1、第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-08-24基金项目:河南省高新技术领域科技攻关项目(No.2021182102210555)、教育部产学合作协同育人项目(No.202102257013)作者简介:袁晓平(1985-),女,硕士,讲师,主要研究方向:软件工程,大数据分析技术。嵌入式技术的光照不均图像边缘检测系统袁晓平,张须全,李景景郑州工业应用技术学院,河南 新郑 451150摘 要:为提取清晰、完整的光照不均图像轮廓,设计嵌入式技术的光照不均图像边缘检测系统。图像采集模块使
2、用 CMOS 图像传感器采集光照不均图像,运用通信接口模块,将采集的图像传输到内嵌 EP9315 处理器的嵌入式模块,利用基于 Canny 算子的光照不均图像边缘检测方法,提取光照不均图像的完整轮廓,并通过HDMI 显示模块,将实时光照不均图像和处理后边缘图像展示给用户,实现光照不均图像边缘检测。实验结果表明:该系统将 CMOS 图像传感器的帧频设置为 300 fps,可采集到质量较高的光照不均图像;该系统的光照不均图像平滑处理和边缘检测能力均较为理想,且对于光线极差的夜间光照不均图像也能呈现出较优良的边缘检测效果。关键词:嵌入式;光照不均图像;边缘检测系统;图像传感器;EP9315 处理器;
3、Canny 算子中图分类号:TN74 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.164Edge detection system of uneven illumination image based on embeddedtechnologyYUAN Xiaoping,ZHANG Xuquan,LI JingjingZhengzhou University of Industry Technology,Xinzheng Henan 451150,ChinaAbstract:In order to extract the clear and complete co
4、ntour of uneven illumination image,an edge detection sys-tem of uneven illumination image based on embedded technology is designed.The image acquisition module uses the CMOS image sensor to collect the uneven illumination image,uses the communication interface module to transmit the collected image
5、to the embedded module embedded with Ep9315 processor,uses the uneven illumination image edge detection method based on Canny operator to extract the complete contour of the uneven illumination image,and dis-plays the real-time uneven illumination image and the processed edge image to the user throu
6、gh the HDMI display module,Realize the edge detection of uneven illumination image.Experimental results show that when the frame rate of CMOS image sensor is set to 300 fps,high quality illumination uneven images can be acquired.The system has better smoothing and edge detection ability for uneven l
7、ight images,and also has better edge detection effect for uneven light images at night.Key words:embedded;uneven illumination image;edge detection system;image sensor;Ep9315 processor;edge detection1 引言随着计算机技术的逐渐成熟,运用计算机分析及处理图像,可以使人们快速、轻松地获得所需结果,因此,图像处理技术被广泛应用于电子证件、人脸识别和工件测量等各大领域1。在图像处理过程中,由于难以确定所有图
8、像的来源,极易出现目标检测错误和效率低下等问题,所以很有必要检测图像边缘,以凸显目标个体2-3。图像边缘蕴含丰富的图像信息,检测图像边缘不仅能显著降低图像处理的信息量,还能很好地保持图像的边界结构。在图像采集阶段,由于不均匀光照条件的影响,使得图像中目标个体和背景之间的灰度差变化较大4-5,从而给光照不均图像边缘检测带来巨大挑战,因此,为满足不同环境下的图http /像边缘检测需求,设计可靠的光照不均图像边缘检测系统甚为关键。当前已有很多专家在此类系统的设计中取得重大突破,例如刘建思等人利用参数化对数图像处理模型检测光照不均图像边缘,该系统可以有效降低图像边缘的模糊程度,且实时性较好6;童何俊
