基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

李西鋒

摘要：隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷升級(jí)，基于圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。該檢測(cè)系統(tǒng)目前在工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控、精密測(cè)量等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其不僅可以減少檢測(cè)人員的工作量，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)間斷地連續(xù)檢測(cè)，同時(shí)也大大提高了檢測(cè)、測(cè)量精度。近年來(lái)隨著圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)也需要做出突破，改善檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：圖像處理；HOUGH變換；檢測(cè)系統(tǒng)

在日常的生活生產(chǎn)之中，圖像信息的獲取始終是我們了解外界最主要方式。在圖像分析時(shí)對(duì)于圓形圖像的分析十分基礎(chǔ)，目前基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)大多基于對(duì)圓形圖像的分析處理，可以大大提升檢測(cè)工作的精度及效率，目前主流的檢測(cè)系統(tǒng)都是在圖像處理的基礎(chǔ)上利用HOUGH變換進(jìn)行檢測(cè)。但隨著圖像采集、處理技術(shù)的不斷升級(jí)以及檢測(cè)要求的提高，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要做出改進(jìn)，本文也將對(duì)此進(jìn)行探析。

1檢測(cè)系統(tǒng)的組成

基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)傳來(lái)的圖像進(jìn)行分析并提取數(shù)據(jù)參數(shù)，在中信息的提取工作中檢測(cè)系統(tǒng)需要按照一定地規(guī)則進(jìn)行，目前主要采用的是對(duì)圓形進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。

目前檢測(cè)系統(tǒng)中首先是對(duì)圖像信息進(jìn)行采集的部分，目前主要使用的是CDD攝像器件。利用CDD攝像器件采集的圖像最終呈現(xiàn)方式為橫豎排列的像素，而后這些像素信息再經(jīng)由光敏二極管轉(zhuǎn)化為電荷包，像素信息便可以通過(guò)電荷包的帶電量表珊”。隨后CDD攝像器件再利用移位寄存器的原理將電荷包的帶電量信息通過(guò)電荷的傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍畔⑤敵?，這樣檢測(cè)系統(tǒng)中的圖像分析設(shè)備便可以電流信號(hào)進(jìn)行分析并獲取圖像信息。將圖像的像素信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)輸出是CDD攝像器件獨(dú)有的特點(diǎn)，區(qū)別于其他圖像獲取設(shè)備傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)，電流信號(hào)更加靈敏也更加精確，同時(shí)在CDD攝像器件信號(hào)傳輸電路中還應(yīng)用了場(chǎng)效應(yīng)管電路以提升信噪比減少信號(hào)的失真。另外在檢測(cè)系統(tǒng)的圖像采集環(huán)節(jié)中，通常還會(huì)輔以LED等補(bǔ)充光源，以確保圖像采集環(huán)境滿足CDD攝像器件的工作要求。

CDD攝像器件在完成圖像采集工作后，其生成的信號(hào)電流會(huì)被傳輸至信息分析處理系統(tǒng)之中，這也是檢測(cè)系統(tǒng)的核心。目前對(duì)于圖像信息的分析是利用計(jì)算機(jī)主機(jī)將電流傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像信息。而現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)主機(jī)大多利用PCI主線系統(tǒng)連接了圖像采集卡，由圖像采集卡完成初始的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換。而圖像采集卡在完成圖像轉(zhuǎn)換之后，會(huì)將得到的圖像信息存儲(chǔ)于自身的存儲(chǔ)單元之中，而計(jì)算機(jī)主機(jī)在進(jìn)行圖像分析時(shí)便可以在圖像采集卡中調(diào)取每一幀圖像，提升了圖像分析處理效率。而在進(jìn)行圖像信息轉(zhuǎn)換后，計(jì)算機(jī)主機(jī)便可以利用HOUGH轉(zhuǎn)換等手段進(jìn)行圖像信息分析與檢測(cè)。

檢測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)組成部分便是數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要是將采集到的圖像信息經(jīng)過(guò)預(yù)處理通過(guò)顯示器等設(shè)備加以呈現(xiàn)。同時(shí)信息輸出系統(tǒng)也需要將檢測(cè)結(jié)果加以整合匯總，以報(bào)告的形式呈現(xiàn)，完成全部的檢測(cè)工作。

2檢測(cè)系統(tǒng)的圖像處理基礎(chǔ)

在檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程中，CDD攝影器件將圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，之后再經(jīng)由圖像采集卡將之還原為數(shù)字圖像信息。在這一過(guò)程中，圖像的質(zhì)量在不斷的格式轉(zhuǎn)變過(guò)程中難以得到保障，這也為后期的圖像分析及檢測(cè)工作帶來(lái)了難度，因此對(duì)于圖像的后期處理十分關(guān)鍵。早期對(duì)于圖像的處理過(guò)程通常是對(duì)于畫(huà)質(zhì)的加強(qiáng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用圖像復(fù)原及增強(qiáng)等技術(shù)手段讓最終呈現(xiàn)的圖像更加清晰。但是這一圖像處理工作的主要對(duì)象是人，而在檢測(cè)系統(tǒng)中圖像處理工作是為后期的系統(tǒng)圖像識(shí)別服務(wù)，因此其處理過(guò)程也有所不同。當(dāng)下檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于圖像的處理主要是通過(guò)灰度變換、幾何矯正等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)于圖像的降噪，讓系統(tǒng)更易提取圖像中的信息并加以檢測(cè)。

在進(jìn)行圖像處理工作之時(shí)，首先需要確定圖像的表示模型，目前主流的圖像表示模型有RGB顏色表示模型及HSV模型兩種。其中RGB顏色表示模型是基于人眼視覺(jué)對(duì)于紅、綠、藍(lán)三種顏色較為敏感的特性建立的，以此三種基礎(chǔ)原色作為坐標(biāo)軸建立三維坐標(biāo)系，求得圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的色彩坐標(biāo)便可以建立色彩表示模型。而HSV模型的建立基礎(chǔ)也是人眼的視覺(jué)原理，在人進(jìn)行視覺(jué)信息獲取時(shí)，色調(diào)、飽和度及亮度是最為基礎(chǔ)的要素，HSV模型正是利用這三個(gè)要素建立參數(shù)體系實(shí)現(xiàn)圖像表示模型的建立。不過(guò)雖然RGB顏色表示模型及HSV模型的原理都是基于人眼特性，但是它們之間的轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此在圖像處理過(guò)程中通常只選用一種圖像表示模型，目前主流使用的是RGB顏色表示模型。在確定了圖像的表示模型之后，由于圖像的存儲(chǔ)、調(diào)取及分析處理過(guò)程都是經(jīng)由計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行的，因此其存儲(chǔ)格式的確定也很關(guān)鍵。目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中圖像的存儲(chǔ)格式多種多樣，在檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通常選取的都是bmp格式。bmp格式作為目前主流windows系統(tǒng)自帶的位圖格式，兼容性較好而且其存儲(chǔ)的圖像文件也不會(huì)出現(xiàn)失真，可以滿足檢測(cè)工作的要求。

隨后開(kāi)始的圖形處理工作主要分為幾個(gè)類型，首先便是對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。在圖像采集過(guò)程中，空氣中的灰塵、攝像頭上的污漬以及光照的斑點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致圖像上出現(xiàn)不均勻的像素點(diǎn)，而這些像素點(diǎn)會(huì)干擾后期的圖像檢測(cè)工作。在進(jìn)行圖像預(yù)處理時(shí)，這些不均勻的像素點(diǎn)會(huì)在圖像信息中呈現(xiàn)一種高頻狀態(tài)，目前主要使用的低通濾波器便可以有效排除這些高頻的分量，從而達(dá)到圖像降噪的效果。不過(guò)單純地使用低通濾波可能出現(xiàn)對(duì)于有效信息的阻隔，因此近年來(lái)逐步開(kāi)始應(yīng)用中值濾波法，中值濾波法雖然也是一種低通濾波法，但其是通過(guò)對(duì)于部分區(qū)域取均值進(jìn)行高頻分量阻隔，可以有效避免有效信息的阻隔，讓圖像預(yù)處理過(guò)程更加精確。

