基于機器視覺的數字圖像處理系統設計

許春和，孫培剛，張全禹，羅永輝

（綏化學院，黑龍江 綏化 152061）

數字圖像處理是把圖像信號轉為數字信號，借助計算機完成相應的處理。早期，圖像處理主要是提升圖像質量，改善視覺效果，一般使用增強、壓縮等多種方法。伴隨著科技的快速發展，數字圖像處理技術獲得較好的發展，并且備受重視。現階段，數字圖像處理技術在多個行業得以應用，尤其是在大數據以及人工智能的飛速發展中，難免會關聯到圖像領域的專業知識，依托機器視覺技術，合理進行數字圖像處理系統設計至關重要，在提升數字圖像處理效率的同時，還能夠提升圖像處理質量。

1 機器視覺技術的概述

機器視覺技術是一門交叉學科，涉及多個領域，如人工智能、圖像處理以及計算機科學等，機器視覺是借助計算機，模擬人的視覺功能，從圖像中提取信息進行處理，并應用于檢測、測量中。該技術具有極大的優勢，不僅具有龐大的信息量和功能，還具有極快的速度。例如，在禽蛋品質的檢測中，該技術的應用效果遠超于人工檢測，蛋品的主要特征是形狀、大小，基于機器視覺技術，既能夠避免人為因素產生的影響，又可以定量描述各項指標，盡可能降低檢測誤差。當前，機器視覺技術已經廣泛應用于各個行業，該技術能夠在短時間內獲得大量信息，并自動完成處理，在一些高危作業場景中，或者是人工視覺無法滿足實際需求時，便借助機器視覺技術，以提升檢測質量和效率。機器視覺涉及了模式識別、圖像處理等，專注于集合機械，主要是為了檢測存在的缺陷問題，提升機械操作效率，確保產品的安全。

2 基于機器視覺的數字圖像處理系統設計原則

2.1 面向用戶

數字圖像處理系統主要面向廣大數碼用戶，用戶作為使用者、評價者，在系統設計中應堅持結合用戶需求，從用戶角度出發，為了確保功能更加完善，在設計前期需要深入了解用戶的實際需求，并依據機器視覺以及數字圖像處理的特點，經過共同協商，改善工作效率和質量，達到較好的效果。

2.2 按階段進行

數字圖像處理系統的設計是一項較為復雜的過程，整個設計過程劃分為多個環節，而每一個環節又分為多個步驟，每一個步驟都需要制定明確的目標，只有在有序安排下，才能夠合理安排計劃，并為之后的設計工作奠定基礎，促進工作效率和質量的提升。

2.3 采用快速原型法

基于機器視覺的數字圖像處理系統設計，比較重要的一個方法是快速原型法，主要是依據用戶的實際需求，確定系統的功能與要求，快速構建一個信息系統模型，在此基礎上，用戶可以提出相應的整改意見，設計人員不斷進行完善，直至達到用戶滿意，從而形成相對穩定的系統，這一方法的優勢是圍繞一個模型展開所有的問題，便于與用戶實際需求相結合，將原型和用戶聯系在一起對設計人員起到啟發作用，在不斷完善中獲得較為理想的系統。系統具有較高的開發效率、可擴展性，該方法極具靈活性，設計周期比較短，修改較為便捷，主要是在原型基礎上，加以完善，擴展性較強。

2.4 采用系統觀點處理

對于系統的分析，在原有基礎上，構建最佳邏輯模型，用戶能夠對系統的輪廓有大致了解，設計人員可以與用戶進行探討，不斷完善系統。在此基礎上，有效進行系統設計，完成模型的功能，邏輯設計以及物理實現，這兩者之間有著密切的關系，能夠確保系統更加合理。系統設計是基于計算機視角，對整個系統進行校審，將系統劃分為不同模塊，實現特定功能，各模塊具有獨立性，在系統設計、維護等方面較為便捷，模塊化結構的設計方法也能夠促進系統設計的順利進行。

