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标题 模糊图像信息数据高速采集系统设计
范文 李乐平



摘 要： 基于各领域对模糊图像显示效果、行为预测准确性和采集效率的要求，设计高性能的模糊图像信息数据高速采集系统。系统的模糊图像处理模块对模糊图像信息数据进行光栅化操作，并将得到的黑白像素图像进行渲染。色彩填充模块中的顶点着色器和像素着色器，分别对渲染后的黑白像素图像进行局部和整体的色彩填充，所得到的模糊图像的全彩图像将传输到计算机显示器进行显示。软件利用Kalman滤波对模糊图像信息数据进行处理。实验结论表明，所设计系统拥有较高的显示效果、行为预测准确性和采集效率。
关键词： 模糊图像； 高速采集系统； 系统设计； Kalman滤波
中图分类号： TN911.73?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0110?04
Design of high?speed acquisition system for fuzzy image information data
LI Leping
（Neijiang Vocational & Technical College， Neijiang 641000， China）
Abstract： Aiming at the requirements of each field for the fuzzy image display effect， behavior prediction accuracy and collection efficiency， a high?performance and high?speed acquisition system of the fuzzy image information data was designed. The fuzzy image processing module of the system performs the rasterization operation of the fuzzy image information data， and renders the acquired black and white pixels image. The vertex shader and pixel shader in the color filling module perform the local filling and overall color filling respectively to the rendered black and white pixels image. The full?color image of the obtained fuzzy image is transmitted to the computer display for displaying. The Kalman filtering is used in the software to deal with the fuzzy image information data. The experimental conclusion shows that the system has high display effect， behavior prediction accuracy and acquisition efficiency.
Keywords： fuzzy image； high?speed acquisition system； system design； Kalman filtering
0 引 言
图像信息数据高速采集系统在公安、消防、航空、航天等领域的应用很广。受物体运动速度的限制，高速运动物体产生模糊图像的几率很大。很多时候，模糊图像中所涵盖的信息数据是非常重要的，对模糊图像信息数据的高速采集渐渐成为科研组织的重点关注项目[1?3]。以往研究出的模糊图像信息数据高速采集系统使用的采集多种多样，但依旧无法满足各领域对模糊图像显示效果、行为预测和系统采集效率的要求[4?6]。
以往研究出的模糊图像信息数据高速采集系统的性能侧重点不同，但均无法达到高性能设计，如文献[7]设计基于FC?AE?ASM的模糊图像信息数据高速采集系统，该系统是在航空信息采集系统的基础上设计出的模糊图像信息数据高速采集系统，其能够实现模糊图像信息数据的超高速采集。整个系统的预测水平和显示水平均很高、采集效率尚可，但价格昂贵，在日常企业中的应用较少。文献[8]设计基于PXI总线的模糊图像信息数据高速采集系统，其着重进行了模糊图像恢复的显示端设计，利用高性能的显示处理器优化采集资源，实现了系统对模糊图像较高水平的显示，但该系统的采集效率仍有较大的可提升空间。文献[9]设计基于FPGA和USB的模糊图像信息数据高速采集系统，该系统在保证显示水平的基础上，利用FPGA和 USB有效提高了系统的处理和存储采集效率。但系统的功能较为简单，仅适用于对模糊图像信息数据高速采集系统要求不高的领域。
