計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件系統設計與實現

李玉霞

摘 要： 傳統的英文字母計算機輔助視覺識別方法采用圖像邊緣輪廓檢測方法，在字母識別過程中容易產生虛假輪廓特征干擾，導致識別準確度不高。該文結合嵌入式Linux設備驅動程序開發，進行計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件優化設計。使用Qt/Embedded作為GUI，構建用戶應用程序，基于X86架構的GNU開發工具集進行計算機輔助視覺下的英文字母識別文件系統配置和編譯，通過設備驅動程序開發，進行軟件設計優化，包括字符設備驅動程序、塊設備驅動程序和網絡設備驅動程序。系統測試表明，該英文字母識別軟件具有較好的識別精度和收斂性，軟件可靠度較高，人機交互性能較好。

關鍵詞： 計算機輔助視覺； 英文字母識別； 軟件設計； GUI

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0044?05

Design and implementation of English letter recognition software with

computer aided vision

LI Yuxia

（Baotou Vocational & Technical College， Baotou 014035， China）

Abstract： The traditional English letter recognition method with computer aided vision is based on the image edge contour detection method， which is easy to be affected by false contour features in the process of letter recognition， which leads to the low recognition accuracy. In this paper， the computer aided design of the English letter recognition software is conducted in combination with the embedded Linux device program. QT/Embedded is taken as GUI to build user application program. The GNU development tool set based on X86 is adopted to carry out configuration and compilation of English letters recognition file system with computer aided vision. The design optimization of software was done by means of development of the device drive program， including the character device driver， block device driver and network device driver. The system testing results show that the English letter recognition software has high recognition accuracy， perfect convergence， high reliability and better man?machine interaction.

Keywords： computer aided vision； English letter recognition； software design； GUI

0 引 言

隨著計算機圖像處理技術的發展，采用計算機視覺圖像處理技術進行目標識別、圖像特征分析和對象監控等具有廣泛的應用價值。圖像識別技術是建立在對圖像的特征提取和輪廓信息分割基礎上的，采集數字圖像處理技術對原始圖像進行降噪濾波和智能分割，以此為基礎進行圖像小波尺度分解，實現對圖像的識別和監測。英文字母識別是圖像處理領域研究的一個最新方向，英文字母廣泛存在于車牌、廣告牌、Logo等部位，通過對英文字母的準確識別，通過設計英文字母的優化識別技術和軟件設計，提高對英文字母的嵌套目標對象、比如車牌、飛行器打擊目標等的視覺跟蹤和計算機視覺識別的能力，因此，有效的英文識別技術將在未來的車牌識別、飛行目標識別、Logo動態監測等領域都具有廣泛的應用前景，相關的軟件系統設計方法受到人們的重視。

對英文字母識別的軟件開發的基礎在于計算機圖像處理，在計算機輔助視覺系統下通過數字圖像的采集、圖像特征分析和提取、以及圖像特征分類，實現對英文字母的視覺監測和分類識別。傳統方法中，對英文字母的識別方法主要有基于小波尺度分解的英文字母識別方法、基于邊緣輪廓分割的字母識別方法等[1?4]。上述方法是在計算機視覺下進行英文字母的圖像特征提取，結合小波分解和邊緣輪廓分割，實現對英文字母的有效識別，在此原理上，相關文獻進行了圖像識別系統的設計，取得了一定的成果。其中，文獻[5]提出一種基于空間亮度均衡化平滑處理的英文字母識別算法，并進行了識別系統的模塊化設計，提高了英文字母圖像的分割精度，但是該方法計算開銷較大，實時性不好。文獻[6]提出一種基于圖像增強和明暗對比度特征分解的字母識別方法，在缺幀環境下實現對英文字母圖像的包絡特征識別，并進行了軟件設計，提高了字母的識別精度，但是該軟件設計過程中受到環境的光線等干擾因素的影響較大，導致在信噪比低的環境下對圖像的識別準確度不高[7]。針對上述問題，本文在計算機輔助視覺下進行了英文字母識別軟件的優化設計，首先進行了英文字母識別的軟件系統的總體設計和數據處理，分析英文字母的視覺特征信息，結合嵌入式Linux設備驅動程序，進行英文字母識別系統的交叉編譯環境構建，以嵌入式Linux為平臺實現軟件開發，最后進行了系統調試和仿真分析，得出有效性結論。

