嵌入式機器視覺信息采集系統(tǒng)設(shè)計研究

鄒平吉

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 蘭州 730070）

0 引言

視覺是一種對外部環(huán)境的感知的高等智能行為。視覺圖像中含有豐富的信息，在人類看來，視覺信息是最有效。機器視覺是從工業(yè)化進(jìn)程中產(chǎn)生的，在工業(yè)生產(chǎn)中的每個環(huán)節(jié)中都可以應(yīng)用到機械視覺，從而使整個系統(tǒng)更加的智能化、自動化。機器視覺的主要手段是利用電腦來模仿或重現(xiàn)人的視覺，可以從圖像中抽取有用信息，并對其進(jìn)行加工、理解，將其輸出到探測或控制信號，因此機器視覺被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。機器視覺能夠從圖像中提取出對用戶有意義的信息，并對其進(jìn)行控制。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為核心，基于計算機技術(shù)，軟件和硬件都可以進(jìn)行裁剪，滿足功能、可靠性和成本要求，體積和功耗有嚴(yán)格要求。嵌入式機器視覺系統(tǒng)是一種利用嵌入式計算機對圖像進(jìn)行處理，從而達(dá)到對目標(biāo)進(jìn)行探測和識別的一種設(shè)備，如數(shù)碼相機、手持二維碼識別設(shè)備、人體感應(yīng)游戲等。隨著計算機視覺技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)檢測、智能交通、安防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，本文提出了一種方便攜帶、價格低廉的嵌入式機器視覺信息采集系統(tǒng)，利用嵌入式機器視覺技術(shù)采集與處理信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 嵌入式機器視覺信息采集系統(tǒng)硬件平臺

1.1 硬件系統(tǒng)框架

本文研制的以ARM9 為核心的嵌入式計算機視覺系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，具體如圖1所示，包含了移動電話開發(fā)模塊、電池模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、攝像頭、角度控制模塊、距離控制模塊。其中，電池、顯示、數(shù)據(jù)存儲、攝像頭等部分均是手機自帶部分，它能夠完成數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的處理，電池為系統(tǒng)提供3 V 的電壓。角度控制模塊和手機開發(fā)模塊采用RS232 接口，以實現(xiàn)可視化平面與被攝體平面的夾角控制；同時，通過I2C 接口與手機開發(fā)模塊相結(jié)合，可以實時地將目標(biāo)距離信息反饋到手機開發(fā)模塊，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

圖1 硬件系統(tǒng)框架圖

1.2 主控部分

本系統(tǒng)的主要控制部件為手機開發(fā)模塊，主要使用華為C2440，400 MHz 的ARM920T 核心，內(nèi)存133 MHz mSDRAM，支持4 GB TF 卡、GPRS、通話、短信、彩信等多種功能；同時內(nèi)置WiFi 和130 萬像素、焦距固定的CMOS攝像頭；電流大概60 mA，模塊中直接包含電池。模塊運行環(huán)境是經(jīng)過修飾的Linux2.6.20 系統(tǒng)，并且經(jīng)過JVM 移植，可以通過開發(fā)人員的硬件界面控件來讀取和寫入擴展硬件?？紤]到以上的功能，這個模型很適合作為本文的主要控制部分。

1.3 距離測量

本文利用新工機械工業(yè)有限公司KS103 超聲波測距模塊，通過對測距的實時補償，對溫度進(jìn)行快速、高精度的檢測，響應(yīng)時間為83 ms，對周圍環(huán)境的準(zhǔn)確感應(yīng)；具有高精度的檢測精度，在1～1 000 cm 之間，檢測頻率為500 Hz；LMS 快速光強檢測，能根據(jù)I2C 指令自動響應(yīng)，3.0～5.5 V 的工作電壓范圍內(nèi)，工作電流1.6～2.7 mA@5 V。根據(jù)以上特性，本文所設(shè)計的超聲模組能夠滿足所提出的測距要求。由于本模塊工作電壓為5 V，而手機開發(fā)模塊的擴展端口為2.8 V，所以在使用手機模塊與距離測試模塊進(jìn)行通信時，必須要有一個附加電路來實現(xiàn)電平變換。圖2該為模塊的控制流程。

圖2 超聲波距離測量模塊操作流程

從0×01 到0×2 f 的探測指令，隨著數(shù)據(jù)增加，信號的增益也會隨之增大；在檢測光強情況下，隨著光線強度的增加，其測量時間大約為1 ms；按照DS18B20 格式，在-40～+125 ℃之間探測時間大約為610 ms。當(dāng)探測命令發(fā)出后，該模塊會根據(jù)探測命令進(jìn)行相應(yīng)檢測，而主機則需要一段時間才能通過I2C 進(jìn)行查詢。