为提高以上系统对模糊图像的显示效果、行为预测准确性和采集效率，设计高性能的模糊图像信息数据高速采集系统。实验结论表明，所设计系统拥有较高的显示效果、行为预测准确性和采集效率。
1 模糊图像信息数据高速采集系统设计
模糊图像信息数据高速采集系统的硬件设备较多，系统利用视觉处理器、坐标处理器、片段处理器和着色器等设备进行模糊图像信息数据的采集，并利用Kalman滤波进行辅助运算，实现了系统对模糊图像的高水平显示、行为准确预测和高速采集。整个系统的运行流程均可通过计算机进行观察。
1.1 模糊图像处理模块设计
模糊图像处理模块选用视觉处理器、帧缓冲器、坐标处理器以及片段处理器进行模糊图像信息数据的处理。视觉处理器（GPU）是一种专门针对图像处理、解放计算机CPU图像处理任务的显示芯片。在进行模糊图像信息数据的处理中，目标图像坐标值的获取是视觉处理器的基础工作。目标图像的坐标值经由坐标处理器进行处理后，将传送到帧缓冲器临时存储。坐标处理器先将目标图像的立体坐标值变换成二维平面坐标，再经由光栅化操作将模糊图像变为栅格图像，并对栅格图像进行分块恢复处理，进而得到黑白像素图像。
若想要读取模糊图像的黑白像素图像信息数据，则需要经由双向诊断控制接口连接帧缓冲器，将处理结果直接显示在计算机显示屏上。黑白像素图像需经渲染才能够得到与模糊图像色调相一致的图像，图1是模糊图像处理模块渲染管道结构图。
由图1可知，视觉处理器的渲染工作主要通过坐标处理器和片段处理器进行操作。坐标处理器和片段处理器所能容纳的存储量均很低，二者只能对模糊图像的黑白像素图像信息数据进行实时处理，其输出结果会被存储到帧缓冲器中。
坐标处理器对黑白像素图像信息数据的坐标值进行处理，处理结果将传送给片段处理器。同时，视觉处理器通过自身接口，将原模糊图像信息数据传送给片段处理器。片段处理器在接收原模糊图像信息数据前，会对其纹理内存进行模拟，以提高片段处理器的计算能力，方便模糊图像处理模块对黑白像素图像的零偏差渲染。
1.2 色彩填充模块设计
经视觉处理器渲染后的黑白像素图像信息数据，同原模糊图像信息数据仍存在一定的差别。故模糊图像信息数据高速采集系统在色彩填充模块中，引入着色器为图像进行进一步上色，进而还原模糊图像的实际画面。着色器分为顶点着色器和像素着色器。顶点着色器进行模糊图像中目标物体各边缘点的色彩填充，属于局部色彩填充；像素着色器进行模糊图像整体的色彩填充。将顶点着色器和像素着色器结合起来，同时对黑白像素图像进行色彩填充，这样既能保证模糊图像信息数据高速采集系统对模糊图像的显示效果，也能提高系统采集效率。
1.2.1 顶点着色器设计
顶点着色器对黑白像素图像的色彩填充与模糊图像处理模块的处理流程是相对应的，即模糊图像处理模块每对模糊图像进行一次处理，其处理结果均会传输到顶点着色器中进行色彩的实时填充。頂点着色器的结构如图2所示。
由图2可知，顶点着色器拥有强大的运算能力，其能够同时处理四种不同类型寄存器的传输数据。色彩空间通常被分为四种类型，分别为红色空间、蓝色空间、绿色空间和三原色混合空间。原模糊图像中的色彩被分类到四种色彩空间中，每种色彩空间选用的寄存器也不同，故顶点着色器中有4种不同类型的寄存器。
寄存器中除存储模糊图像色彩信息数据外，其他的模糊图像信息数据也会被实时、完整存入。输入寄存器中存入顶点坐标、预测位移、预测速度等数据信息；输出寄存器中存入顶点着色器的色彩填充结果；只读寄存器和常量寄存器直接受计算机管控，计算机会将模糊图像信息数据高速采集系统的着色算法和语言存入其中。只读寄存器也常被用作模糊图像中目标物体位置数据信息的临时存储区域。
顶点着色器能够实现模糊图像中边缘点的色彩精准填充，其细节处理较为完美。但若用顶点着色器进行大面积区域的色彩填充工作，则会降低模糊图像信息数据高速采集系统的采集效率，故系统利用像素着色器进行这一工作。
1.2.2 像素着色器设计
像素着色器对渲染后的黑白像素图像进行纹理内存取样和像素计算两种处理。图3是像素着色器结构图。
图3中，像素着色器的运算器能够为模糊图像信息数据高速采集系统提供加、乘、点积等运算，纹理内存取样和像素计算均在运算器中进行。运算器将原模糊图像信息数据中的纹理坐标进行取样，再通过像素计算获取其中的重要信息数据，像素着色器会根据像素计算结果为黑白像素图像进行大面积色彩填充。同时，顶点着色器的填充结果也会被传送至像素着色器的存入寄存器中，并通过运算器将两着色器的填充结果合成全彩图像，最终经由输出寄存器将模糊图像的全彩图像信息数据传输到计算机显示器中进行显示。
