基于Matlab圖像采集工具箱的圖像處理實驗平臺設計

傅志中， 趙宇飛， 周 寧， 李曉峰， 徐 進

(電子科技大學 通信與信息工程學院， 成都 611731)

基于Matlab圖像采集工具箱的圖像處理實驗平臺設計

傅志中， 趙宇飛， 周 寧， 李曉峰， 徐 進

(電子科技大學 通信與信息工程學院， 成都 611731)

基于Matlab的圖像采集工具箱，設計了一套集圖像采集與處理的圖像數據處理軟硬件平臺。該平臺利用Matlab的圖像處理與采集函數，實時從圖像傳感器采集并處理圖像數據。較傳統的圖像處理平臺，該實驗平臺能提供更多的實驗項目和實際體驗，提高學生的臨場實驗效果，并使學生專注于圖像處理實驗項目的創新思路與算法設計過程。

圖像處理； 圖像采集工具箱； 實驗項目； 算法設計； 實驗平臺設計

0 引 言

數字圖像處理技術的迅速發展得益于廣泛的應用需求以及數學、電子技術和計算機技術的發展，其理論性和實踐性都很強。“百聞不如一見”凸顯了圖像在人類認知與信息獲取方面的重要性。基于理論模型描述進行圖像處理算法的教學模式，學生不能深刻地理解、認知圖像處理技術內容，不能激發學生對圖像處理課程的學習興趣和對學生創新能力的培養。

Photoshop、Corel draw、美圖秀秀等軟件，側重于圖像編輯、美化與特效制作，與教材內容切合度較差，不利于學生學習與理解圖像處理基本原理及算法。對此，許多教學工作者對圖像處理平臺和實驗項目展開了廣泛研究與探索。

自INTEL公司推出OPENCV以來，基于C/C++的圖像處理實時應用技術得到了快速發展，使得VC或VS開發環境成為圖像處理技術應用的一個重要開發平臺。基于VC平臺數字圖像處理教學實驗[1-3]，有助于學生通過實驗直觀地認識和掌握圖像處理的原理和用途，但該實驗系統對學生的C語言使用熟練程度要求較高，學生容易陷于繁雜的編程工作，而忽略了本該重視的圖像處理任務及算法設計問題，不適合于課程教學實驗。

MathWorks公司推出的用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的商業數學軟件Matlab，在高校和業界都得到了廣泛的應用，得到了教育者和業界技術開發人員的高度認可和推崇[4-5]。基于Matlab的圖像處理實驗軟件與實驗項目[6-10]，為圖像處理技術實驗開展提供了重要手段，降低了學生對C語言等的實踐環節難度，使學生專注于問題發現、問題解決和算法設計過程，提高了學生對課程內容的學習興趣。但這些實驗還是基于Matlab或VC平臺環境的軟仿真，還僅停留在軟件仿真方面，學生沒有接觸到實際的圖像獲取與處理系統，缺乏真實的實際體驗。

基于DSP或FPGA的圖像處理實驗[11-13]，有助于學生從算法設計到嵌入式系統的應用，但需要耗費學生較多的精力去學習并掌握DSP相關技術或過多的硬件實現細節，不利于學生專注于圖像算法設計過程，不利于培養學生在算法設計方面的創新能力。采用LabVIEW和Matlab混合編程模型[14]，實現了在線“信號與線性系統”教學的交互性實驗。該模型提供了一種較好的圖像處理實驗平臺，但是，由于LabVIEW是基于圖形化的編程語言，Matlab編程處于協處理器地位，不利于充分發揮Matlab靈活及強大的數值計算能力。

另外，上述實驗平臺或項目，側重在圖像復原與重構、圖像增強、圖像分割、圖像編解碼及圖像分析等內容，缺失數字圖像采集等預處理過程。

本實驗平臺基于Matlab圖像采集工具箱，在產學研科研項目研究基礎上，開發一套集數字圖像采集和處理的圖像處理平臺。① 為產學研項目提供技術支撐[15]，② 為實驗教學提供真實、現場的圖像處理數據，提升學生的實驗臨場體驗，激發學生在現場發現問題，解決實際問題的能力，加強學生創新能力的培養。