經(jīng)過(guò)濾波預(yù)處理后，圖像中因?yàn)橥饨缫蛩馗蓴_所產(chǎn)生的不均勻像素點(diǎn)基本得到了去除，圖像也可以如實(shí)反應(yīng)物體的實(shí)際信息。但是在檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用過(guò)程中，部分圖像文件中的像素呈現(xiàn)不足以完成后期的檢測(cè)工作，因此在濾波的基礎(chǔ)上還需要對(duì)于圖像進(jìn)行增強(qiáng)。當(dāng)下主流的圖像增強(qiáng)方法為灰度直方圖均衡化，這一方法是通過(guò)灰度映射函數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)圖像的灰度直方圖加以改變，保證每一灰度均有相同的像素點(diǎn)，這樣便于統(tǒng)一圖像標(biāo)準(zhǔn)，也為隨后的圖像分割操作提供了便利。經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)操作之后，便要進(jìn)行圖像的直方圖切割操作，圖像的直方圖切割是將需要進(jìn)行檢測(cè)的對(duì)象圖像與背景相分離。目前在這一過(guò)程中主要使用的方法為二值法，即在之前的圖像增強(qiáng)工作中在讓檢測(cè)對(duì)象在其圖像的輪廓處出現(xiàn)灰度的突變，之后在通過(guò)對(duì)灰度的檢測(cè)確定目標(biāo)對(duì)象的圖像范圍。在此之后需要對(duì)于對(duì)象進(jìn)行邊緣檢測(cè)，利用邊緣處二次導(dǎo)數(shù)為零的特性分析邊緣是否準(zhǔn)確。最后再對(duì)處理后的圖像進(jìn)行細(xì)化處理，找出圖像的骨架結(jié)構(gòu)，去除冗余信息量，完成前期的圖像處理工作。

3檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析

目前基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)所運(yùn)用的軟件系統(tǒng)大多都是基于Visual C++進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)檢測(cè)工作的實(shí)際進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。而檢測(cè)系統(tǒng)中軟件主要分為三個(gè)模塊，分別是圖像采集顯示模塊、圖像處理模塊以及數(shù)據(jù)輸入輸出模塊，利用這三個(gè)模塊軟件系統(tǒng)可以完成整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。而且軟件設(shè)計(jì)人員在滿足功能需求的同時(shí)也要考慮操作人員的使用實(shí)際，對(duì)于軟件界面進(jìn)行優(yōu)化，目前主要的顯示方式為多文檔顯示，將主窗口分為兩部分，其中一邊顯示處理分析之后的圖像文件，另一邊則利用工具欄顯示數(shù)據(jù)參數(shù)信息，讓檢測(cè)結(jié)果更加直觀。

軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)便是其算法，在當(dāng)前的檢測(cè)系統(tǒng)中由于分析過(guò)程大多基于圓形檢測(cè)因此可以選用經(jīng)典的HOUGH變換，這樣不僅可以減少噪聲對(duì)于圖像檢測(cè)過(guò)程的干擾，也便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行運(yùn)算，提升檢測(cè)工作效率。在圓形檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)目標(biāo)范圍的確定可以確定平面中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)，在后期對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行分析運(yùn)算時(shí)其半徑r及對(duì)應(yīng)的x，v坐標(biāo)的求解最為關(guān)鍵。HOUGH變換的原理是在圖像平面中確定一個(gè)圓形，之后其中任意一點(diǎn)都會(huì)滿足參數(shù)方程（a-x）2-（b-y）2=r2，即任意一點(diǎn)的坐標(biāo)都對(duì)應(yīng)了一個(gè)圓錐曲面，由于之前確定的平面范圍為一個(gè)圓周，因此這一范圍所有圓錐曲面所形成的圓錐曲面簇會(huì)交于一點(diǎn)（ao，bo，ro），這點(diǎn)便對(duì)應(yīng)了所圈定的圓周的圓心坐標(biāo)及半徑。而在檢測(cè)過(guò)程中HOUGH變換的工作模式是確定圓心坐標(biāo)，隨后逐步增大半徑，經(jīng)過(guò)重復(fù)運(yùn)算確定不同半徑上的各點(diǎn)坐標(biāo)，直至圓的范圍超出圖像邊界為止。這一算法雖然可以求得所有點(diǎn)的坐標(biāo)，但是計(jì)算量過(guò)大，而在前期通過(guò)二值法圖像增強(qiáng)及圖像細(xì)化過(guò)程中骨架的確定可以有效減少冗余的計(jì)算量，提升檢測(cè)速度。另外在使用檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)之前，還需要對(duì)于CDD攝影器材的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并測(cè)試其精度，根據(jù)測(cè)試結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)軟件設(shè)計(jì)參數(shù)，確保檢測(cè)的準(zhǔn)確。

4結(jié)束語(yǔ)

在目前的工業(yè)生產(chǎn)及日常生活之中，基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用愈加廣泛，但是隨著圖像采集手段的更新及檢測(cè)要求的提升，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要做出升級(jí)。目前基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)CDD攝影器材采集的圖像信息進(jìn)行降噪、增強(qiáng)等處理，并利用二值法確定目標(biāo)圖像范圍，細(xì)化圖像骨架。而后要基于HOUGH變換算法設(shè)計(jì)分析軟件系統(tǒng)，提升其工作效率更好地滿足檢測(cè)工作需求。