPGA的圖像處理實驗[11-13]，有助于學(xué)生從算法設(shè)計到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，但需要耗費學(xué)生較多的精力去學(xué)習(xí)并掌握DSP相關(guān)技術(shù)或過多的硬件實現(xiàn)細(xì)節(jié)，不利于學(xué)生專注于圖像算法設(shè)計過程，不利于培養(yǎng)學(xué)生在算法設(shè)計方面的創(chuàng)新能力。采用LabVIEW和Matlab混合編程模型[14]，實現(xiàn)了在線“信號與線性系統(tǒng)”教學(xué)的交互性實驗。該模型提供了一種較好的圖像處理實驗平臺，但是，由于LabVIEW是基于圖形化的編程語言，Matlab編程處于協(xié)處理器地位，不利于充分發(fā)揮Matlab靈活及強大的數(shù)值計算能力。

另外，上述實驗平臺或項目，側(cè)重在圖像復(fù)原與重構(gòu)、圖像增強、圖像分割、圖像編解碼及圖像分析等內(nèi)容，缺失數(shù)字圖像采集等預(yù)處理過程。

本實驗平臺基于Matlab圖像采集工具箱，在產(chǎn)學(xué)研科研項目研究基礎(chǔ)上，開發(fā)一套集數(shù)字圖像采集和處理的圖像處理平臺。① 為產(chǎn)學(xué)研項目提供技術(shù)支撐[15]，② 為實驗教學(xué)提供真實、現(xiàn)場的圖像處理數(shù)據(jù)，提升學(xué)生的實驗臨場體驗，激發(fā)學(xué)生在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題，解決實際問題的能力，加強學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 實驗平臺設(shè)計

考慮到實驗平臺的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性，同時提供圖像預(yù)處理實驗并緊跟業(yè)界發(fā)展，實驗平臺擬采用USB攝像頭和自制圖像成像與圖像采集模塊相結(jié)合的圖像采集混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足不同實驗經(jīng)費額度和實驗項目需求。

1.1 實驗平臺架構(gòu)

該實驗平臺由圖像成像、圖像采集和圖像處理3個模塊構(gòu)成，實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 圖像處理實驗平臺硬件結(jié)構(gòu)

圖像處理模塊內(nèi)裝Matlab軟件的通用計算機(jī)，完成圖像數(shù)據(jù)的采集與處理，提供實驗教學(xué)的相關(guān)實驗項目的軟硬件實驗環(huán)境。

圖像成像與采集模塊的設(shè)計基于兩種情況：① 圖像成像與采集模塊采用USB攝像頭，則這兩個模塊都包含在USB攝像頭內(nèi)部，USB攝像頭與圖像處理模塊直接用USB數(shù)據(jù)鏈路連接。② 采用分離的圖像成像與圖像采集模塊方式。

1.2 圖像成像模塊設(shè)計

圖像成像模塊包括圖像傳感器、電源管理和圖像傳輸接口和輔助控制電路等單元構(gòu)成，實時將場景信息轉(zhuǎn)換為電信號并以一定的傳輸協(xié)議傳輸至圖像處理模塊。其實現(xiàn)框圖如圖2所示。輔助控制電路完成模塊的基本控制及傳輸信號驅(qū)動，電源管理實現(xiàn)模塊的電源電壓管理。

圖2 圖像成像模塊結(jié)構(gòu)

圖像傳感器采用TRUESENSE的KAI0340，該圖像傳感器在640X480像素分辨率時可達(dá)200幀/s，在縮小視場時，最高可達(dá)3 400幀/s。圖像傳輸接口由通用的FPGA實現(xiàn)，F(xiàn)PGA采用Lattice公司的非易失性器件LFXP2系列芯片，該型號體積小、功耗低、邏輯及IP資源豐富，完全滿足圖像成像模塊的資源需求。該單元接收來至圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)，實時將圖像數(shù)據(jù)以CameraLink傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸。