1 軟件的總體模型構建和開發環境

1.1 計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件的總體模型構建

為了實現對計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件的優化設計，首先分析軟件系統的總體結構模型，計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件是建立在對英文字母的圖像特征信息采樣和特征提取的基礎上的，結合圖像處理算法進行計算機輔助視覺設計，系統采用LabWindows/CVI進行計算機輔助視覺下的英文字母識別的圖像處理和信息通信，選用“波形存儲重發”模式，通過模擬預處理機將信號采樣控制傳輸數據轉換為電信號，在數據采集處理系統中實現離散數據采樣和英文字母的信息評估[8?10]。計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件的總體模型結構框圖如圖1所示。由圖1可見，英文字母識別軟件系統建立在嵌入式操作系統Linux基礎上的，采用嵌入式Linux系統從軟件的角度進行計算機視覺特征的采樣和層次劃分，本文設計的英文字母識別軟件共分為四個層次，分別為：

（1） Linux內核下的英文字母的引導加載程序（Boot loader）；

（2） 在FLASH設備上的文件系統內核（Linux Kernel）；

（3） 嵌入式手持設備文件系統（File System）計算機視覺特征分析和識別；

（4） 使用Qt/Embedded作為GUI，構建用戶應用程序（Application）。

根據上述軟件的層次模型構建，在Linux中可以支持多通道的英文字母識別功能，采用VPP儀器驅動程序構建虛擬文件系統，采用PCI橋接芯片與上位機通信，計算機輔助視覺下的英文字母識別管理系統的外部I/O設備通過A/D，D/A采樣進行遠程控制信號加載，系統的源代碼與開發工具包括初始化、配置、作用/狀態。

根據上述分析，得到計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件系統設計的功能指標描述為采樣通道：8通道同步電子監控數據采樣，輸出信號幅度為ROMFS；D/A分辨率為12位。計算機輔助視覺下的英文字母識別中的圖像信息數據傳感信號的A/D轉換芯片選用AD公司的AD7655。計算機輔助視覺下的英文字母識別系統的模擬轉換電路接口的A0為低時，轉換A通道，為高時，轉換B通道。計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件的功能的實現還需要核實外圍器件，FPGA通用平臺系統是由大量高密度分布的處于被監測的英文字母識別對象內部或周圍的傳感器節點組成，相比于進程管理、內存管理和文件系統，在嵌入式Linux的系統開發中采用簡單、統一的系統調用接口，由啟動引導程序（BootLoader）進行程序加載，實現對英文字母的識別和視覺特征分析，根據上述系統總體設計模型，進行軟件的模塊化加載和設計。

1.2 基本開發流程與開發環境的建立

在上述進行了計算機輔助視覺下英文字母識別軟件的總體模型描述的基礎上，進行軟件開發，本文開發的計算機輔助視覺下英文字母識別軟件建立在以嵌入式Linux為平臺之上，結合計算機視覺圖像識別技術和特征提取算法，在前期的計算機視覺圖像分析算法的設計基礎上，構建一個以Linux內核、文件系統、應用程序為結構組成的嵌入式系統，實現Linux操作系統對ARM硬件平臺的移植和計算機視覺下的英文字母識別，采用MVB總線控制技術，進行英文字母識別過程中的幀發送收發和中斷控制，面向計算機輔助視覺下英文字母識別的MVB總線控制模型如圖2所示。