3 基于機器視覺的數字圖像處理系統設計

3.1 同步分離電路設計

與平常圖像處理系統相比，基于機器視覺的數字圖像處理系統有較大的差異性，能夠同時使檢測電路、采樣控制電路與電源連通，在可編程定時控制電路中，完成相應的設計，提升系統的控制能力。為保證系統運行的有效性，每一配置都需要嚴格把控，將芯片時間參數控制在合理范圍內，在使用時，采用74S***或74F***系列芯片。對數字圖像信號而言，其負脈沖一般處于-0.2 V之上，且超過零伏。對于其同步信號，使用電子比較器，對于同步分離電路的調試，最好將lm311輸出擴大化，使基線同步脈沖寬度保持在特點范圍內，處于5.7μ至6μ秒之間即可，使其一直高于零電平。

3.2 采樣窗口控制電路設計

依據采樣窗口控制電路原理，明確圖像采集的采樣行數，應具體到每一幀，對于可編程計數器計數長度，使用行數與652H相乘可得。在數字圖像處理中，為了防止圖像信號儲存于存儲器，或者在其中傳輸，就需要使該行數值超出23。若U6可編程計數器處于模式1運行狀態下，對于每幀數字圖像采樣的行數，由其決定，計數長度便是這一行數值，而U7可編程計數器0，與模式5狀態下運行，對每一幀數字圖像采樣時間起著決定作用。

3.3 數字圖像收集器設計

基于機器視覺計數，將解碼芯片輸入晶振，設定為24.576 MHz，在系統運行中，應確保與相應的頻率規定相符，解碼芯片頻率設為13.5 MHz，文章以256灰度圖像作為主要研究對象，借助PAL機制，將圖像采集信號輸入進去，將其和系統運行速度需求結合在一起，完成芯片配置。在數字圖像采集器中，借助解碼芯片，能夠向用戶提供寄存器設定方式，其一為邊界掃描測試，其二為12C總線控制。依據系統設計方案，借助單片機I/O接口，將其和12C總接口進行模擬，將寄存器初始化。

3.4 明確數字圖像清晰度指標

數字圖像清晰度指標的確定，劃分相應的處理結果，先是用戶的主觀認定，后是清晰度的客觀認定，通過有效結合主觀、客觀清晰度認定，獲得數字圖清晰度的評估指標。針對用戶的主觀評價，只是用戶個人對數字圖像清晰度的一種判斷，評價結果受到用戶個人的色彩喜好，依據用戶主觀性認定指標是不合理的。針對數字圖像在機器視覺中的色彩、像素，數字圖像均值具有一定衡量作用，針對數字圖像處理的效果直接因素，數字圖像標準差能夠有效進行衡量，這也是離散程度的指標。因此，在系統設計中，應依據標準差、均值的范圍，明確清晰度評估指標。

3.5 文件操作模塊設計

在數字圖像處理系統中，文件操作模塊屬于較為基礎的部分，該模塊的存在主要實現打開、轉換格式、修改保存等操作，如圖1所示，為文件操作模塊的功能結構圖。使用GDI+，將圖像以文件形式呈現出來，通過創建Image類新對象，創建Graphics對象，用于引用繪圖圖畫，并調用其DrawImage方法，在繪圖表面，繪制圖像，在設計過程中，借助圖像編輯器，對圖像文件進行創建、編輯，在運行過程中，使用GDI+將圖像呈現出來。在文件操作模塊，對于拍攝的圖像，用戶能夠展開文件操作，借助編輯模塊，在修改后保存，或者打印輸出，完成數字圖像的格式轉換，較為常用的有JPG、GIF、WMF等。用戶在具體操作中，需要先獲取圖像文件的路徑名稱，以此進行處理，當文件另存時，彈出相應的保存對話框，選擇需要保存的類型、路徑，將文件輸入，調用相應格式，完成文件保存。對于修改后的圖像文件，是在原有基礎上保存的，取得文件名后，便可完成保存操作。

