數(shù)字背景下藝術圖像清晰度智能處理系統(tǒng)設計

田靜

（江漢大學文理學院， 湖北 武漢? 430345）

摘? 要： 為了更好地提升藝術設計系統(tǒng)對圖源數(shù)據(jù)的高清分析計算效果，通過數(shù)字技術對藝術設計系統(tǒng)進行重新設計。通過采用高清COMS數(shù)字硬件與XC7K160T?2FFG676I圖像處理IC及相關數(shù)字器件，完成對設計系統(tǒng)高清采集處理硬件的設計;并通過引入數(shù)字信號處理算法與B/S架構，完成對提出系統(tǒng)的軟件部分的設計描述;通過對圖像設計處理過程中不同清晰度分布下的像素點進行隨機選取，獲得不同清晰維度下的實驗樣本。將獲得樣本的輸出像素密度與當下的藝術設計系統(tǒng)輸出的像素點密度進行對比，可得到單位面積下有效像素的密度值。通過密度值大小證明數(shù)字背景下的藝術設計系統(tǒng)輸出圖像具有較高的清晰度。

關鍵詞： 圖像清晰度; 智能處理; 系統(tǒng)再設計; 像素密度; 有效像素; 仿真分析

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.41? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0138?04

Design of art image definition intelligent processing system in digital background

TIAN Jing

（Wuhan College of Arts and Sciences， Wuhan 430345， China）

Abstract： The art design system is redesigned by means of the digital technology to improve the HD （high definition） analysis and calculation effect of the art design system on graph source data. The design of HD acquisition and processing hardware of the design system is completed by means of over HD COMS digital hardware， XC7K160T?2FFG676I image processing IC and related digital devices. The design description of the software part of the proposed system is completed by introducing the digital signal processing algorithm and B/S architecture. The pixels with different definition distribution in the process of image design and processing are selected random to obtain the experimental samples with different clarity dimensionality. The obtained output pixel density of the sample is compared with that of the current art design system， and the density value of the effective pixel per unit area can be obtained. It is proved by the density value that the output image of the art design system under the digital background has a higher definition.

Keywords： image definition; intelligent processing; system redesign; pixel density; effective pixels; simulation analysis

0? 引? 言

藝術設計是一門針對圖形、圖像與美學間的設計學科，其涵蓋面甚廣，包括：素描、色彩、構成、圖案設計、表現(xiàn)圖技法、攝影基礎、藝術概論、現(xiàn)代廣告設計概論、POP廣告手繪技法、廣告圖形創(chuàng)意、平面廣告形象設計、插畫設計、世界優(yōu)秀平面廣告設計作品賞析、平面廣告設計原理、廣告設計藝術表現(xiàn)技法、世界包裝設計賞析、海報招貼設計、機構形象（VI）設計[1?2]、書籍裝幀設計、包裝結構與裝潢設計、平面設計軟件應用（Photoshop，Illustrator）、Indesign排版應用[3?4]、3ds MAX三維效果表現(xiàn)、印刷工藝等，藝術設計所涉及到的領域也較為廣泛，例如：廣告設計、印刷設計、書籍裝幀設計、海報招貼設計、產品包裝設計、企業(yè)形象設計（VI設計）、展示設計、數(shù)碼影像設計等。

隨著近年來網(wǎng)絡技術的發(fā)展，藝術設計主要依托軟件設計系統(tǒng)，通過藝術設計系統(tǒng)強大的圖像渲染與合成處理能力，極大地提升設計者對圖形的美學展現(xiàn)。圖像處理技術的發(fā)展，將圖像模擬信號處理帶入到數(shù)字處理時代，當下多數(shù)藝術設計系統(tǒng)在對圖像的處理時，受到模擬信號硬件與軟件的制約，無法進一步提升設計圖像的清晰度，一些能夠提升圖像清晰度的優(yōu)秀圖像濾波算法，需要數(shù)字化的運行平臺。基于此種情況，在數(shù)字化背景下，本文提出數(shù)字背景下的藝術設計系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。通過采用DSP，COMS等數(shù)字技術硬件[5?6]，結合Linux內核的B/S框架[7]，對藝術設計系統(tǒng)進行全新的設計。