在MVB總線控制過程中，利用計算機輔助視覺系統進行存儲控制和英文字母的像素特征分析，充分利用開源Linux操作系統的豐富網絡資源，由A/D，D/A轉換器進行轉換誤差分析，采用交叉編譯環境，即開發平臺使用通用計算機，采用LabWindows/CVI實現對中斷標志位輸出，信息監控和識別系統設計中，主控電路的ADC要求穩定到15 Hz。采用能量檢測法，得到計算機輔助視覺下的英文字母識別系統D/A轉換器輸出為一組單幀數據信號，信號脈寬超過32 KB數據時，A15為“1”，將波形特征信息通知CVI，由此實現了計算機輔助視覺下的英文字母識別的網口、串口、USB口的控制，搭建嵌入式Linux軟件開發環境，得到本文設計的軟件系統的開發環境硬件連接圖如圖3所示。

2 系統的設計與實現

2.1 英文字母識別文件系統配置和編譯

在上述構建的英文字母識別系統的開發環境的基礎上，使用已有各種基于X86架構的GNU開發工具集，使用Linux和Windows之間的共享資源進行計算機輔助視覺下的英文字母識別文件系統配置，基于X86架構進行圖像識別的軟件編譯，在主機上完成針對目標機的代碼編譯，編譯生成的可執行代碼進行目標機的代碼編譯，計算機輔助視覺下的英文字母識別文件編譯的過程為：

在網上下載arm920t?eabi.tgz，使用命令

tar xvzf arm920t?eabi.tgz

輸入arm?linux?gcc?v，將最上層的Makefile文件解壓，并把編譯器路徑加入系統環境變量，運行命令

#gedit.Bashrc

編輯.Bashrc文件，在最后一行加入arch/arm/boot目錄

選擇退出，并選“Yes”保存

保存退出后，重新登錄系統，在計算機輔助視覺下生成交叉編譯環境，如圖4所示。

命令行輸入arm?linux?gcc?v，修改內核解壓地址，充分考慮嵌入式Linux系統的根文件系統的源碼開放性，利用Busybox的安裝腳本，實現配置和剪裁。在上述生成的交叉編譯環境下，新建一目錄filesystem，建立YAFFS根文件系統，編譯過程代碼描述如下：

Busybox Settings ???>

Embedded Linux application ???>

[*] Don't use /usr

Applets links（Busybox source open） ???>

（/home/Documents/nfs） Edit the rcS file under the init.d directory

Busybox Download to target board ???>

[*] Support arm?angstrom?linux

[*] /opt/toolchains/arm commands

[*] /dev/tty1 changed to echo

[*] Establish a root file system

[*] production of YAFFS image file

Shells ???>

??? Ash Shell Options下的選項全選

[*]Rootfs.yaffs is generated in the directory.

[*]Lash（Control hardware device）

配置完成后，分別運行make以及make install訪問并控制硬件設備，進行編譯和安裝，完成設備驅動程序是Linux內核的路徑文件夾選擇，在操作系統與硬件設備之間生成bin，sbin文件夾以及linuxrc文件。

在此基礎上，建立英文字母識別軟件的YAFFS根文件系統，在該目錄下有6個必備的文件夾/etc，/lib，

/dev，/usr，/var和/proc，將其目錄下的相關的配置腳本復制到新建根文件系統filesystem的etc下，并下載busybox1.14.2進行相應的修改。具體做法是編輯/dev，/etc等主要目錄，在init.d目錄下運行make menuconfig命令，啟動服務器配置文件，編輯init.d目錄下的rcS文件，在36，56以及58行的內容注釋掉，/lib目錄下提供內核，

/dev/tty1更改為echo“Root File System Loaded Successfully”。

在dev目錄下建立需要的設備節點，在/lib目錄下提供內核需要用到的計算機輔助視覺下的英文字母識別函數，生成一個rootfs.yaffs文件，在920t?eabi/arm下面所有的文件復制到新建的根文件系統fliesystem的lib中，建立起計算機輔助視覺下的英文字母識別的根文件系統。在Visual DSP++ 4.5中，得到計算機輔助視覺下的英文字母識別文件系統配置和編譯集成開發環境如圖5所示。

2.2 軟件實現流程與驅動程序開發

在上述進行了計算機輔助視覺下的英文字母識別文件系統配置和編譯的基礎上，通過設備驅動程序開發，進行軟件設計優化，作為Linux內核的重要組成部分，設備驅動程序主要包括了字符設備驅動程序、塊設備驅動程序和網絡設備驅動程序，設備驅動程序完成如下工作：

