高位數(shù)數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)品?/p>

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

目前圖像傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，其主要民用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楸O(jiān)控、機(jī)器人及高精度測(cè)量等。軍用應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)測(cè)量和光電經(jīng)緯儀等。

20世紀(jì)90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像傳感器大都采用數(shù)字圖像的輸出方式；隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的精度提高，目前的圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像大都采用高位數(shù)圖像，即采用10bit、12bit、14bit、16bi形式。目前大多數(shù)工控機(jī)平臺(tái)采用Windows系統(tǒng)，Windows系統(tǒng)要求的灰度顯示位數(shù)為8bit，因此要顯示高位數(shù)圖像必須首先將高位數(shù)圖像轉(zhuǎn)換為8bit圖像，在工控機(jī)平臺(tái)上顯示及通過輸出卡輸出模擬圖像。

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(jī)為顯示系統(tǒng)功能核心。各部分完成功能如下。

1）工控機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)采集進(jìn)來(lái)的高位數(shù)數(shù)字圖像進(jìn)行拉伸處理，提供拉伸后8bit數(shù)字圖像，作為輸出數(shù)據(jù)源。

2）數(shù)字采集采用數(shù)字圖像采集卡，負(fù)責(zé)采集數(shù)字圖像。

3）模擬輸出采用標(biāo)準(zhǔn)模擬圖像輸出卡，將運(yùn)算后的8bit圖像進(jìn)行輸出。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 工控機(jī)

工控機(jī)選用CONTRON公司生產(chǎn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，可支持3.0GHz Q9650處理器，前端總線達(dá)800 MHz；可支持通道DDR3內(nèi)存，最大可擴(kuò)展到8G，本系統(tǒng)采用4G內(nèi)存；擁有1個(gè)PCIe×16插槽及1個(gè)PCIe×4插槽；支持雙SATA硬盤（雙500GB硬盤）。

2.2 數(shù)字圖像采集卡

數(shù)字圖像采集卡選用加拿大DALSA公司生產(chǎn)的OR-X4C0-XPD00數(shù)字圖像采集卡。

主要特點(diǎn)有：

1）支持CameraLink接口采集。

對(duì)此，有冷眼旁觀者認(rèn)為是早期勞工移民開啟了海外僑民好面子逞強(qiáng)的壞習(xí)慣，“為了證明自己很成功，他們背負(fù)了太重的負(fù)擔(dān)。有人打好幾份工，但是回到家，卻顯得好像自己是百萬(wàn)富翁一樣。我們所有人都知道，卻不戳穿他們。他們想要花錢買來(lái)這種關(guān)注感、這種自豪感，那我們順著捧場(chǎng)唄。”⑤訪談前政府職員、現(xiàn)自由職業(yè)者BG，男，28歲。普通民眾捧場(chǎng)的方式就是在皇后加冕夜、在節(jié)慶大游行上對(duì)男男女女的僑民們歡呼致意，與僑民們的自我展示和“炫耀”形成一來(lái)一回的互動(dòng)。僑民在民眾的追捧中，達(dá)到最大的滿足感，更大的滿足感伴隨著更大的代價(jià)和負(fù)擔(dān)。

2）支持外觸發(fā)信號(hào)輸入，包括幀/場(chǎng)模式或異步復(fù)位模式。

3）4M卡內(nèi)視頻傳輸內(nèi)存。

4）采集卡采樣頻率為85 MHz，完全滿足要求。

2.3 模擬視頻輸出卡

標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出卡選用加拿大Matrox公司生產(chǎn)的VIO采集卡。主要特點(diǎn)有：

1）HD/SD、RGB NTSC/PAL視頻采集。

2）HD/SD、RGB NTSC/PAL輸出。

圖2 采集卡頂視圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出卡頂視圖

3 系統(tǒng)軟件配置

3.1 噪聲去除

對(duì)于自然景物的數(shù)字圖像，鄰近點(diǎn)之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，一點(diǎn)的灰度值與周圍點(diǎn)的灰度值十分接近，而孤立點(diǎn)（一般認(rèn)為是噪聲）卻沒有此特征。據(jù)此特征提出了在行、列方向上進(jìn)行孤立點(diǎn)濾除的濾波算法。方法簡(jiǎn)單，耗時(shí)短。噪聲去除效果如圖4所示。

行方向?yàn)V波公式：

列方向?yàn)V波公式：

圖4 濾波效果比較圖

3.2 圖像拉伸

3.2.1 線性灰度變換方法

圖像拉伸算法通常采用線性灰度變換方法。線性灰度變換法是將圖像灰度級(jí)的整個(gè)范圍或其中某一段按某種線性關(guān)系擴(kuò)展或壓縮到系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，以便充分顯示出圖像的細(xì)節(jié)。

A為原始紅外圖像低端灰度，B為原始紅外圖像高端灰度，X為增強(qiáng)圖像后低端灰度，Y為增強(qiáng)圖像后高端灰度，Z為原始紅外圖像像素灰度，Z′為增強(qiáng)圖像后像素灰度。

3.2.2 冪次函數(shù)灰度變換方法

冪次函數(shù)灰度變換方法和線性灰度變換方法相比可顯著提高目標(biāo)的對(duì)比度，擴(kuò)展目標(biāo)和背景的差別，提高視覺靈敏度。

圖5 灰度變換處理效果比較圖

圖5中左圖為線性灰度變換方法效果圖；右圖為冪次灰度變換方法效果圖；可以看出冪次函數(shù)灰度變換方法和線性灰度變換方法相比，層次感鮮明。

4 系統(tǒng)軟件配置

本文以工控機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了高位數(shù)數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)。給出了具體的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定可靠，在實(shí)際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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