1? 硬件單元設計與實現(xiàn)

1.1? 硬件層的結構設計

設計的系統(tǒng)中，為了最大程度地提升系統(tǒng)對圖像像素明暗值的感應，將CCD感光器件[8]更新為數(shù)字COMS感光器件。因此在結構設計上將系統(tǒng)硬件分為圖源信號采集層、信號存儲層、信號轉換層與信號處理層四部分。硬件結構框圖如圖1所示。

1.2? 各層硬件模塊設計

1） 圖源信號采集層：主要包含圖像數(shù)據(jù)源的采集器件，采集核心采用OV09281?H64A COMS數(shù)字傳感IC、USB 3.1模組、A/D采集端子;功能是用于對圖像數(shù)據(jù)源的采集、數(shù)據(jù)制式的識別、交互協(xié)議的支持。COMS數(shù)字傳感IC如圖2所示。

2） 信號存儲層：在信號存儲層中，設計采用UFS 3.0存儲器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DDR存儲器，直接將存儲速率提升至2.9 GB/s，同時為了保證圖像數(shù)字信號的穩(wěn)定，存儲層中采用三態(tài)輸出邏輯的SN74LV595APWR信號寄存器來完成信號到存儲器間的信號緩存。

3） 信號轉換層：主要用于數(shù)字圖像信號的編碼轉換處理，在層級中主要通過設置的ASX340

CS2C00SPED0圖像編碼器，來完成對圖像信號的數(shù)字化轉碼處理。編碼器數(shù)字轉換原理結構如圖3所示。

4） 信號處理層：在系統(tǒng)硬件的設計中，信號處理層為重要的核心層。此層主要負責圖像信息數(shù)據(jù)流的數(shù)字化分析與處理，設計采用XC7K160T?2FFG676I圖像處理IC作為圖像數(shù)字處理的中央處理器，通過硬件核心對圖像濾波器的集成，可快速完成對圖像數(shù)字像素點分布排列矩陣中噪點的濾除，提升有效像素排列密度。

2? 軟件層的設計與實現(xiàn)

2.1? 軟件開發(fā)平臺設計

在系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境選取設計中，考慮到開發(fā)語言與編程方式對應程序的不同，決定采用雙開發(fā)環(huán)境，即同時采用Java與Python兩種開發(fā)語言對設計系統(tǒng)進行編程。通過兩種不同開發(fā)環(huán)境中的結構標準，可以更好地對開發(fā)過程中MVC模式[9]進行支持，同時雙開發(fā)環(huán)境中集成Struct框架對設計系統(tǒng)內部的B/S框架能夠起到輔助整體布局的作用。

通過上述的框架設定，可得到設計系統(tǒng)的總體結構架構框圖，如圖4所示。

由圖4所反應出的設計總體架構框圖分析，可得到一組MapInfo設計開發(fā)下精度相對較高的串口、并口、USB端口的參量設計模型。在設計系統(tǒng)存儲功能開發(fā)上，雙開發(fā)環(huán)境采用的存儲方式區(qū)別于常規(guī)的存儲方式，采用基于Bigtable的存儲方式[10]，將存儲的結構方式改為分布式結構，可大幅度提升圖像源數(shù)據(jù)的讀寫存儲速度，同時將圖源數(shù)據(jù)的格式支持類型擴充到全格式支持。

2.2? 架構CPU運行研究

基于上述開發(fā)環(huán)境的設定，結合數(shù)字背景條件，在軟件開發(fā)框架的設計中選用MapInfo軟件作為設計系統(tǒng)軟件的框架開發(fā)程序，從而將設計系統(tǒng)的框架確定為B/S框架。在框架的通信建立過程中，B/S框架內部集成的UDP協(xié)議會自動釋放一組協(xié)議，同Internet中驗證端完成鏈接，搭建起完整的FTP，同時會自動設定隨機SOCKAFFRT_IN文件為變量數(shù)據(jù)，通過變量數(shù)據(jù)的設定，系統(tǒng)對圖像源的處理控制參量即被鎖定?？紤]到系統(tǒng)針對圖像源設計主要在于圖像的圖像域、圖形的分析生成、圖像的渲染輸出三個層面，因此架構設計在三維信息數(shù)據(jù)感知服務上，對服務進行三維重組，提升三維感知參量。