（1） 優化存儲、初始化和釋放英文字母識別文件系統的配置程序和設備；

（2） 在計算機輔助視覺下進行英文字符識別軟件的內核與硬件之間的數據傳送，調用請求函數實現I/O操作，把數據從read（），write（）等系統內核傳送到計算機視覺識別器和專家系統中；

（3） 改動內核的源文件，實現應用程序與設備之間的數據傳送，讀取計算機輔助視覺下的識別系統的應用程序傳送給設備文件，編譯成未連接的模塊，使用open（），release（），read（）等函數實現數據和回送，在應用程序中請求計算機輔助視覺識別；

（4） 檢測錯誤和處理中斷，檢測中斷服務程序是否能正常工作。

綜上分析，得到計算機輔助視覺下的英文字母識別軟件的設備驅動的設計和實現流程如圖6所示。

根據系統需求分別對tatic int s3c2440_open，控制寄存器s3c2440_pwm_close和A/D轉換s3c2440_pwm_

ioctl三個函數進行編程，處理器將讀取A/D轉換結果，通過計算機輔助視覺識別，完成A/D轉換器的打開、關閉操作，在file_operations數據結構中的對應關系如下：

static struct file_operations dev_fops = {

owner：THIS_MODULE //調用s3c2440_adc_read（）函數

open：s3c2440_adc_open //控制寄存器進行復位

read：A data transmission on the IIC bus

release：Stop Condition _adc_release //應答信號（ACK）

}

在進行了ZLG7290初始化操作之后，鍵值寄存器（Key）通過命令接口完成對計算機輔助視覺識別的間接讀寫，函數ZLG7290_GetKey（）在中斷響應中實現SD存儲，設定地址00H，復位值F0H，加載SD卡的設備驅動程序，實現圖像識別的程序加載，達到英文字母優化識別的目的。

3 系統測試仿真分析

為了測試本文設計的計算機輔助視覺下英文字母識別軟件的應用性能，進行仿真測試分析，實驗中，采用嵌入式設備的Qt C++ API，Qt/Embedded的Qt/X11構建計算機視覺輔助識別系統，運行Qt/Embedded所需要的計算機視覺識別資源，編譯Qt/Embedded進行程序加載和可視化的界面設計。

在應用程序框架和窗口系統中，調用窗口管理系統和圖形引擎，利用FrameBuffe圖形函數庫作為底層圖形接口，安裝完成后，生成Qt/Embedded for ARM的開發編譯環境所需要的英文字母視覺識別的編譯文件，配置qt?embedded?arm、編譯和安裝實現英文字母的識別和識別性能分析。通過上述分析，以識別車牌中的英文字母為例，進行仿真測試，得到識別結果如圖7所示。

為了測試本文設計字母識別方法的收斂性能，以字母識別的收斂曲線為測試指標，得到仿真結果見圖8。

由圖8可見，采用本文方法進行計算機輔助視覺下的英文字母識別，收斂性較好，在較短的時間內將識別誤差收斂到0，能有效降低識別誤差和識別時間。為了對比識別精度，采用本文方法和傳統的系統方法，進行字母識別的精度測試，得到結果如圖9所示，由圖9可見，該識別方法精度較高，準確性較好，展示了較好的應用價值。

4 結 語

通過設計英文字母的優化識別技術和軟件設計，提高對英文字母的嵌套目標對象，比如車牌、飛行器打擊目標等的視覺跟蹤和計算機視覺識別的能力，本文在計算機輔助視覺下進行了英文字母識別軟件的優化設計，結合嵌入式Linux設備驅動程序，進行英文字母識別系統的交叉編譯環境構建，使用Linux和Windows之間的共享資源進行計算機輔助視覺下的英文字母識別文件系統配置，基于X86架構進行圖像識別的軟件編譯，實現軟件開發，該研究表明，本文設計的英文字母識別軟件性能較好，準確度較高。

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