1 實驗平臺設計

考慮到實驗平臺的可擴展性和經濟性，同時提供圖像預處理實驗并緊跟業界發展，實驗平臺擬采用USB攝像頭和自制圖像成像與圖像采集模塊相結合的圖像采集混合系統結構，滿足不同實驗經費額度和實驗項目需求。

1.1 實驗平臺架構

該實驗平臺由圖像成像、圖像采集和圖像處理3個模塊構成，實驗平臺結構如圖1所示：

圖1 圖像處理實驗平臺硬件結構

圖像處理模塊內裝Matlab軟件的通用計算機，完成圖像數據的采集與處理，提供實驗教學的相關實驗項目的軟硬件實驗環境。

圖像成像與采集模塊的設計基于兩種情況：① 圖像成像與采集模塊采用USB攝像頭，則這兩個模塊都包含在USB攝像頭內部，USB攝像頭與圖像處理模塊直接用USB數據鏈路連接。② 采用分離的圖像成像與圖像采集模塊方式。

1.2 圖像成像模塊設計

圖像成像模塊包括圖像傳感器、電源管理和圖像傳輸接口和輔助控制電路等單元構成，實時將場景信息轉換為電信號并以一定的傳輸協議傳輸至圖像處理模塊。其實現框圖如圖2所示。輔助控制電路完成模塊的基本控制及傳輸信號驅動，電源管理實現模塊的電源電壓管理。

圖2 圖像成像模塊結構

圖像傳感器采用TRUESENSE的KAI0340，該圖像傳感器在640X480像素分辨率時可達200幀/s，在縮小視場時，最高可達3 400幀/s。圖像傳輸接口由通用的FPGA實現，FPGA采用Lattice公司的非易失性器件LFXP2系列芯片，該型號體積小、功耗低、邏輯及IP資源豐富，完全滿足圖像成像模塊的資源需求。該單元接收來至圖像傳感器的圖像數據，實時將圖像數據以CameraLink傳輸協議進行傳輸。

1.3 圖像采集模塊設計

圖像采集模塊實現將圖像成像模塊的基于CameraLink傳輸協議的圖像數據流轉換為圖像處理模塊可識別的數據格式，緩存并及時通知圖像處理模塊。采集卡可以采用貨架產品如Siiconsoftware公司的MicroEnable IV VD4-CL圖像采集卡，該采集卡可實時采集兩路基于CameraLink傳輸協議的圖像數據流，也可基于如PLX公司的PCIe的低成本接口芯片如PEX8114，Lattice的LFXP2系列FPGA芯片和存儲器構成，PLX提供了全套的系統開發工具，能快速實現采集卡的開發。圖像采集卡模塊結構如圖3所示。

圖3 圖像采集卡模塊結構

1.4 實驗軟件結構設計

圖像成像模塊與圖像采集模塊連接后，圖像成像模塊將圖像傳感器獲取的數據實時傳輸至圖像采集模塊。此時，需要設計基于Matlab圖像采集工具箱的圖像采集、處理與顯示平臺。

圖像采集工具箱是Matlab計算環境能力擴展的一個功能集合，其提供了一系列函數，允許用戶將各種相機連接至Matlab或Simulink數值計算環境。同時，該工具箱允許用戶交互式地檢測與配置硬件環境、實現了在線圖像處理、硬件觸發圖像采集、圖像后臺采集、多相機同步采集等功能。該工具箱對主流的硬件廠家，如USB3 Vision、 GigE Vision等提供了驅動支持。同時，為擴展系統的硬件支持能力，工具箱提供了高級適配器定制能力，使得用戶可以將第三方設備連接至工具箱。基于Matlab圖像采集工具箱的圖像實驗平臺軟件結構如圖4所示。

圖4 圖像實驗平臺軟件結構

其中平臺硬件環境是如圖1所示的實驗平臺硬件，圖像采集卡驅動動態庫是基于采集卡硬件廠商或自制采集卡提供的硬件驅動程序，Matlab的Adapter適配器是連接Matlab圖像采集工具箱與硬件廠商驅動的標準適配器接口，以動態庫形式供Matlab動態加載或卸載。該動態庫基于C++框架，用戶可以根據該框架創建適合于任意采集卡硬件的適配動態庫軟件。通過該適配器，實現了Matlab圖像采集工具箱與采集硬件環境的連接。通過Matlab圖像采集工具箱提供的豐富函數接口，實時從現場采集圖像數據，從而在Matlab或Simulink環境下實現各類圖像處理實驗項目。