通過MapInfo內三維開發(fā)設計程序，可將參量還原成一個高精度的3D模型，在還原過程中，架構CPU運行計算流程如圖5所示。

2.3? 軟件模塊設計

在數(shù)字背景下開發(fā)的框架完成后，對系統(tǒng)內部的功能模塊進行開發(fā)設計。考慮到藝術設計系統(tǒng)對圖形數(shù)據(jù)處理過程，主要是對圖形圖像數(shù)據(jù)的多層級別的渲染與3D形態(tài)的構建輸出。在此過程中，通過圖像圖形的融合工具對數(shù)據(jù)源進行對應代碼的調用，通過調用融合加載代碼，啟動數(shù)據(jù)融合程序，完成圖像相關處理算法的加載。系統(tǒng)中選取MT29F1G08ABAEAWP：E作為設計系統(tǒng)的功能FLASH存儲器，交互數(shù)據(jù)信號與分析選取信號采用DSP主控作為控制總線。設計系統(tǒng)中涉及到的軟件功能模塊包括：程序調用模塊、交互存儲模塊、通信控制模塊和控制交互模塊。各個模塊的詳細設計描述如下：

1） 程序調用模塊：主要用于圖形圖像數(shù)據(jù)處理算法與相關指令代碼控制程序的調用。系統(tǒng)中的圖像渲染組件由MVC來完成模型的構建處理，系統(tǒng)中的調用系統(tǒng)采用標準的MySQL系統(tǒng)。設計系統(tǒng)中的調用啟動文件BootLoader的管理權限，由圖形管理服務層文件ManagementModule，根據(jù)Application程序所反饋的用戶使用量決定。

2） 交互存儲模塊：交互存儲具有實現(xiàn)系統(tǒng)內數(shù)據(jù)緩存與數(shù)據(jù)讀寫功能，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)與遠端服務器數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。在圖像數(shù)據(jù)的交互轉換層面上，系統(tǒng)采用GridDEM作為圖像數(shù)據(jù)的數(shù)模轉換功能模塊，同時在交互區(qū)創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)庫，通過Creator內部設置的Terrain選項功能，完成對設計系統(tǒng)的FLASH設計構建。在圖像的渲染過程中，對顏色參量、材質屬性、紋理等數(shù)據(jù)的適應量獲取上，設計采用批處理的方式來完成，批處理模塊選用執(zhí)行度與穩(wěn)定性均衡的Batch模塊。通過批處理的交互執(zhí)行方式，完成藝術設計系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)的APP，CULL與DRAW的設計。

3） 通信控制模塊：主要負責設計系統(tǒng)的控制總線數(shù)據(jù)信號的傳輸，可以說通信控制模塊是整個系統(tǒng)設計的核心模塊。為了保證總線控制信號的穩(wěn)定，借鑒開發(fā)環(huán)境的雙模式設計，在通信控制模塊設計中采用以OpenFlight為基礎、VIX總線傳輸技術為輔助的設計模式。通過總線模塊的Sink節(jié)點對代碼執(zhí)行過程中的全局記錄、數(shù)據(jù)庫頭層輔助記錄與數(shù)據(jù)庫歷史記錄進行控制，在數(shù)據(jù)庫ObjectLevel層[11]結構內完成對圖像的二維轉換。通過MultiGen模塊對圖形層次進行結構視圖轉換，以此為基礎，由GeometryTools工具模塊將圖形二維面轉換為三維圖體，從而實現(xiàn)圖形的三維重建。具體實現(xiàn)過程如圖6所示。

