基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

許春和，孫培剛，張全禹，羅永輝

（綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

數(shù)字圖像處理是把圖像信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，借助計算機完成相應(yīng)的處理。早期，圖像處理主要是提升圖像質(zhì)量，改善視覺效果，一般使用增強、壓縮等多種方法。伴隨著科技的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得較好的發(fā)展，并且備受重視。現(xiàn)階段，數(shù)字圖像處理技術(shù)在多個行業(yè)得以應(yīng)用，尤其是在大數(shù)據(jù)以及人工智能的飛速發(fā)展中，難免會關(guān)聯(lián)到圖像領(lǐng)域的專業(yè)知識，依托機器視覺技術(shù)，合理進行數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，在提升數(shù)字圖像處理效率的同時，還能夠提升圖像處理質(zhì)量。

1 機器視覺技術(shù)的概述

機器視覺技術(shù)是一門交叉學(xué)科，涉及多個領(lǐng)域，如人工智能、圖像處理以及計算機科學(xué)等，機器視覺是借助計算機，模擬人的視覺功能，從圖像中提取信息進行處理，并應(yīng)用于檢測、測量中。該技術(shù)具有極大的優(yōu)勢，不僅具有龐大的信息量和功能，還具有極快的速度。例如，在禽蛋品質(zhì)的檢測中，該技術(shù)的應(yīng)用效果遠超于人工檢測，蛋品的主要特征是形狀、大小，基于機器視覺技術(shù)，既能夠避免人為因素產(chǎn)生的影響，又可以定量描述各項指標，盡可能降低檢測誤差。當前，機器視覺技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，該技術(shù)能夠在短時間內(nèi)獲得大量信息，并自動完成處理，在一些高危作業(yè)場景中，或者是人工視覺無法滿足實際需求時，便借助機器視覺技術(shù)，以提升檢測質(zhì)量和效率。機器視覺涉及了模式識別、圖像處理等，專注于集合機械，主要是為了檢測存在的缺陷問題，提升機械操作效率，確保產(chǎn)品的安全。

2 基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計原則

2.1 面向用戶

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要面向廣大數(shù)碼用戶，用戶作為使用者、評價者，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)堅持結(jié)合用戶需求，從用戶角度出發(fā)，為了確保功能更加完善，在設(shè)計前期需要深入了解用戶的實際需求，并依據(jù)機器視覺以及數(shù)字圖像處理的特點，經(jīng)過共同協(xié)商，改善工作效率和質(zhì)量，達到較好的效果。

2.2 按階段進行

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計是一項較為復(fù)雜的過程，整個設(shè)計過程劃分為多個環(huán)節(jié)，而每一個環(huán)節(jié)又分為多個步驟，每一個步驟都需要制定明確的目標，只有在有序安排下，才能夠合理安排計劃，并為之后的設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)，促進工作效率和質(zhì)量的提升。

2.3 采用快速原型法

基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計，比較重要的一個方法是快速原型法，主要是依據(jù)用戶的實際需求，確定系統(tǒng)的功能與要求，快速構(gòu)建一個信息系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，用戶可以提出相應(yīng)的整改意見，設(shè)計人員不斷進行完善，直至達到用戶滿意，從而形成相對穩(wěn)定的系統(tǒng)，這一方法的優(yōu)勢是圍繞一個模型展開所有的問題，便于與用戶實際需求相結(jié)合，將原型和用戶聯(lián)系在一起對設(shè)計人員起到啟發(fā)作用，在不斷完善中獲得較為理想的系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較高的開發(fā)效率、可擴展性，該方法極具靈活性，設(shè)計周期比較短，修改較為便捷，主要是在原型基礎(chǔ)上，加以完善，擴展性較強。

2.4 采用系統(tǒng)觀點處理

對于系統(tǒng)的分析，在原有基礎(chǔ)上，構(gòu)建最佳邏輯模型，用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)的輪廓有大致了解，設(shè)計人員可以與用戶進行探討，不斷完善系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，有效進行系統(tǒng)設(shè)計，完成模型的功能，邏輯設(shè)計以及物理實現(xiàn)，這兩者之間有著密切的關(guān)系，能夠確保系統(tǒng)更加合理。系統(tǒng)設(shè)計是基于計算機視角，對整個系統(tǒng)進行校審，將系統(tǒng)劃分為不同模塊，實現(xiàn)特定功能，各模塊具有獨立性，在系統(tǒng)設(shè)計、維護等方面較為便捷，模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法也能夠促進系統(tǒng)設(shè)計的順利進行。

