基于嵌入式機器視覺圖像二值化算法及實現

摘 要：文章介紹了一個基于單片機的二值圖像實時處理系統。該系統以大津法（OTSU法）作為二值圖像處理算法。實驗表明，該系統能夠準確，快速地對圖像進行二值化。當光線比較均勻時，圖像處理效果較好，特別是當對象物和背景的灰度值的差距較大的時候，效果更明顯；當圖像分辨率在一定范圍內時，縮小分辨率不會對圖像的處理效果產生影響，但能夠縮短處理時間，這為嵌入式領域在實時圖像二值化處理提供了借鑒。

關鍵詞：單片機；二值化；大津法；分辨率

1 概述

隨著電子技術的發展，工業控制器的適應能力逐步增強。其中以單片機為核心，帶圖像處理的數字控制器因其體積小、成本低、功能強、簡便易行而在航天航空、生物醫學、通信工程、軍事等領域得到廣泛應用。在眾多圖像二值化處理算法中，閾值化方法因其算法簡單，計算量小，性能較穩定而在圖像二值化處理中應用最為廣泛。

我們在STM32F103單片機上運用OTSU二值化處理算法，使系統能夠在1s內完成圖像的獲取與處理，并且顯示出來。

2 系統實現

2.1 軟件系統

本系統采用全局閾值法中的OTSU法來實現圖像的二值化。OTSU法的基本思想是求取最佳門限閾值，此閾值將圖像灰度直方圖分割成黑白（前景與背景）兩部分，使兩部分類間方差取得最大值，并使類內方差值最小，即類間分離性最大，而類內的相似性最大。對于某圖像的灰度直方圖，設 t為區分前景灰度與背景灰度的二值化閾值，設 w0為前景像素所占圖像總像素的比例，令 u0為所有前景像素的平均灰度，設w1為背景點數所占圖像總像素的比例，令 u1 為所有背景像素的平均灰度，則圖像的所有像素的平均灰度為u=w0*u0+w1*u1。在進行程序運算時，t的取值可從圖像的最小灰度值到圖像的最大灰度值依次遍歷，當t取某值時，類間方差公式b=w0*（u0-u）*（u0-u）+w1*（u1-u）*（u1-u）能取得最大值，此時t即為二值化的最佳閾值。

獲取到閾值后，將原圖與二值化處理后的圖以BMP位圖格式保存到SD卡中，并設有串口，以便適應不同系統的需求。

2.2 硬件系統

我們的圖像采集系統由ILI9341顯示屏、STM32F103主控芯片、山外鷹眼攝像頭、串口、SD卡五部分組成。圖像采集系統基本框圖如圖1所示。

3 測試與討論

3.1 影響因素分析

為了測試光照、圖像分辨率等因素對于算法的影響以及該系統對于不同圖像處理的效果，我們做了一系列實驗。

不同光照的效果如圖2所示，不同分辨率的效果如圖3所示。

經過一系列的實驗與討論，我們得出的結論是光照會嚴重影響圖像二值化的閾值大小，而分辨率的大小只要在一定范圍內對于閾值并無影響.對于不同的圖像，應用我們的系統，與正確的二值化效果相同，所以該系統能夠適應大多數的圖像二值化處理.最終我們將芯片超頻到最高頻率128MHz且將圖像的分辨率調整到不發生惡化的最低分辨率，使得系統在1s內完成了從拍攝到二值化顯示。

在測試中我們發現只要分辨率的大小低于32*24，則閾值的數值會發生大幅度的波動。經過調查研究，我們認為這是一種類似香農采樣定理理論與實踐相結合的有力憑證。香農采樣定理的定義是為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。實驗對圖像二值化的處理是256級的灰度，而我們只要將圖像的分辨率設置成不小于三倍的灰度級，那么該系統對圖像的二值化沒有影響。

3.2 性能分析

對于一個系統，我們需要了解他們的實效性，所以做了以下測試。在圖像分辨率為320*240的情況下，處理一張圖片所需的時間如表1所示，想要在1s內完成圖像處理，理論上需要芯片頻率達到500MHz.在分辨率縮小到最小（即32*24）時，處理一張圖片所需的時間理論上是分辨率為320*240的0.01倍，與實際情況基本吻合。

經過數據分析，我們將拍攝到的圖像分辨率減小到不失真的臨界值，縮小處理時間，實現快速處理。

4 結束語

本系統以型號為STM32F103的單片機作為核心處理芯片，該芯片豐富的片上資源大大減少在數據傳輸上浪費的時間。攝像頭采集的圖像以及處理后的圖像均以BMP位圖文件格式保存在SD卡中或者通過串口發往下一級處理設備，以便適應其它處理系統的需求。

本系統的創新點：使用單片機作為二值圖像的處理核心，用位圖文件存儲二值圖像，發現了圖像分辨率對圖像二值化處理的影響，能夠準確的求取閾值，在低速低成本處理器中，1s內完成從拍攝，處理，顯示的過程。為單片機系統在圖像處理領域的應用提供了一個借鑒。

參考文獻

[1]張錚，王艷平，薛桂香.數字圖像處理與機器視覺[M].北京：人民郵電出版社，2010：4.

[2]李宏，張冬生，林義剛，等.基于OTSU理論的灰度圖像分割算法研究和改造[J].科學技術與工程，2010，10（22）：5437-5440.

[3]童立靖，張艷，舒巍，等.幾種文本圖像二值化方法的對比分析[J].北京工業大學學報，2011，23（1）：2-4.

[4]原新，隋龍.基于單片機系統的二值圖像實時處理方法[J].博士論壇，2009，29.

作者簡介：宋瑞祥（1995-），男，漢族，浙江溫州，本科在讀，研究方向：嵌入式系統開發。