基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜 娟

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安陽 455000）

0 引言

在視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，圖像中物體的規(guī)律能側(cè)面反映出圖像的本質(zhì)特征，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)提取技術(shù)可提取出該圖像的本質(zhì)特征，以達(dá)到視覺傳達(dá)的目的，當(dāng)系統(tǒng)在傳輸比較復(fù)雜的多維圖像時(shí)，需要引入CAD輔助技術(shù)，利用該技術(shù)可簡化和繪制多維圖像，以表現(xiàn)出圖像的結(jié)構(gòu)信息[1]。

CAD輔助技術(shù)下視覺傳達(dá)具有立體化、動(dòng)態(tài)化的特效，改變了圖像傳統(tǒng)的平面化、靜態(tài)化特點(diǎn)，并將圖像產(chǎn)品轉(zhuǎn)化到了虛擬信息形象，擴(kuò)展了傳統(tǒng)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的外延，使視覺傳達(dá)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

傳統(tǒng)的視覺傳達(dá)數(shù)字系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)化和多維化，且傳達(dá)的效果較差，只能設(shè)計(jì)單個(gè)元素，很難實(shí)現(xiàn)多元素的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行自動(dòng)化視覺傳達(dá)時(shí)，缺乏視覺秩序關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)傳達(dá)視覺信息的效率較低，精準(zhǔn)性較差[2]。

為了解決傳統(tǒng)視覺傳達(dá)數(shù)字系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，本文設(shè)計(jì)了基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)，采用CAD輔助技術(shù)，凸顯圖像的結(jié)構(gòu)信息，使視覺傳達(dá)具有較好的立體化和動(dòng)態(tài)化特效，設(shè)計(jì)硬軟件環(huán)境，通過系統(tǒng)的硬件，完成對圖像的采集、處理、傳輸、存儲和控制，搭建軟件開發(fā)環(huán)境，提升視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)的性能，最后通過對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)的有效性，確定系統(tǒng)的可行性。

1 基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)硬件由圖像采集處理模塊、圖像傳輸模塊、圖像存儲模塊和圖像控制模塊四部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 圖像采集處理模塊

系統(tǒng)的圖像采集處理模塊包括攝像頭、微處理器、傳感器，攝像頭的像素較高，可將圖像拍攝的非常清晰，里面配置的放大器和A/D轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出[3]。圖像采集處理模塊示意圖如圖2所示。

圖2 圖像采集處理模塊示意圖

觀察圖2 可知，傳感器采用三星公司生產(chǎn)的OV7670，該傳感器可支持連續(xù)掃描方式，圖像格式為QVGA，像素最高為800×600，完全符合本文系統(tǒng)采集圖像的要求，傳感器的編程模式為CCB，可進(jìn)行隔行掃描，采集出來的圖像像素約40萬，通過圖像采集模塊中的攝像頭和傳感器，完成圖像的采集。微處理器是圖像采集處理模塊中的核心部件，微處理器選用三星公司生產(chǎn)的S3C2440A，該款微處理器功耗較低，屬于工業(yè)級，具有較好的集成能力，工作頻率為450MHz，在處理圖像時(shí)，最高可達(dá)到550MHz，處理圖像的速度較快，具有32K的指令Cache，在微處理器的外部，設(shè)有26路外部中斷源，以及12個(gè)通用的I/O端口，通過引入MMU，實(shí)現(xiàn)對圖像的高效處理。通過圖像采集處理模塊，完成圖像的采集與處理操作。

圖像采集器電路圖如圖3所示。

圖3 圖像采集器電路圖

1.2 圖像傳輸模塊

在本文系統(tǒng)的圖像傳輸模塊中，選擇紅外傳感器作為圖像傳輸?shù)脑O(shè)備，該款紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于可以保持圖像的動(dòng)態(tài)化和多維化，自動(dòng)輻射紅外線，通過快速輻射紅外線，提升圖像信息的傳達(dá)效果，基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)，目的在于提升圖像的傳達(dá)效果和效率，采用紅外線傳感器作為傳輸設(shè)備，能夠降低系統(tǒng)的傳達(dá)耗時(shí)。圖像傳輸模塊示意圖如圖4所示。

圖4 圖像傳輸模塊示意圖

采用紅外線傳感器傳輸圖像信息時(shí)，首先由圖像采集處理模塊對圖像進(jìn)行采集和處理，傳感器接收到系統(tǒng)下發(fā)的指令后，打開探頭，向采集、處理完的圖像信息釋放紅外輻射，當(dāng)紅外輻射射程達(dá)到額定射程時(shí)，紅外傳感器觸發(fā)攝像頭，使攝像頭采集成像，以此完成對圖像信息的傳輸。傳輸器電路圖如圖5所示。

