圖像處理及存儲顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計

曹立華

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

圖像處理及存儲顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計

曹立華

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

本文詳細論述了基于高性能工控機平臺的圖像處理及存儲顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計。利用數(shù)字圖像采集卡實時接收紅外傳感器輸出的數(shù)字圖像信號，利用工控機CPU利用接收到的數(shù)字圖像信號進行目標(biāo)定位、圖像實時存儲及圖像增強處理等操作。文中詳細論述了硬件組成及軟件工作原理，給出了試驗結(jié)果及結(jié)論圖片。

高性能工控機；數(shù)字圖像；圖像實時存儲

目前紅外圖像處理技術(shù)隨著紅外圖像傳感器的發(fā)展得到了極大的發(fā)展，紅外圖像傳感器有著可見光傳感器無法比擬的優(yōu)點，基本上可以實現(xiàn)全天候工作，其主要民用應(yīng)用領(lǐng)域為監(jiān)控、森林防火、道路監(jiān)察及高精度位置測量等。軍用應(yīng)用領(lǐng)域為光電經(jīng)緯儀及紅外告警等。

20世紀(jì)90年代以后，隨著高性能計算機技術(shù)的提高及圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，可以在高性能計算機上實現(xiàn)很多以前無法實現(xiàn)的功能，可以將很多功能集成在同一臺計算機上進行綜合處理，減少了中間處理環(huán)節(jié)的費用降低了成本。

文中介紹的系統(tǒng)采用一臺高性能工控機實現(xiàn)了數(shù)字圖像的目標(biāo)定位、圖像實時存儲及圖像增強輸出，詳細介紹了硬件組成及軟件構(gòu)成框架，并對每一部分進行了詳細論述。

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，工控機為顯示系統(tǒng)功能核心。各部分完成功能如下。

1）高性能工控機負責(zé)對數(shù)數(shù)字圖像進行目標(biāo)定位、圖像存儲及增強處理，輸出8位圖像數(shù)據(jù)作為輸出數(shù)據(jù)源。

2）采用數(shù)字圖像采集卡實時采集數(shù)字圖像。

3）標(biāo)準(zhǔn)模擬圖像輸出卡用于輸出8位數(shù)字圖像進。

2 系統(tǒng)硬件配置

高性能工控機選用研華公司生產(chǎn)的工業(yè)計算機，可支持3.6 GHzI7處理器，前端總線達1 GHz；可支持通道DDR3內(nèi)存，最大可擴展到32G，本系統(tǒng)采用16G內(nèi)存。

3 系統(tǒng)軟件配置

3.1 軟件整體框架

考慮到高性能工控機I7處理器具有4核8線程的特性，同時系統(tǒng)需要完成目標(biāo)提取、圖像存儲及實時增強3項功能，在軟件結(jié)構(gòu)上采用4線程處理機制，即圖像數(shù)據(jù)獲取及分配線程、目標(biāo)提取線程、圖像存儲線程及實時增強線程。

各線程間的關(guān)系如圖2所示。

各線程功能如下：

圖像數(shù)據(jù)獲取及分配線程的功能為當(dāng)采集卡中斷產(chǎn)生時，實時獲取圖像數(shù)據(jù)，為去3個線程提供圖像數(shù)據(jù)。

目標(biāo)提取線程的功能為在圖像中定位目標(biāo)，計算出目標(biāo)的精確位置信息。

圖像存儲線程的功能為實時存儲圖像數(shù)據(jù)，為事后處理提供數(shù)據(jù)源。

實時增強線程的功能為將圖像進行增強處理，輸出顯示。

圖2 軟件多線程結(jié)構(gòu)

3.2 目標(biāo)提取

采用形心方法進行目標(biāo)提取。根據(jù)目標(biāo)特征自適應(yīng)的計算目標(biāo)閾值，根據(jù)目標(biāo)閾值二值化圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)如下目標(biāo)二階矩公式計算出目標(biāo)位置信息。

計算目標(biāo)二階矩公式是一個集團統(tǒng)計過程，不是個別點的位置信息，因此具有穩(wěn)定性好，精度高的特點。

3.3 圖像存儲

為了保證圖像數(shù)據(jù)存儲的實時性，采用具有64MB緩存的SATA2高轉(zhuǎn)速硬盤作為介質(zhì)，其大容量的緩存能夠保證數(shù)據(jù)寫入硬盤的連續(xù)性和穩(wěn)定性，防止由于硬盤磁頭跳轉(zhuǎn)等因素造成數(shù)據(jù)無法及時寫入現(xiàn)象的發(fā)生。

在開啟圖像數(shù)據(jù)存儲線程后，系統(tǒng)首先分配兩塊較大的內(nèi)存空間，每塊空間約可存儲50幀的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用乒乓操作方式，圖像采集卡采集到的圖像數(shù)據(jù)首先存儲到其中的一塊內(nèi)存中，當(dāng)該塊內(nèi)存寫滿后，轉(zhuǎn)而寫入另外一塊內(nèi)存，同時將第一塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入硬盤，從而從軟件角度構(gòu)建硬盤二級緩存，保證數(shù)據(jù)的完整和實時性。

每幀圖像的數(shù)據(jù)大小為640×512×2=0.655 MB字節(jié)，按照幀頻為100 F/s計算，則1秒鐘存儲量為：

（640×512×2）×100=65.5 MB

選擇1 TB硬盤，可以存儲時間約為4.2 h。

3.4 圖像增強

灰度拉伸采取線性拉伸方法，即采用線性公式對灰度值分布在（，HH）區(qū)間的像元進行拉伸：

4 結(jié)論

本文以高性能工控機為核心，設(shè)計了一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)目標(biāo)定位、圖像實時存儲及圖像增強輸出3種功能。給出了具體的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)實時性好、穩(wěn)定可靠，在實際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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G2

A

2096-0360（2015）14-0019-02

曹立華，研究方向為圖像處理。