1.3 圖像采集模塊設(shè)計

圖像采集模塊實現(xiàn)將圖像成像模塊的基于CameraLink傳輸協(xié)議的圖像數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為圖像處理模塊可識別的數(shù)據(jù)格式，緩存并及時通知圖像處理模塊。采集卡可以采用貨架產(chǎn)品如Siiconsoftware公司的MicroEnable IV VD4-CL圖像采集卡，該采集卡可實時采集兩路基于CameraLink傳輸協(xié)議的圖像數(shù)據(jù)流，也可基于如PLX公司的PCIe的低成本接口芯片如PEX8114，Lattice的LFXP2系列FPGA芯片和存儲器構(gòu)成，PLX提供了全套的系統(tǒng)開發(fā)工具，能快速實現(xiàn)采集卡的開發(fā)。圖像采集卡模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 圖像采集卡模塊結(jié)構(gòu)

1.4 實驗軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖像成像模塊與圖像采集模塊連接后，圖像成像模塊將圖像傳感器獲取的數(shù)據(jù)實時傳輸至圖像采集模塊。此時，需要設(shè)計基于Matlab圖像采集工具箱的圖像采集、處理與顯示平臺。

圖像采集工具箱是Matlab計算環(huán)境能力擴(kuò)展的一個功能集合，其提供了一系列函數(shù)，允許用戶將各種相機(jī)連接至Matlab或Simulink數(shù)值計算環(huán)境。同時，該工具箱允許用戶交互式地檢測與配置硬件環(huán)境、實現(xiàn)了在線圖像處理、硬件觸發(fā)圖像采集、圖像后臺采集、多相機(jī)同步采集等功能。該工具箱對主流的硬件廠家，如USB3 Vision、 GigE Vision等提供了驅(qū)動支持。同時，為擴(kuò)展系統(tǒng)的硬件支持能力，工具箱提供了高級適配器定制能力，使得用戶可以將第三方設(shè)備連接至工具箱?；贛atlab圖像采集工具箱的圖像實驗平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 圖像實驗平臺軟件結(jié)構(gòu)

其中平臺硬件環(huán)境是如圖1所示的實驗平臺硬件，圖像采集卡驅(qū)動動態(tài)庫是基于采集卡硬件廠商或自制采集卡提供的硬件驅(qū)動程序，Matlab的Adapter適配器是連接Matlab圖像采集工具箱與硬件廠商驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)適配器接口，以動態(tài)庫形式供Matlab動態(tài)加載或卸載。該動態(tài)庫基于C++框架，用戶可以根據(jù)該框架創(chuàng)建適合于任意采集卡硬件的適配動態(tài)庫軟件。通過該適配器，實現(xiàn)了Matlab圖像采集工具箱與采集硬件環(huán)境的連接。通過Matlab圖像采集工具箱提供的豐富函數(shù)接口，實時從現(xiàn)場采集圖像數(shù)據(jù)，從而在Matlab或Simulink環(huán)境下實現(xiàn)各類圖像處理實驗項目。

2 實驗項目設(shè)計

根據(jù)圖像處理教學(xué)任務(wù)和創(chuàng)新性實驗的需求，本實驗平臺可支撐的實驗項目如表1所示。

表1 平臺可支撐的實驗項目

3 實驗平臺實現(xiàn)

根據(jù)本文設(shè)計的實驗平臺如圖5所示。該平臺采用自制的圖像成像模塊，見圖5(a)，該模塊除傳輸圖像的CameraLink接口外，還有一個串口控制接口，用于控制成像模塊的參數(shù)。圖像采集模塊采用商用的圖像采集卡IV VD4-CL，插入到通用計算機(jī)的圖像處理模塊，見圖5(b)。圖像成像模塊與圖像采集模塊之間采用CameraLink電纜連接。