1.4 電源升壓

從以上分析可以看出，無論是超聲測距模組還是傾角測量模塊，均需直流5 V 電源，而本研究的主控模組為2.8 V，故必須將2.8 V 的電壓提升至5 V，以供雙測模組及傾角測量模塊使用。升壓DCDC 轉(zhuǎn)換器為PT1301，其起動電壓可以小于1 V，能夠滿足單節(jié)的干電池使用，具有自適應(yīng)的電流型PWM 控制回路，內(nèi)置有誤差放大器、斜波發(fā)生器和比較器。本系統(tǒng)采用電源轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動裝置，可在大負(fù)荷電流下工作，無外接補償電路。其優(yōu)異的性能使其在MP3、PDA、電子詞典等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電源升壓和電平轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。

圖3 電源升壓和電平轉(zhuǎn)換原理圖

1.5 嵌入式機器視覺采集裝置

在模型中，超聲波探測模塊平面與照相機平面間有1.6 mm 厚度的玻璃纖維板，在軟件設(shè)計時必須考慮到這一點；在同一電路板上設(shè)置傾斜傳感器和增壓回路，該電路板與1.6 mm 厚的玻璃纖維板緊密相連，在與水平面平行的情況下，X 軸的傾角和Y 軸的傾角分別為0°和90°；電平變換部件安裝在厚度為1.6 mm 的玻璃纖維板上；通過插針完成電源、傾斜模塊、距離測量模機開發(fā)模塊的連接和固定。在圖像獲取過程中，實時顯示被測量對象平面和嵌入式機器視覺系統(tǒng)平面的距離，以及X 軸和 Y 軸的角度獲取的圖像信息。

2 嵌入式機器視覺信息采集系統(tǒng)軟件平臺

2.1 Linux 驅(qū)動

Linux 系統(tǒng)由上而下，可以劃分為應(yīng)用、庫、操作系統(tǒng)、內(nèi)核以及驅(qū)動程序。就讀串行數(shù)據(jù)來說，圖4顯示了軟件層次之間的合作關(guān)系。在程序執(zhí)行期間：

圖4 軟件系統(tǒng)的層次關(guān)系示意圖

（1）應(yīng)用程序利用程式庫所提供的開啟功能開啟設(shè)備文件；

（2）庫執(zhí)行“swi”指令，以輸入到open功能中的參數(shù)，導(dǎo)致 CPU 出現(xiàn)異常并進(jìn)入內(nèi)核；

（3）當(dāng)應(yīng)用程序獲得文件句柄后，會利用庫所提供的文字或ioctl 功能來執(zhí)行控制指令；

（4）庫運行“swi”指令，以響應(yīng)write 或ioctl 功能輸入的參數(shù)，并運行到內(nèi)核；

（5）庫執(zhí)行“swi”指令，按照讀取功能輸入的參數(shù)，并運行到內(nèi)核；

（6）內(nèi)核的異常處理功能調(diào)用驅(qū)動的相關(guān)函數(shù)，向?qū)?yīng)的串口裝置文件發(fā)出讀取指令，然后返回一個文件句柄，再將其傳回到應(yīng)用程序。

手機開發(fā)模塊采用了ARM920 嵌入式 CPU 的底層是Linux 2.6.20，因為傾斜和測距都是通過擴展槽來實現(xiàn)，也就是說，不是手機設(shè)備自帶；為了將這兩個模塊應(yīng)用到移動設(shè)備開發(fā)模塊中，必須將其驅(qū)動程序添加到 Linux 2.6.20 的手機應(yīng)用程序中。Linux 的外部設(shè)備主要有三種：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)界面。字符裝置是一種可以象字節(jié)流那樣存取的裝置，也就是說，它的讀取和寫入都是以字節(jié)為單位，本文所討論的串口在傳輸和接收數(shù)據(jù)時都是按字節(jié)來完成，屬于字符裝置。在文字裝置的驅(qū)動程式中，可以執(zhí)行開啟、關(guān)閉、讀取，例如 write、open、read 等，應(yīng)用程序可以通過設(shè)備文件存取字符設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)庫SQLite