圖1 文件操作模塊的功能結構圖

3.6 視圖設置模塊設計

視圖設置可以更改系統顯示方式，由于系統中欄目較多，用戶需求不同，欄目的顯示需求也各不相同，對于部分用戶而言，一些欄目不需要顯示，借助視圖設置，靈活顯示或者隱藏，并設置相應的查看方式，用戶可以根據自己需求，查看不同大小圖標的顯示效果。對于欄目的顯示、隱藏功能，主要是借助控件的Visible實現，取其反值便可以自由切換顯示與隱藏功能，從菜單中的選中、不選中，便可以完成相應的操作。視圖更改是由ListView和View屬性完成的，View屬性允許指定ListView控件，用于顯示類型，可以將View屬性設為大、小圖標顯示。詳細資料視圖允許查看項，并且允許查看指定的任意子項，這也是向用戶展示數據庫信息的重要方式。對于ListView控件的多數屬性，會對視圖操作、顯示方式產生影響，在View設為特定值時，影響項視圖的部分屬性才會有用，其他屬性在全部視圖中都有用。平鋪視圖是在左側顯示大圖標，在右側顯示文本信息，從而將每個項顯示出來，在默認情況下，只會將項標簽對應的第一個子項顯示出來，想要將其他子項顯示出來，就需要在Columns集合中，添加ColumnHeader對象。在平鋪視圖中，想要控制平鋪單元的大小，就需要設定TileSize屬性，若子項文本過長，通過設定ListView顯示方式，添加相應的標題，在視圖更改時，變換ListView中的View屬性，獲得不同顯示方式，避免文本換行。

3.7 圖像編輯模塊設計

在數字圖像處理系統中，圖像編輯模塊屬于核心部分，完成相應的編輯操作，其中包括復制、粘貼、插入、剪切、清空等功能。圖像編輯是在打開圖像后，選擇剪切、復制圖像，在保存前，需要將圖像清空，然后再進行粘貼、保存，如果需要添加文字，則需要插入文本，完成文字編輯后，在圖像中任意位置插入。復制與剪切較為相似，復制是將制定區域復制過來，而剪切則是在復制操作基礎上，將該區域以白色填充，完成復制、剪切操作。文本插入是在圖像任意位置插入文字，可以自由設置文字的顏色、大小、字體等，便于用戶添加注釋。

3.8 圖像處理模塊設計

圖像處理是進行旋轉、縮放、顏色處理等操作，基于機器視覺技術，數字圖像處理效率更高，質量更高。數字圖像的放大和縮小是按照一定比例，將其放大或者縮小，圖像旋轉是按照特定角度進行旋轉，借助GDI+和Graphics類，采圖像幾何轉換方法，完成各種角度的旋轉。圖像特效處理是借助一些方法，處理數字圖像中的像素點，賦予其新的像素點，完成處理后，呈現清晰度更高的圖像。針對圖像多次縮小，再放大時出現失真現象，由于普通的圖像格式是由像素點構成的，經過放大、縮小操作后，過渡像素丟失，使得圖像失真，再視覺上呈現模糊感，基于機器視覺，依據清晰度指標，有效解決這一問題，在放大操作中，將原始圖像執行縮小操作，待縮小至一定程度時，將其和之前的圖像進行對比，并借助原始圖像，完成相應的縮小操作。圖像失真對應用效果產生較大的影響，想要解決圖像失真問題，可以借助相應的工具，設置好放大倍率，調整好圖像的方式，使圖像放大后的邊緣更加清晰。

4 系統測試

基于機器視覺設計的數字圖像處理系統，為了驗證其實用性，需要對其性能進行測試，通過測試其吞吐量以及處理效率，獲得相應的結論，數字圖像的幀數愈多，系統的吞吐量也會隨之增加，與普通系統相比，基于機器視覺的系統設計，其吞吐量相對較高，主要是因為，在機器視覺技術的支撐下，能夠防止噪聲的干擾，促進系統網絡吞吐量的大幅提升。在數字圖像處理中，當數字圖像樣本的數量增加時，處理效率也都保持在較高的水平，有效確保圖像的處理質量，在數字圖像處理前，借助機器視覺理論，提取其像素特征，并進行清晰化處理，從而使得圖像處理效率大幅提升。

5 結語

現階段，數字圖像處理系統需要耗費較長時間，且處理效果較差，基于此，文章以機器視覺技術作為基礎，提出了數字圖像處理系統的設計，依托機器視覺技術，完成系統多個模塊的設計，不斷優化系統，促進圖像處理效率和質量的提升，從而獲得較好的處理效果。