9、等人利用免疫遗传形态学检测光照不均图像边缘,该系统在低照度和光照不均场景中均具有较好的线型连接程度7。但这两种系统的算法结构较为复杂,对于批量图像的并行处理能力不甚理想。嵌入式技术是指利用内部计算机进行控制,可以完成专用功能的设备或者系统,具有可携带性强、启动速度快和易编程等优势,因此,通过内嵌 EP9315 处理器,结合 Canny 算子完成嵌入式技术的光照不均图像边缘检测系统设计。2 光照不均图像边缘检测系统2.1 系统总体结构通过内嵌高度集成的 EP9315 处理器,设计包含嵌入式模块、图像采集模块、图像存储模块、通信接口模块以及 HDMI 显示模块的光照不均图像边缘检测系统,其总体结构
10、如图 1 所示。(1)图像采集模块:该模块由 CMOS 图像传感器以及光敏电阻等设备构成。在光照不均图像采集过程中,系统利用光敏电阻对附近光照环境进行检测,即使在夜晚也可以通过调节红外 LED 补光灯,实现CMOS 传感器对光照不均图像的顺利采集。(2)通信接口模块:该模块包含 USB 和 UART 两种通信接口,主要负责图像采集、图像存储以及 HDMI显示模块与嵌入式模块之间的连接,进而实现各个模块之间的数据传输和共享。(3)嵌入式模块:该模块为整个系统的核心,由用户图形界面、图像处理单元和系统控制管理单元组成。第一个单元可以为用户提供相关操作与管理功能,有助于提升系统的人机交互能力;第二个
11、单元使用基于 Canny 算子的光照不均图像边缘检测方法,获取采集的光照不均图像的完整轮廓;第三个单元控制系统中各模块的运行。(4)图像存储模块:该模块包含内存 SDRAM 和外存 eMMC 两部分,负责保存图像采集模块采集的实时光照不均图像,以及经过嵌入式模块处理后的边缘图像。(5)HDMI 显示模块:该模块通过外接的液晶显示设备,为用户提供实时光照不均图像和处理后边缘图像的展示功能,同时还可以支持用户对系统运行状态的查看。图 1 光照不均图像边缘检测系统总体结构2.2 系统硬件设计2.2.1 CMOS 图像传感器结构CMOS 图像传感器选用 LUPA-1300 图像传感器,集成了 6 晶体
12、管技术、14 m14 m 像元工艺和固定模式噪声消除等各种高端图像处理手段8-9,不仅具有较高的灵敏度,还具有 1 2801 024 的高速分辨率,并且处于全帧模式时的帧频高达 500 fps。该图像传感器包含像素阵列、数据组合和排列电路以及并行转串行 LVDS 电路等,具体结构如图 2 所示。采用像素阵列采集光照不均图像信号,同时对光信号进行转化,使其变为电信号,使用模拟前端及模数转换预处理电信号10,实现多路并行模拟与数字转换,获得多路数字信号,通过数据组合和排列电路排序所得信号,在此基础上利用并行转串行 LVDS 电路转化排序后的并行数字信号,得到串行的 LVDS 信号,并运用LVDS
13、接口输出数字光照不均图像信号。图 2 CMOS 图像传感器结构设计561袁晓平,等:嵌入式技术的光照不均图像边缘检测系统http /2.2.2 EP9315 处理器结构嵌入 式 模 块 选 用 EP9315 处 理 器,其 内 含200 MHz 的 ARM920T 内核,具有体积小、功耗低和成本低等优异性能,同时还具备接口丰富的外围电路。该处理器内部结构如图 3 所示。以下为 EP9315 处理器的主要特性:(1)200 MHz 的 ARM920T 内核:包含 16 kB 的指令和数据 Cache,且内含 MMU,总线频率可达到100 MHz,并且支持各种嵌入式操作系统11。(2)集成外围接口
14、:该处理器的外围接口种类十分丰富,在满足硬件设计的同时,还能有效提升系统的可靠性和功能性12-13。其中包含一体化 SDRAM接口、2 路 EIDE 接口、键盘&触摸屏接口和 SRAM/FLASH/PCMCIA 接口等。(3)其他功能:该处理器选用 352 引脚 PBGA 的芯片封装形式,对于温度环境具有较强的适应力,可支持在-40 85 的温度范围内运行,同时所含的双 PLL 能够对全部时钟进行控制。图 3 内嵌 EP9315 处理器结构设计2.3 系统软件设计2.3.1 光照不均图像采集流程通过 CMOS 图像传感器采集光照不均图像时,通常以 Bayer 格式输出光照不均图像。该传感器应用
15、接口库开发包的 HVDevice 控件封装了大量的功能服务14-15,通过控件属性设置和方法调用可以有效控制传感器运行以及完成指定的功能。光照不均图像采集流程具体如图 4 所示。上述流程中应用到的控件方法包括以下几种:(1)GrabContinuous():将采集的连续光照不均图像放入控件缓冲区,启用该方法后利用 GrabContinu-ousChange 事件向用户发出提醒,以实现对采集图像的处理。(2)GrabCancel():将当前进程的光照不均图像采集任务取消。(3)Continue():完成下一帧光照不均图像的采集。(4)SaveImage(BSTR FileName):采用 Bay
16、er 格式将控件缓冲区的光照不均图像保存为图像文件。图 4 光照不均图像采集流程图依据光照不均图像采集要求,设置曝光时间、传感器倾角和行进速度等参数16-17,设置成功后启动CMOS 图像传感器,并调用 GrabContinuous()方法采集图像,在完成每帧图像的采集后,自动激活 Grab-ContinuousChange 事件,用户通过此事件的响应函数对采集的图像进行显示和保存等操作,操作结束后调用 Continue()方法继续下一帧光照不均图像的采集,当图像采集任务结束时,清除回调函数并关闭 CMOS图像传感器。2.3.2 基于 Canny 算子的光照不均图像边缘检测系统嵌入式模块的图像处理单元,使用 Canny 算子对采集的光照不均图像进行边缘检测,该方法主要包含高斯平滑、梯度计算、非极大值抑制和双阈值检测及边缘连接四个阶段。(1)高斯平滑。将采集的光照不均图像转化为灰度图像 f(x,y),二维高斯函数用 G(x)描述,其表达式见公式(1),为去除光照不均灰度图像中的噪声,需要利用 G(x)创建滤波器,并分别依据行、列实现 f(x,y)的卷积操作,获得光照不均平滑图像 I(x,