3 基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 同步分離電路設(shè)計

與平常圖像處理系統(tǒng)相比，基于機器視覺的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)有較大的差異性，能夠同時使檢測電路、采樣控制電路與電源連通，在可編程定時控制電路中，完成相應(yīng)的設(shè)計，提升系統(tǒng)的控制能力。為保證系統(tǒng)運行的有效性，每一配置都需要嚴格把控，將芯片時間參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，在使用時，采用74S***或74F***系列芯片。對數(shù)字圖像信號而言，其負脈沖一般處于-0.2 V之上，且超過零伏。對于其同步信號，使用電子比較器，對于同步分離電路的調(diào)試，最好將lm311輸出擴大化，使基線同步脈沖寬度保持在特點范圍內(nèi)，處于5.7μ至6μ秒之間即可，使其一直高于零電平。

3.2 采樣窗口控制電路設(shè)計

依據(jù)采樣窗口控制電路原理，明確圖像采集的采樣行數(shù)，應(yīng)具體到每一幀，對于可編程計數(shù)器計數(shù)長度，使用行數(shù)與652H相乘可得。在數(shù)字圖像處理中，為了防止圖像信號儲存于存儲器，或者在其中傳輸，就需要使該行數(shù)值超出23。若U6可編程計數(shù)器處于模式1運行狀態(tài)下，對于每幀數(shù)字圖像采樣的行數(shù)，由其決定，計數(shù)長度便是這一行數(shù)值，而U7可編程計數(shù)器0，與模式5狀態(tài)下運行，對每一幀數(shù)字圖像采樣時間起著決定作用。

3.3 數(shù)字圖像收集器設(shè)計

基于機器視覺計數(shù)，將解碼芯片輸入晶振，設(shè)定為24.576 MHz，在系統(tǒng)運行中，應(yīng)確保與相應(yīng)的頻率規(guī)定相符，解碼芯片頻率設(shè)為13.5 MHz，文章以256灰度圖像作為主要研究對象，借助PAL機制，將圖像采集信號輸入進去，將其和系統(tǒng)運行速度需求結(jié)合在一起，完成芯片配置。在數(shù)字圖像采集器中，借助解碼芯片，能夠向用戶提供寄存器設(shè)定方式，其一為邊界掃描測試，其二為12C總線控制。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，借助單片機I/O接口，將其和12C總接口進行模擬，將寄存器初始化。

3.4 明確數(shù)字圖像清晰度指標

數(shù)字圖像清晰度指標的確定，劃分相應(yīng)的處理結(jié)果，先是用戶的主觀認定，后是清晰度的客觀認定，通過有效結(jié)合主觀、客觀清晰度認定，獲得數(shù)字圖清晰度的評估指標。針對用戶的主觀評價，只是用戶個人對數(shù)字圖像清晰度的一種判斷，評價結(jié)果受到用戶個人的色彩喜好，依據(jù)用戶主觀性認定指標是不合理的。針對數(shù)字圖像在機器視覺中的色彩、像素，數(shù)字圖像均值具有一定衡量作用，針對數(shù)字圖像處理的效果直接因素，數(shù)字圖像標準差能夠有效進行衡量，這也是離散程度的指標。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)標準差、均值的范圍，明確清晰度評估指標。

3.5 文件操作模塊設(shè)計

在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，文件操作模塊屬于較為基礎(chǔ)的部分，該模塊的存在主要實現(xiàn)打開、轉(zhuǎn)換格式、修改保存等操作，如圖1所示，為文件操作模塊的功能結(jié)構(gòu)圖。使用GDI+，將圖像以文件形式呈現(xiàn)出來，通過創(chuàng)建Image類新對象，創(chuàng)建Graphics對象，用于引用繪圖圖畫，并調(diào)用其DrawImage方法，在繪圖表面，繪制圖像，在設(shè)計過程中，借助圖像編輯器，對圖像文件進行創(chuàng)建、編輯，在運行過程中，使用GDI+將圖像呈現(xiàn)出來。在文件操作模塊，對于拍攝的圖像，用戶能夠展開文件操作，借助編輯模塊，在修改后保存，或者打印輸出，完成數(shù)字圖像的格式轉(zhuǎn)換，較為常用的有JPG、GIF、WMF等。用戶在具體操作中，需要先獲取圖像文件的路徑名稱，以此進行處理，當文件另存時，彈出相應(yīng)的保存對話框，選擇需要保存的類型、路徑，將文件輸入，調(diào)用相應(yīng)格式，完成文件保存。對于修改后的圖像文件，是在原有基礎(chǔ)上保存的，取得文件名后，便可完成保存操作。

