高位數(shù)數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)品?/p>

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

目前圖像傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，其主要民用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楸O(jiān)控、機(jī)器人及高精度測量等。軍用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)測量和光電經(jīng)緯儀等。

20世紀(jì)90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像傳感器大都采用數(shù)字圖像的輸出方式；隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的精度提高，目前的圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像大都采用高位數(shù)圖像，即采用10bit、12bit、14bit、16bi形式。目前大多數(shù)工控機(jī)平臺采用Windows系統(tǒng)，Windows系統(tǒng)要求的灰度顯示位數(shù)為8bit，因此要顯示高位數(shù)圖像必須首先將高位數(shù)圖像轉(zhuǎn)換為8bit圖像，在工控機(jī)平臺上顯示及通過輸出卡輸出模擬圖像。

1 系統(tǒng)組成原理

顯示系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，工控機(jī)為顯示系統(tǒng)功能核心。各部分完成功能如下。

1）工控機(jī)負(fù)責(zé)對采集進(jìn)來的高位數(shù)數(shù)字圖像進(jìn)行拉伸處理，提供拉伸后8bit數(shù)字圖像，作為輸出數(shù)據(jù)源。

2）數(shù)字采集采用數(shù)字圖像采集卡，負(fù)責(zé)采集數(shù)字圖像。

3）模擬輸出采用標(biāo)準(zhǔn)模擬圖像輸出卡，將運(yùn)算后的8bit圖像進(jìn)行輸出。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 工控機(jī)

工控機(jī)選用CONTRON公司生產(chǎn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，可支持3.0GHz Q9650處理器，前端總線達(dá)800 MHz；可支持通道DDR3內(nèi)存，最大可擴(kuò)展到8G，本系統(tǒng)采用4G內(nèi)存；擁有1個PCIe×16插槽及1個PCIe×4插槽；支持雙SATA硬盤（雙500GB硬盤）。

2.2 數(shù)字圖像采集卡

數(shù)字圖像采集卡選用加拿大DALSA公司生產(chǎn)的OR-X4C0-XPD00數(shù)字圖像采集卡。

主要特點(diǎn)有：

1）支持CameraLink接口采集。

對此，有冷眼旁觀者認(rèn)為是早期勞工移民開啟了海外僑民好面子逞強(qiáng)的壞習(xí)慣，“為了證明自己很成功，他們背負(fù)了太重的負(fù)擔(dān)。有人打好幾份工，但是回到家，卻顯得好像自己是百萬富翁一樣。我們所有人都知道，卻不戳穿他們。他們想要花錢買來這種關(guān)注感、這種自豪感，那我們順著捧場唄。”⑤訪談前政府職員、現(xiàn)自由職業(yè)者BG，男，28歲。普通民眾捧場的方式就是在皇后加冕夜、在節(jié)慶大游行上對男男女女的僑民們歡呼致意，與僑民們的自我展示和“炫耀”形成一來一回的互動。僑民在民眾的追捧中，達(dá)到最大的滿足感，更大的滿足感伴隨著更大的代價和負(fù)擔(dān)。

2）支持外觸發(fā)信號輸入，包括幀/場模式或異步復(fù)位模式。

3）4M卡內(nèi)視頻傳輸內(nèi)存。

4）采集卡采樣頻率為85 MHz，完全滿足要求。

2.3 模擬視頻輸出卡

標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出卡選用加拿大Matrox公司生產(chǎn)的VIO采集卡。主要特點(diǎn)有：

1）HD/SD、RGB NTSC/PAL視頻采集。

2）HD/SD、RGB NTSC/PAL輸出。

圖2 采集卡頂視圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出卡頂視圖

3 系統(tǒng)軟件配置

3.1 噪聲去除

對于自然景物的數(shù)字圖像，鄰近點(diǎn)之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，一點(diǎn)的灰度值與周圍點(diǎn)的灰度值十分接近，而孤立點(diǎn)（一般認(rèn)為是噪聲）卻沒有此特征。據(jù)此特征提出了在行、列方向上進(jìn)行孤立點(diǎn)濾除的濾波算法。方法簡單，耗時短。噪聲去除效果如圖4所示。

行方向?yàn)V波公式：

列方向?yàn)V波公式：

圖4 濾波效果比較圖

3.2 圖像拉伸

3.2.1 線性灰度變換方法

圖像拉伸算法通常采用線性灰度變換方法。線性灰度變換法是將圖像灰度級的整個范圍或其中某一段按某種線性關(guān)系擴(kuò)展或壓縮到系統(tǒng)所要求的動態(tài)范圍之內(nèi)，以便充分顯示出圖像的細(xì)節(jié)。

A為原始紅外圖像低端灰度，B為原始紅外圖像高端灰度，X為增強(qiáng)圖像后低端灰度，Y為增強(qiáng)圖像后高端灰度，Z為原始紅外圖像像素灰度，Z′為增強(qiáng)圖像后像素灰度。

3.2.2 冪次函數(shù)灰度變換方法

冪次函數(shù)灰度變換方法和線性灰度變換方法相比可顯著提高目標(biāo)的對比度，擴(kuò)展目標(biāo)和背景的差別，提高視覺靈敏度。

圖5 灰度變換處理效果比較圖

圖5中左圖為線性灰度變換方法效果圖；右圖為冪次灰度變換方法效果圖；可以看出冪次函數(shù)灰度變換方法和線性灰度變換方法相比，層次感鮮明。

4 系統(tǒng)軟件配置

本文以工控機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了高位數(shù)數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)。給出了具體的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)時性好、穩(wěn)定可靠，在實(shí)際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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