4） 控制交互模塊：主要功能在于設計數(shù)據(jù)指令的可視化圖形輸出與人為指令的數(shù)據(jù)化轉換及識別。該模塊設計采用嵌入式的方式，將Linux交互識別內核植入設計系統(tǒng)的底層架構，通過在底層創(chuàng)建filesystem執(zhí)行目錄，將/lib中及子目錄下的設備數(shù)據(jù)進行直接關聯(lián)綁定，建立控制交互模塊的USGGD數(shù)據(jù)庫文件。

2.4? 高清輸出算法的引入

在設計系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)設計中，考慮到圖像源信號的數(shù)字化處理需要引入不同的算法來完成數(shù)據(jù)的計算，其中信號的數(shù)字濾波器的函數(shù)設計，需要滿足圖像波紋的凈化特征，又要同時滿足被模塊代碼實時調用。結合上述特點，在數(shù)字背景下，將數(shù)字濾波器函數(shù)設定為Butterworth型[12]，在函數(shù)設定中，圖像的濾波器分為常規(guī)濾波器與橢圓濾波器兩種，二者間的差別在于常規(guī)濾波器的通帶波紋為內等波紋，阻帶具有單調性。而橢圓濾波器的通帶與阻帶波紋都為內等波紋，根據(jù)以往的數(shù)據(jù)可知，橢圓濾波器的階數(shù)值小于常規(guī)濾波器，優(yōu)勢性更強。由設計函數(shù)可得到：

[I，Ei=elipordEq，Ed，Tq，Td]? ? ? （1）

[m，s=ellipi，Tq，Td，Ei] （2）

[m，s=ellipi，Tq，Td，Ei，ftype] （3）

式中：[Ei]代表濾波歸一系數(shù);[m，s=ellipi，Tq，Td，Ei]為設定的終止系數(shù)為[Ei]的i階低通量的橢圓數(shù)字濾波器。完成濾波器設定后，對設定的濾波器進行算法輸入，濾波算法如下：

[u=filterm，s，c]? （4）

式中：u代表濾波輸出值的邏輯排列;c代表載入信號的排列;m，s分別代表濾波器濾波函數(shù)中的分子與分母的向量值。

由此可得到濾波過程中的差分方程表達式為：

[s1?Ui=m1*ci+m2?ci-1+…+? ? ? ? ? ?mim+1?ci-im-s2?ui-1+…+? ? ? ? ? sis+1?ui-is]? （5）

在對之前的模擬頻率進行濾波時，首先需要對其機械能數(shù)字化轉換，通過仿真將轉換得到的數(shù)字頻率進行橢圓濾波器階數(shù)匹配，確定濾波階數(shù)后便可通過正弦波模擬的方式來獲得濾波信號的載入頻率與接收頻率，從而實現(xiàn)濾波的智能分量控制。

3? 仿真實驗結果與分析

將一組圖像導入設計的藝術設計系統(tǒng)，在系統(tǒng)中對圖像分別進行圖像二維甄別、圖像噪點濾波與圖像三維重組3項操作，操作界面如圖7所示。

與圖像三維重組操作界面

經過導入處理后得到圖8所示的3組圖像，以及表1所示的輸出圖像技術參數(shù)。

將表1中的數(shù)據(jù)通過仿真方式綜合為一點，并將綜合點映射到三維坐標中，同時將設計前的藝術設計系統(tǒng)的對應參量以點的形式引入到三維坐標中，坐標映射圖如圖9所示。

通過對圖9中的綜合點位置的觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，設計系統(tǒng)的綜合點所處位置區(qū)域處于圖像高清標準范圍內，而設計前系統(tǒng)的綜合點所處位置處于圖像多噪點峰值范圍。就此點來說，設計的藝術設計系統(tǒng)輸出的圖像清晰度較高于設計前的藝術設計系統(tǒng)輸出圖像。

4 結? 語

數(shù)字化硬件與數(shù)字化軟件相結合是提升藝術設計系統(tǒng)輸出圖像清晰度的關鍵。結合當下藝術設計系統(tǒng)軟硬件的不足，通過數(shù)字技術對藝術設計系統(tǒng)進行軟硬件的重組設計，通過對數(shù)據(jù)綜合點的分析，通過圖像的變量操作，對設計系統(tǒng)輸出圖像的清晰度提升效果進行了證實。

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