圖1 文件操作模塊的功能結(jié)構(gòu)圖

3.6 視圖設(shè)置模塊設(shè)計

視圖設(shè)置可以更改系統(tǒng)顯示方式，由于系統(tǒng)中欄目較多，用戶需求不同，欄目的顯示需求也各不相同，對于部分用戶而言，一些欄目不需要顯示，借助視圖設(shè)置，靈活顯示或者隱藏，并設(shè)置相應(yīng)的查看方式，用戶可以根據(jù)自己需求，查看不同大小圖標的顯示效果。對于欄目的顯示、隱藏功能，主要是借助控件的Visible實現(xiàn)，取其反值便可以自由切換顯示與隱藏功能，從菜單中的選中、不選中，便可以完成相應(yīng)的操作。視圖更改是由ListView和View屬性完成的，View屬性允許指定ListView控件，用于顯示類型，可以將View屬性設(shè)為大、小圖標顯示。詳細資料視圖允許查看項，并且允許查看指定的任意子項，這也是向用戶展示數(shù)據(jù)庫信息的重要方式。對于ListView控件的多數(shù)屬性，會對視圖操作、顯示方式產(chǎn)生影響，在View設(shè)為特定值時，影響項視圖的部分屬性才會有用，其他屬性在全部視圖中都有用。平鋪視圖是在左側(cè)顯示大圖標，在右側(cè)顯示文本信息，從而將每個項顯示出來，在默認情況下，只會將項標簽對應(yīng)的第一個子項顯示出來，想要將其他子項顯示出來，就需要在Columns集合中，添加ColumnHeader對象。在平鋪視圖中，想要控制平鋪單元的大小，就需要設(shè)定TileSize屬性，若子項文本過長，通過設(shè)定ListView顯示方式，添加相應(yīng)的標題，在視圖更改時，變換ListView中的View屬性，獲得不同顯示方式，避免文本換行。

3.7 圖像編輯模塊設(shè)計

在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，圖像編輯模塊屬于核心部分，完成相應(yīng)的編輯操作，其中包括復(fù)制、粘貼、插入、剪切、清空等功能。圖像編輯是在打開圖像后，選擇剪切、復(fù)制圖像，在保存前，需要將圖像清空，然后再進行粘貼、保存，如果需要添加文字，則需要插入文本，完成文字編輯后，在圖像中任意位置插入。復(fù)制與剪切較為相似，復(fù)制是將制定區(qū)域復(fù)制過來，而剪切則是在復(fù)制操作基礎(chǔ)上，將該區(qū)域以白色填充，完成復(fù)制、剪切操作。文本插入是在圖像任意位置插入文字，可以自由設(shè)置文字的顏色、大小、字體等，便于用戶添加注釋。

3.8 圖像處理模塊設(shè)計

圖像處理是進行旋轉(zhuǎn)、縮放、顏色處理等操作，基于機器視覺技術(shù)，數(shù)字圖像處理效率更高，質(zhì)量更高。數(shù)字圖像的放大和縮小是按照一定比例，將其放大或者縮小，圖像旋轉(zhuǎn)是按照特定角度進行旋轉(zhuǎn)，借助GDI+和Graphics類，采圖像幾何轉(zhuǎn)換方法，完成各種角度的旋轉(zhuǎn)。圖像特效處理是借助一些方法，處理數(shù)字圖像中的像素點，賦予其新的像素點，完成處理后，呈現(xiàn)清晰度更高的圖像。針對圖像多次縮小，再放大時出現(xiàn)失真現(xiàn)象，由于普通的圖像格式是由像素點構(gòu)成的，經(jīng)過放大、縮小操作后，過渡像素丟失，使得圖像失真，再視覺上呈現(xiàn)模糊感，基于機器視覺，依據(jù)清晰度指標，有效解決這一問題，在放大操作中，將原始圖像執(zhí)行縮小操作，待縮小至一定程度時，將其和之前的圖像進行對比，并借助原始圖像，完成相應(yīng)的縮小操作。圖像失真對應(yīng)用效果產(chǎn)生較大的影響，想要解決圖像失真問題，可以借助相應(yīng)的工具，設(shè)置好放大倍率，調(diào)整好圖像的方式，使圖像放大后的邊緣更加清晰。

4 系統(tǒng)測試

基于機器視覺設(shè)計的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，為了驗證其實用性，需要對其性能進行測試，通過測試其吞吐量以及處理效率，獲得相應(yīng)的結(jié)論，數(shù)字圖像的幀數(shù)愈多，系統(tǒng)的吞吐量也會隨之增加，與普通系統(tǒng)相比，基于機器視覺的系統(tǒng)設(shè)計，其吞吐量相對較高，主要是因為，在機器視覺技術(shù)的支撐下，能夠防止噪聲的干擾，促進系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的大幅提升。在數(shù)字圖像處理中，當數(shù)字圖像樣本的數(shù)量增加時，處理效率也都保持在較高的水平，有效確保圖像的處理質(zhì)量，在數(shù)字圖像處理前，借助機器視覺理論，提取其像素特征，并進行清晰化處理，從而使得圖像處理效率大幅提升。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)需要耗費較長時間，且處理效果較差，基于此，文章以機器視覺技術(shù)作為基礎(chǔ)，提出了數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計，依托機器視覺技術(shù)，完成系統(tǒng)多個模塊的設(shè)計，不斷優(yōu)化系統(tǒng)，促進圖像處理效率和質(zhì)量的提升，從而獲得較好的處理效果。