圖6是基于該實驗平臺采集的圖像。圖6(a)是采集的畫報上人物圖像，圖6(b)是采集標(biāo)準(zhǔn)測試圖像。圖像采集至Matlab環(huán)境中后，可充分利用Matlab強大的數(shù)值計算能力，進(jìn)行相關(guān)項目的實驗任務(wù)。該實驗平臺達(dá)到了設(shè)計要求，能支撐表1所列的實驗項目。同時，基于該實驗平臺，也可以開展相關(guān)的科研項目。

(a)成像模塊(b)插入有采集卡的計算機(jī)

圖5 實現(xiàn)的圖像實驗平臺

(a)采集的畫報圖(b)采集的標(biāo)準(zhǔn)測試圖

圖6 Matlab環(huán)境下的采集圖像

4 經(jīng)濟(jì)性分析

本實驗平臺硬件環(huán)境由圖像成像模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊3個部分構(gòu)成?；诓煌布h(huán)境構(gòu)成的實驗平臺，其價格存在較大差異，將實驗平臺分為最小系統(tǒng)和基本系統(tǒng)兩類實驗平臺，其構(gòu)成類型見表2。用戶可根據(jù)實驗室經(jīng)費建設(shè)額度和擬開展的實驗項目，對實驗平臺硬件環(huán)境和進(jìn)行增減配置。

表2 實驗平臺構(gòu)成類型

最小系統(tǒng)由1臺通用計算機(jī)和1個USB攝像頭構(gòu)成，其需求的經(jīng)費最少。因為USB攝像頭的輸出是經(jīng)過預(yù)處理后的圖像，所以最小系統(tǒng)不能開展圖像預(yù)處理類的相關(guān)實驗項目。

基本系統(tǒng)是在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加自制成像模塊和圖像采集卡。除計算機(jī)外，基本系統(tǒng)的成像模塊和CameraLink采集卡的自制成本可控制在3 000元以內(nèi)。由于自制的成像模塊能提供圖像傳感器的原始成像數(shù)據(jù)，因此，相對于最小系統(tǒng)，可以進(jìn)行所有實驗，滿足現(xiàn)有圖像處理課程教學(xué)的所有實現(xiàn)項目需求。同時，也可用于相關(guān)產(chǎn)學(xué)研項目的前期研究。最小系統(tǒng)和基本系統(tǒng)的軟件實驗系統(tǒng)是相同的，沒有差異。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于Matlab圖像采集工具箱的圖像處理實驗平臺。該平臺擴(kuò)展性強，可根據(jù)實驗室建設(shè)經(jīng)費額度，構(gòu)建不同成本的圖像處理實驗平臺。也可根據(jù)實驗項目差異，構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的實驗平臺。基于該實驗平臺開展實驗，使得學(xué)生能更好地理解相關(guān)技術(shù)理論，增強學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生的現(xiàn)場實際體驗，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)在工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新型技術(shù)人才。

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Platform Design for Image Processing Experiments Based on Matlab Image Acquisition Toolbox

FU Zhizhong， ZHAO Yufei， ZHOU Ning， LI Xiaofeng， XU Jin

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731, China)

Based on Matlab image acquisition toolbox, an image data processing software and hardware platform is proposed in this paper. With the help of Matlab image processing and acquisition functions, real-time image can be captured from the image sensor and processed at once. Compared with the state-of-art image processing platform, the proposed experimental platform can provide more experimental projects and experimental experience, improve the effect of students' on-the-spot experiment, and make students focus on the innovative ideas and algorithm design in processing experiment projects.

image processing; image acquisition toolbox; experiment project; algorithm design; experimental platform design

2016-11-15

國家自然科學(xué)基金項目(61075013,61671126)

傅志中(1970-)，男，重慶人，博士，副教授，現(xiàn)主要從事信號檢測、圖像處理與實時實現(xiàn)技術(shù)研究及相關(guān)教學(xué)工作。

Tel.：18010625062； E-mail：fuzz@uestc.edu.cn

TP 334

A

1006-7167(2017)08-0100-04