圖5 傳輸器電路圖

1.3 圖像存儲模塊

本文系統(tǒng)的圖像存儲模塊以FIFO存儲器為主要的存儲設(shè)備，該存儲器是一個(gè)先入先出的雙口緩沖器，F(xiàn)IFO存儲器的芯片集成能力較強(qiáng)，功能復(fù)雜，具有豐富的數(shù)據(jù)資源，體積較小，存儲方便。其內(nèi)存空間為6Mbit，可支持FPGA，在FIFO存儲器的內(nèi)部設(shè)有指針控制電路，可為I/O端口和USB接口提供總線讀取存儲器，讀取端口的工作頻率最高可達(dá)100MHz。在指針控制電路中，可傳輸兩路指針信號并隨著兩路串行圖像數(shù)據(jù)連接到USB接口上，圖像數(shù)據(jù)在FIFO存儲器中集成，在FPGA上緩存，通過FPGA編碼控制圖像數(shù)據(jù)的讀/寫操作，讀出緩存在FPGA上的圖像數(shù)據(jù)，通過I/O轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換傳輸過來的指針信號，并將圖像數(shù)據(jù)存儲在FIFO存儲器內(nèi)。通過圖像存儲模塊，完成圖像數(shù)據(jù)的存儲，圖像存儲模塊圖如圖6所示。

圖6 圖像存儲模塊

1.4 圖像控制模塊

圖像存儲模塊完成圖像的存儲后，由圖像控制模塊對存儲完成的圖像進(jìn)行控制，圖像控制模塊的核心器件為VGA圖像控制器，該款圖像控制器的視頻高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片具有較強(qiáng)的控制能力和轉(zhuǎn)換能力，VGA圖像控制器上具有豐富的數(shù)據(jù)接口，由這些接口輸入圖像數(shù)據(jù)，輸入完成后再將圖像數(shù)據(jù)寫入到轉(zhuǎn)換芯片當(dāng)中，VGA圖像控制器就可將轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像[4]。圖像控制模塊接口如圖7所示。

圖7 圖像控制模塊接口

除了轉(zhuǎn)換芯片外，圖像控制模塊內(nèi)還含有刷新模塊、生成模塊，刷新模塊主要可將一頁頁的圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行更新和刷新，提升圖像的傳達(dá)效果，生成模塊主要通過刷新、更新完的圖像數(shù)據(jù)生成傳達(dá)信號，以協(xié)助VGA圖像控制器控制圖像的傳達(dá)和傳輸。

2 基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫，可利用計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備對圖像進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)較強(qiáng)的圖文處理能力，輔助工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)產(chǎn)品或者工程繪圖。在本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)中，采用了CAD輔助技術(shù)，可以提升視覺傳達(dá)的自動(dòng)化程度，縮短傳達(dá)周期，提升傳達(dá)效率[5,6]。

本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)的軟件流程如圖8所示。

圖8 基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)軟件流程

第一步：對圖像數(shù)據(jù)信息庫進(jìn)行管理。圖像數(shù)據(jù)信息庫中包含圖像數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)信息傳達(dá)、圖像數(shù)據(jù)信息接收，圖像數(shù)據(jù)采集可通過硬件中的圖像采集處理模塊來實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要將圖像數(shù)據(jù)種類進(jìn)行分類，以提升采集的效率，縮短采集周期。圖像信息傳達(dá)通過圖像傳輸設(shè)備將圖像信息傳輸?shù)綌?shù)字系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)信息接收主要負(fù)責(zé)將采集、傳輸完的圖像信息緩存下來，以便采用CAD輔助技術(shù)對圖像信息進(jìn)行平面和三維設(shè)計(jì)。

第二步：顯示三維立體圖像。對圖像數(shù)據(jù)信息庫實(shí)現(xiàn)管理后，對處理完的圖像信息采用CAD輔助技術(shù)進(jìn)行平面和三維設(shè)計(jì)，在進(jìn)行平面設(shè)計(jì)時(shí)，將全景照相機(jī)中的圖像進(jìn)行簡單拼接，再將實(shí)拍圖像進(jìn)行多幅拼接，拼接完成后再與CAD設(shè)計(jì)完的平面圖像進(jìn)行融合，形成平面全景圖并將其輸出。平面圖形成后再采用CAD輔助技術(shù)將其進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，使其形成三維、動(dòng)態(tài)化的圖像，需要將圖像數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)映射到三維空間內(nèi)，然后采用雙目視差立體顯示與真三維立體顯示技術(shù)對原始的三維立體圖像進(jìn)行處理，在采用雙目視差立體顯示技術(shù)時(shí)，人的雙眼看見同一圖像時(shí)，兩只眼睛前面呈現(xiàn)的是不一樣的圖像，因此分別顯示兩只眼睛看到的圖像，在某一時(shí)刻下先將對應(yīng)的左眼視圖傳輸?shù)降谝慌_攝像頭上，對應(yīng)的右眼視圖傳輸?shù)降诙_攝像頭上，然后采用真三維立體顯示技術(shù)將兩張圖像做深度分析和處理，與處理過的圖像進(jìn)行結(jié)合，最終將三維立體圖像顯示出來。