2 實驗項目設計

根據圖像處理教學任務和創新性實驗的需求，本實驗平臺可支撐的實驗項目如表1所示。

表1 平臺可支撐的實驗項目

3 實驗平臺實現

根據本文設計的實驗平臺如圖5所示。該平臺采用自制的圖像成像模塊，見圖5(a)，該模塊除傳輸圖像的CameraLink接口外，還有一個串口控制接口，用于控制成像模塊的參數。圖像采集模塊采用商用的圖像采集卡IV VD4-CL，插入到通用計算機的圖像處理模塊，見圖5(b)。圖像成像模塊與圖像采集模塊之間采用CameraLink電纜連接。

圖6是基于該實驗平臺采集的圖像。圖6(a)是采集的畫報上人物圖像，圖6(b)是采集標準測試圖像。圖像采集至Matlab環境中后，可充分利用Matlab強大的數值計算能力，進行相關項目的實驗任務。該實驗平臺達到了設計要求，能支撐表1所列的實驗項目。同時，基于該實驗平臺，也可以開展相關的科研項目。

(a)成像模塊(b)插入有采集卡的計算機

圖5 實現的圖像實驗平臺

(a)采集的畫報圖(b)采集的標準測試圖

圖6 Matlab環境下的采集圖像

4 經濟性分析

本實驗平臺硬件環境由圖像成像模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊3個部分構成。基于不同硬件環境構成的實驗平臺，其價格存在較大差異，將實驗平臺分為最小系統和基本系統兩類實驗平臺，其構成類型見表2。用戶可根據實驗室經費建設額度和擬開展的實驗項目，對實驗平臺硬件環境和進行增減配置。

表2 實驗平臺構成類型

最小系統由1臺通用計算機和1個USB攝像頭構成，其需求的經費最少。因為USB攝像頭的輸出是經過預處理后的圖像，所以最小系統不能開展圖像預處理類的相關實驗項目。

基本系統是在最小系統基礎上，增加自制成像模塊和圖像采集卡。除計算機外，基本系統的成像模塊和CameraLink采集卡的自制成本可控制在3 000元以內。由于自制的成像模塊能提供圖像傳感器的原始成像數據，因此，相對于最小系統，可以進行所有實驗，滿足現有圖像處理課程教學的所有實現項目需求。同時，也可用于相關產學研項目的前期研究。最小系統和基本系統的軟件實驗系統是相同的，沒有差異。

5 結 語

本文提出了一種基于Matlab圖像采集工具箱的圖像處理實驗平臺。該平臺擴展性強，可根據實驗室建設經費額度，構建不同成本的圖像處理實驗平臺。也可根據實驗項目差異，構建不同結構的實驗平臺。基于該實驗平臺開展實驗，使得學生能更好地理解相關技術理論，增強學生的動手能力，提高學生的現場實際體驗，調動學生的學習積極性和創造性，培養在工程實踐中發現問題、解決問題的創新型技術人才。

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Platform Design for Image Processing Experiments Based on Matlab Image Acquisition Toolbox

FU Zhizhong， ZHAO Yufei， ZHOU Ning， LI Xiaofeng， XU Jin

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731, China)

Based on Matlab image acquisition toolbox, an image data processing software and hardware platform is proposed in this paper. With the help of Matlab image processing and acquisition functions, real-time image can be captured from the image sensor and processed at once. Compared with the state-of-art image processing platform, the proposed experimental platform can provide more experimental projects and experimental experience, improve the effect of students' on-the-spot experiment, and make students focus on the innovative ideas and algorithm design in processing experiment projects.

image processing; image acquisition toolbox; experiment project; algorithm design; experimental platform design

2016-11-15

國家自然科學基金項目(61075013,61671126)

傅志中(1970-)，男，重慶人，博士，副教授，現主要從事信號檢測、圖像處理與實時實現技術研究及相關教學工作。

Tel.：18010625062； E-mail：fuzz@uestc.edu.cn

TP 334

A

1006-7167(2017)08-0100-04