基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的安檢機違禁品智能識別系統(tǒng)的研究與應用

鄭丁丁 詹毅

摘 要：安檢機是安檢工作中的關鍵設備，傳統(tǒng)方式是人工看圖識別，安檢員崗前培訓長，作業(yè)疲勞時易產(chǎn)生誤檢和漏檢。嵌入式系統(tǒng)憑借其成本低、功耗低、集成度高、自動化程度高等優(yōu)點在諸多領域迅速發(fā)展。本文從硬件和軟件兩方面對嵌入式圖像處理系統(tǒng)進行了設計開發(fā)，并將其應用至安檢機違禁品智能識別系統(tǒng)中。通過實測可知，安檢機違禁品智能識別系統(tǒng)可快速、高效地識別出各類違禁品，可大大提高安檢的工作效率，實現(xiàn)減員增效的目標。

關鍵詞： 嵌入式圖像;安檢機;違禁品智能識別;系統(tǒng)開發(fā)

文章編號： 2095-2163（2019）03-0106-04 中圖分類號： TP391.41 文獻標志碼： A

0 引 言

近些年，公共場所的安全問題已成為關系社會民生的重要事件，安全檢查工作可以有效減少安全事故的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的安檢機人工成本高、實時性不強，且對安檢員依賴大，常出現(xiàn)漏檢和錯檢的現(xiàn)象[2-4]。嵌入式系統(tǒng)是近些年發(fā)展起來的圖像處理系統(tǒng)，憑借其成本低、功耗低、集成度高、自動化程度高等優(yōu)點[5-6]在醫(yī)療器械、工業(yè)控制、網(wǎng)絡通訊等領域迅速發(fā)展 [7-8]。本文從軟硬件兩方面對嵌入式系統(tǒng)進行了設計研究，并將其應用至安檢機違禁品智能識別系統(tǒng)中。

1 硬件系統(tǒng)的構建

1.1 電源設計

本嵌入式系統(tǒng)包含一個為處理器內核供電的1.6 V電源和一個為核心板供電的3.2 V電源。本次電源設計中使用非隔離Buck降壓變換器。其設計原理如圖1所示。由圖1可知，D為二極管，L為電感，C為電容，RL為負載。當開關S閉合時，整個電路連通，電源將通過電感L為電容器C充電，同時電流經(jīng)過負載。當S打開時，無電流通過電感L，但電路閉合式電容C中的電量可以使負載L通電。

輸出的電流[9]如式（1）所示：

由式（1）可知，輸出的電壓與濾波電感L、負載電流Io、開關導通時間TON和輸入電壓Vi等因素均有關系。

本文設計的系統(tǒng)輸入電壓可保證恒定，但負載的變化會引起電流和電壓的變化，本文通過調整占空比來解決此問題，從而使得電流恒定。

1.2 晶體振蕩電路設計

本文選用的系統(tǒng)時鐘為內部鎖相環(huán)和外接無源晶振兩者結合的方法。系統(tǒng)外接8.512 MHz的無源晶振，并可通過軟件將其最高時頻率調整至175 MHz。當系統(tǒng)在連接電源工作后，其工作頻率低于175 MHz。此外，由于處理器AT91RM9200中包含實時時鐘模塊，因此在設計時還需連接一個無源晶振，其頻率為34.571 KHz。當該系統(tǒng)在某些時間段不需要實時信息時，可以設置定時器，設置成其他低于32 KHz的頻率。

1.3 復位電路設計

復位電路的作用主要為電源電壓監(jiān)控、上電復位和用戶按鍵復位等[10]。本文的復位電路采用RC電路構成，其中采用的元器件為IMP811，該元器件可進行手動鍵入輸入復位功能，還可通過低功耗微處理器、數(shù)字系統(tǒng)和微控制器等進行電源的監(jiān)視工作，運行工作范圍為-35 ℃～110 ℃。本文復位電路的基本構造如圖2所示。

1.4 FLASH存儲器接口設計

FLASH存儲器是一種目前較為常用的信息存儲器，并具有電擦寫、斷電后仍可保存信息的功能[11]，且有讀寫速度快、存儲容量大，耗電低等優(yōu)點[12]。此外，F(xiàn)LASH存儲器支持在整片或者分扇進行編程，也可以通過其內部嵌入算法展開操作。時下，工程中通用的編程電壓為3.3 V，數(shù)據(jù)寬度為16位和8位兩種。在進行本文嵌入式圖像處理系統(tǒng)構建時，采用2種FLASH存儲器。一種為16位并行的ATMEL，其存儲容量為2.0 M;另一種為串行的DATAFLASH，其存儲容量為8.0 M。而在存儲容量為2.0 M的FLASH存儲器中，配置了16位和8位兩種工作方式，其數(shù)據(jù)寬度為16位，標準電壓為2.8～3.2?? V，工作電壓為2.68～3.56 V，封裝形式為48腳TSOP。在常見系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH存儲器可在3.0 V的電壓下實現(xiàn)擦除和編程功能，工程師可以進行整點擦拭、編程及輸入命令序列等操作。