第三步：優(yōu)化三維立體圖像。由于視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)對視覺傳達(dá)效率要求較高，因此采用圖像增強(qiáng)技術(shù)對三維立體圖像進(jìn)行優(yōu)化，使顯示的三維立體圖像的質(zhì)量更好，從而提升視覺傳達(dá)的效果。按照優(yōu)化空間的不同，圖像增強(qiáng)技術(shù)含有兩種圖像優(yōu)化方法，分別是基于空域和基于頻域方法，頻域法是對三維立體圖像上的每個(gè)虛擬像素點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容包括圖像平滑和直方圖修正，空域法指的是通過灰度變換方法將三維立體圖像轉(zhuǎn)換到另一個(gè)空間域內(nèi)，然后通過傅里葉變換方法對存放在另一空間域內(nèi)的三維立體圖像進(jìn)行優(yōu)化，為了提升三維立體圖像的質(zhì)量和視覺傳達(dá)的效果，采用空預(yù)法與頻域法相結(jié)合的方式對三維立體圖像進(jìn)行深度優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)的有效性，通過與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性。傳統(tǒng)系統(tǒng)沒有采用CAD輔助技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)圖像的多維化和動(dòng)態(tài)化，視覺傳達(dá)效果較差，為了對比本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的視覺傳達(dá)效果，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有突出性和代表性，采用了數(shù)值對比的方式進(jìn)行對比，實(shí)際視覺傳達(dá)結(jié)果和兩種系統(tǒng)的視覺傳達(dá)結(jié)果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)傳達(dá)結(jié)果圖

由圖9可知，本文系統(tǒng)的視覺傳達(dá)效果與實(shí)際傳達(dá)效果基本相同，只出現(xiàn)兩處傳達(dá)不一致的情況，傳達(dá)準(zhǔn)確率較高，失誤率較小，而傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的視覺傳達(dá)效果與實(shí)際傳達(dá)效果相差較大，出現(xiàn)了5處錯(cuò)報(bào)情況，2處漏報(bào)情況，視覺傳達(dá)效果較差，傳達(dá)準(zhǔn)確率較低，誤判率較大。

除此之外，傳統(tǒng)視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)只能設(shè)計(jì)單個(gè)元素，很難對多元素進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在進(jìn)行自動(dòng)化視覺傳達(dá)時(shí)，缺乏視覺秩序關(guān)系，這些導(dǎo)致了傳統(tǒng)系統(tǒng)傳達(dá)視覺信息的效率較低。而本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)，采用CAD輔助技術(shù)對圖像進(jìn)行深度設(shè)計(jì)，形成三維立體圖像，采用雙目視差立體顯示技術(shù)對三維立體圖像進(jìn)行處理，通過真三維立體顯示技術(shù)對圖像進(jìn)行深度分析，使用圖像增強(qiáng)技術(shù)對顯示的三維立體圖像進(jìn)行優(yōu)化，并運(yùn)用傅里葉變換方法和灰度變換方法提升三維立體圖像的質(zhì)量以及視覺傳達(dá)的效果，進(jìn)而提升了系統(tǒng)傳達(dá)視覺信息的效率，為了對比傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)傳達(dá)視覺信息的效率，通過對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)，傳達(dá)視覺信息的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)，視覺信息傳達(dá)的效率提升15.4%，視覺信息傳達(dá)的準(zhǔn)確率提升了12.1%。本文提出的自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速實(shí)現(xiàn)識別，篩選出來有效的數(shù)據(jù)，并將篩選出來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行對比，最后由顯示器顯示傳輸結(jié)果。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于CAD輔助技術(shù)的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，視覺傳達(dá)效果更好，準(zhǔn)確率更高，沒有出現(xiàn)漏報(bào)情況，并且傳達(dá)視覺信息的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，系統(tǒng)性能更好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文基于CAD輔助技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的視覺傳達(dá)自動(dòng)化數(shù)字系統(tǒng)，通過CAD輔助技術(shù)設(shè)定信息，實(shí)現(xiàn)圖像分析，更好地處理圖像特征點(diǎn)，完成自動(dòng)化處理。本文提出的系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，處理效率更高，傳達(dá)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合度更高，更適合于實(shí)際應(yīng)用中。