2 模糊图像信息数据高速采集系统设计
模糊图像信息数据高速采集系统对模糊图像信息数据的高效处理，是高速且准确地采集模糊图像信息数据的基础。处理结果若不准确，采集器进行的所有工作均为无效。系统利用Kalman滤波对模糊图像信息数据进行处理，使其更易被采集。
Kalman滤波是一种基于线性函数观测数据的最优估计方法，其每次对模糊图像信息数据的处理流程均会进行完好存储。当系统再次处理模糊图像信息数据时，会参考前一次的处理流程，并将参考值与实际处理结果进行对比和完善，直至得出最优处理结果。
软件进行了模糊图像模型的构建，利用Kalman滤波分析模糊图像参数，进而对模糊图像信息数据进行分裂处理，使其组合成平面模糊图像，这是由于平面模糊图像的信息数据更为直观。
假设以一待处理长方形模糊图像的长和宽分别是和，，分别是模糊图像在模型中的横、纵坐标取值范围，将初始模糊图像分裂，分裂后的图像用表示，则有：
3 实验验证
实验分别对本文设计的模糊图像信息数据高速采集系统的显示水平、行为预测准确性和采集效率进行了验证。其验证方法是通过将本文系统，与曾研究出的性能较高的模糊图像信息数据高速采集系统进行对比。所选取的对比系统为基于PXI总线的模糊图像信息数据高速采集系统[8]，和基于FPGA和USB的模糊图像信息数据高速采集系统[9]。
实验先进行三个系统对模糊图像显示效果的验证。图4是需要进行信息数据高速采集的初始模糊图像，利用三个系统对该模糊图像在相同条件下，同时进行采集，其输出结果如图5～图7所示。
从图5～图7可明显看出，在相同条件下，基于FPGA和USB的模糊图像信息数据高速采集系统虽能够勉强对实验模糊图像的车牌进行显示，但在较为复杂的模糊图像中，可视其为无效显示；基于PXI总线的模糊图像信息数据高速采集系统的显示效果良好；本文系统的显示效果与以上两系统相比，更加接近于真实物体，证明本文系统拥有优异的显示效果。
实验还利用三个系统对图4中汽车的行为进行了预测（设正北方的运行方向为0°），并对三个系统的工作时间进行了统计。表1是三个系统的行为预测对比表，表2是三个系统的总用时统计表。
由表1可知，三个系统的预测准确性均较高，但本文系统的预测准确性可到100%，证明本文系统拥有非常优异的预测能力。由表2可知，本文系统作用于图4中模糊图像的总用时为14 ms，低于基于FPGA和USB的模糊图像信息数据高速采集系统总用时5 ms，低于基于PXI总线的模糊图像信息数据高速采集系统总用时12 ms，证明了本文系统拥有采集效率高的优势。
4 结 论
本文设计高性能的模糊图像信息数据高速采集系统。系统的模糊图像处理模块对模糊图像信息数据进行光栅化操作，并将得到的黑白像素图像进行渲染。色彩填充模块中的顶点着色器和像素着色器，分别对渲染后的黑白像素图像进行局部和整体的色彩填充，所得到的模糊图像的全彩图像将传输到计算机显示器进行显示。软件利用Kalman滤波对模糊图像信息数据进行处理。实验结论表明，所设计系统拥有较高的显示效果、行为预测准确性和采集效率。
参考文献
[1] 王浩健，姚远程，秦明伟.基于FPGA的高速图像数据采集系统设计[J].电子技术应用，2015，41（8）：131?134.
[2] 杨少博，裴东兴.基于USB的图像采集处理系统设计与实现[J].电子科学技术，2015（5）：582?586.
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[4] 李根焰，王茜，周弘扬.高速红外图像数据采集系统的设计[J].红外，2015，36（8）：9?11.
[5] 張冬阳，薄振桐.基于FPGA与USB 2.0接口的红外图像采集系统设计[J].电子科技，2014，27（11）：48?51.
[6] 王府北，王佳华，吴琼水.基于PCIe总线的显微镜图像采集系统设计[J].电子技术应用，2015，41（2）：42?44.
[7] 郭玉玉，翟正军.基于FC?AE?ASM的图像采集系统的设计实现[J].测控技术，2014，33（5）：43?46.
[8] 郭柳柳，甄国涌，刘东海.基于PXI总线高速图像采集显示系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（2）：627?629.
[9] 朱莹.基于FPGA与USB 2.0的数据采集系统的设计[J].科技资讯，2015，13（22）：17?19.
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更新时间：2024/12/22 16:52:46