本文利用SQLite 免費開放源代碼，實現(xiàn)對嵌入式機器視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與管理。SQLite 是一個具有關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，遵循ACID 關(guān)聯(lián)式。ACID 關(guān)聯(lián)式是四種基本元素的簡稱，它能正確地完成數(shù)據(jù)庫事務(wù)，具有原子性、一致性、隔離性以及持久特點，使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠正確地處理數(shù)據(jù)。SQLite 可以在 Windows/Linux/Unix 等多種操作系統(tǒng)中運行，并且可以與 PHP、Python、Java 等不同的編程語言進(jìn)行集成，支持SQL92，并且只需要250 KB 左右的內(nèi)存；SQLite 與兩個知名的開放源碼數(shù)據(jù)庫Mysq1、PostgreSQL 相比，消耗的資源更少，處理起來也更迅速。

2.3 Linux 應(yīng)用程序開發(fā)平臺

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，硬件設(shè)備的互聯(lián)，遠(yuǎn)程管理模塊的實現(xiàn)，Java 的跨平臺應(yīng)用，可以將大型應(yīng)用軟件的各個功能模塊單獨地在不同的工作站上進(jìn)行集成并進(jìn)行測試。這個優(yōu)勢使得軟件工程師可以在硬件模型尚未成型之前，對各個功能模塊進(jìn)行設(shè)計，在硬件樣機完成后，由技術(shù)人員將各個功能模塊與共用的硬件設(shè)備相連接，進(jìn)行調(diào)試和運行。

3 數(shù)字圖像處理技術(shù)

本文提出了一種基于圖像分割方法，該方法不僅能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模的壓縮，而且還具有較強的計算能力。該方法不僅可以減少存儲量，還可以簡化后期的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)的分類、識別和檢索提供依據(jù)。從圖像分割技術(shù)出現(xiàn)至今，盡管在算法上有了較大的改進(jìn)和創(chuàng)新，但是依然是圖像處理中最困難的問題。圖像閾值分割是通過對目標(biāo)和背景在顏色、幾何形狀和空間紋理等方面的差別進(jìn)行分類，然后將其劃分為不同的區(qū)域，從而判斷出圖像中的每個象素點是否屬于對象或背景。該方法將目標(biāo)與背景圖像進(jìn)行分離，并在必要時，生成對應(yīng)的二值化圖像，并對其進(jìn)行分析。簡單來說，就是將被檢測的對象從背景中分離，從而為以后的圖像處理提供方便。

由于圖像分割后，會出現(xiàn)許多小的區(qū)域，或邊緣不完全封閉，所以要通過特殊的后處理算法來對其進(jìn)行改進(jìn)。此外，分割是一種基于圖像的底層處理技術(shù)，由于是一種中介過程，所以必須輸出到更高層次的圖象處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)具體的應(yīng)用。在輸出前，要先標(biāo)注出被劃分的區(qū)域，然后利用特殊的方法來表示和描述。在一些系統(tǒng)中，還需要對特定的區(qū)域進(jìn)行操作和抽取，而這就要求后處理技術(shù)來實現(xiàn)。最后，將圖像的分割和描述保存下來，并將其保存到局部或遠(yuǎn)端的內(nèi)存中。在此，預(yù)處理、核心算法和后處理之間，必須對后處理和核心算法進(jìn)行定義。在預(yù)處理和后處理中，我們可以修改任何功能模塊，但必須確保界面不變。在圖論分割算法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種以圖形表示的方法，并將所得到的數(shù)據(jù)用區(qū)域信息表示出來，從而確保了界面的簡潔和穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)用圖描述如圖5所示。

圖5 圖像分割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

本文將嵌入式機器視覺的特點、研究對象的特性以及實驗中的圖像采集技術(shù)，采用人工觸點筆來確定色彩特征參數(shù)，再通過適當(dāng)?shù)牟僮鳎≧-G）、（2R-G-B）、R/G/B 等作為特征量進(jìn)行圖像的代數(shù)，將3D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一維數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)的運行速度。通過對圖像分割，可以實現(xiàn)從RGB 向HIS 的過渡。因此，本文選擇了常用的RGB 模式作為色彩特征參數(shù)的選擇。

4 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，隨著技術(shù)不斷革新，嵌入式技術(shù)也得到了極大的發(fā)展。本文利用嵌入式機器視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)，解決了目前嵌入式機器視覺系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)收集和處理問題，著重從平臺搭建、圖像處理算法、平臺應(yīng)用等幾個方面進(jìn)行了深入探討。主要闡述了基于ARM9 的嵌入式計算機視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立了Linux 應(yīng)用程序開發(fā)平臺，實現(xiàn)了軟硬件的集成化。提高了機器視覺監(jiān)測設(shè)備的靈活性、實用性和推廣性。