本系統(tǒng)的FLASH存儲子系統(tǒng)的作用就是存儲程序代碼，并當系統(tǒng)收到執(zhí)行指令后開始工作。所以本系統(tǒng)需將帶有程序代碼的FLASH存儲子系統(tǒng)在短時間內匹配至ROM模塊。本系統(tǒng)FLASH存儲設計原理如圖3所示。

2 軟件系統(tǒng)的設計

2.1 圖像編碼模塊設計

（1）離散余弦變換（Discrete Cosine Transformation， DCT）。離散余弦是一種基于實數(shù)的正交變換[13]。這里，研究給出了一維離散余弦的數(shù)學運算公式為：

離散余弦變換是一種常見的壓縮算法，該算法是一種技術非常成熟的圖像有損壓縮。DCT通過函數(shù)的形式對圖像進行表達，以褶翻作為圖像邊界，并利用傅立葉變換來對圖像進行加工。在實際運用中，由于圖像各個部位的屬性不同，其表達形式存在一定的差異，因此在處理圖像時往往根據(jù)圖像的不同屬性，分別啟用不同的技術方法。在進行圖像編碼時，用該系統(tǒng)基于對DCT系數(shù)的量化，通過解碼特定范圍內的余弦運算，從而完成每個圖像的反轉。綜合上述處理步驟后，系統(tǒng)會自動將此數(shù)據(jù)進行甄別解析，再統(tǒng)一生成新的圖像。該系統(tǒng)在安檢機違禁品智能識別應用時，由于安檢機智能識別圖像的DCT較小，一般均小于0.1，因此對圖像的質量損失較小，可以保證圖像的高清性。

（2）DCT圖像壓縮編碼的實現(xiàn)。編碼過程主要分為輸入圖片、劃分像素塊、輸入量化表、掃描量化系數(shù)、選擇任意突變進行壓縮比變化和DCT逆變換等步驟。對此過程可描述為：首先利用安檢機的攝像系統(tǒng)進行圖像采集，然后將圖像轉換為數(shù)字信號，數(shù)字信號傳輸至系統(tǒng)的芯片，芯片會對數(shù)據(jù)進行圖像處理。在得到成為固定的像素模塊后，再對圖像中的每個像素輔以DCT變換，接下來就是對此數(shù)據(jù)的判別分析，最后獲得壓縮后的圖像數(shù)據(jù)。

2.2 畸變校正模塊的設計

由于目前安檢機的圖像一般均來自于X射線，X射線得到的多為直線的成像結果，此外X射線得到的圖像質量也并不高，通常還會存在失真或者不清晰等現(xiàn)象，使得安檢員難以做出正確論斷。因此對圖像的畸變進行校正就顯得十分必要。本文采用的畸變校正算法為最小二乘法[14]。具體運算過程為：研究畸變的圖像模型，對畸變系數(shù)進行計算。在此基礎上進行畸變校正，從而確定各個標點的灰度值。安檢機的標靶與鏡頭之間約為52 cm，線條間距約為1.2 cm。通過對安檢機得到的原始圖像詳加分析后可知，系統(tǒng)獲得的圖像質量不高，特征也不明顯。所以需要對原始圖像進行處理，從而提取圖片中的關鍵信息，圖像的處理一般包括濾除噪聲干擾、控制圖像的灰度值等環(huán)節(jié)。由徑向畸變數(shù)學模型[15]推知，校正后的圖像坐標和原始的圖像坐標之間的關系是非線性的。其計算方程組為：

其中，k1、k2為徑向畸變系數(shù)，可通過最小二乘法計算得到。由此可知方程組的各個坐標，再根據(jù)安檢機的鏡頭參數(shù)進行像素的標定，計算出各個像素的校正參數(shù)和畸變參數(shù)，而后將統(tǒng)一羅列校正系數(shù)，以便系統(tǒng)的快速校正圖像。本次研究中得到的圖像校正結果如圖4所示。

3 嵌入式圖像處理系統(tǒng)在安檢機中的應用

將道具、毒品、電池等違禁品輸入至圖像智能處理系統(tǒng)中，在X射線的投射和檢測下可以清晰看到違禁品。如果行李中沒有違禁品，則報警界面不會顯示警告信息，行李會安全通過安檢機。如圖5所示，如果行李中含有違禁品，則裝有嵌入式圖像處理系統(tǒng)的安檢機將會智能識別出違禁品，并將可疑的物品進行圖像和聲音報警，提示安檢員進行進一步處理。

4 結束語

本文首先對嵌入式圖像處理系統(tǒng)從電源、晶體震蕩電路、復位電路設計及FLASH存儲器接口等方面提供了硬件上的具體設計方案。在此基礎上，還對嵌入式圖像處理系統(tǒng)的軟件進行了研究，而且又基于離散余弦變換實現(xiàn)了DCT圖像的壓縮編碼，然后利用最小二乘法成功研發(fā)了畸變校正模塊。最后將該系統(tǒng)運用至安檢機違禁品智能識別系統(tǒng)中，通過實測可知，該系統(tǒng)可快速、高效地識別出違禁品。

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