【正文】 千張?jiān)虑蛘掌褂脠D像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進(jìn)行處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計(jì)算機(jī)成功繪制出 月球表面地圖，獲得了巨大成功 。數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強(qiáng)和復(fù)原、圖像分割、圖像描述、圖像分類（識(shí)別）。應(yīng)用界面使用 QT 制作，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了一些簡單的圖像處理功能，比如灰度話、增強(qiáng)、邊緣檢測等。中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于 ARM的嵌入式 數(shù)字 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 張占龍 學(xué)號： 0905034314 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師： 張志杰 2020年 6月 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 摘要 簡述了數(shù)字圖像處理的應(yīng)用以及一些基本原理。整個(gè)程序是基于C++編寫的，因此有些圖像變換的算法可能并不是最優(yōu)化的，但基本可以滿足要求。圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。這位人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在以后的航空技術(shù)中，如對火星、土星等星球的探測研究中 ，數(shù)字圖像處理都發(fā)揮了巨大的作用。 1975 年 EMI 公司又成功研制出全身用的 CT 裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。很多國家，特別是發(fā)達(dá)國家投入更多地人力、物力研究計(jì)算機(jī)視覺（圖像理解）領(lǐng)域，取得了不少重要的研究成果。它反映了二維圖像的重要特征。從圖像特征恢復(fù)得到 維圖，可以有很多方法，如立體圖、從圖像序列 、從陰影至形狀從紋理至形狀、從 x 至形狀（其中 x 為新研究的方法）等方法恢復(fù)得到 維圖。但是，它至今仍然是可接受的基本框架，它不僅推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺這門科學(xué)的形成和發(fā)展，也為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域提供了許多研究的起點(diǎn)。近來興起的“有目的、定性、主動(dòng)地視覺”、基于 CAD 的視覺、距離圖像的理解、多傳感器融合等都是一些有代表性的研究方向。另外，一些新的數(shù)學(xué)方法，如數(shù)學(xué)形態(tài)、粗糙集理論等數(shù)學(xué)工具在數(shù)字圖像處理中也有成功的應(yīng)用，引起了人們極大的關(guān)注。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅里葉變換、哈爾變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，這不僅可以減少計(jì)算量，而且可獲得更有效的處理（如傅里葉變換可在頻域中進(jìn)行數(shù)字濾波處理）。編碼是壓縮技術(shù)中重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。圖像復(fù)原要求對圖像降質(zhì)的原因有一定了解，一般講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立 “降質(zhì)模型”，在采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。因此，對圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點(diǎn)之一。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理描述。 此外，圖像重建以及圖像的只是表示、彩色圖像處理等都是目前數(shù)字圖像處理中新發(fā)展的研究領(lǐng)域，在圖像處理中獲得越來越廣法的應(yīng)用。圖像處理的特點(diǎn)主 要集中在以下幾點(diǎn)： （ 1）圖像信息量龐大。在數(shù)字圖像處理中涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技術(shù)相當(dāng)廣泛。自從 1948 年， Shannon 發(fā)表了“ A Mathematical Theory ofCommunication” （ 通信中的數(shù)學(xué)理論 ） 一文，便奠定了信息論的基礎(chǔ)。圖像理論是把通信中的一維問題推廣到二維空間上來研究。 （ 6）靈活性強(qiáng)。只要圖像在數(shù)字化時(shí)準(zhǔn)確地表現(xiàn)了原稿，則數(shù)字圖像處理過程始終能保持圖像的真 實(shí)再現(xiàn)。只要被變換為數(shù)字編碼形式后，均可用計(jì)算機(jī)來處理。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。數(shù)字圖像處理占用的頻帶較寬。由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖像本身不具備復(fù)現(xiàn)三維景物的全部幾何信息的能力，三維景物背后部分信息在二維圖像畫面上是反映不出來的 .因此，要分析和理解三維景物必須作合適的假定或附加新的測量 .在理解三維景物時(shí)需要知識(shí)導(dǎo)引，這也是人工智能中正在致力解決 的知識(shí)工程問題。 （ 3）加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科、邊緣學(xué)科的研究工作，促進(jìn)數(shù)字圖像處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。這些理論在未來圖像處理理論與技術(shù)上的作用應(yīng)給予充分的注意，并積極地加以研究 （ 7）圖像處理芯片化。總之把圖像處理的眾多功能固化在芯片上將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 （ 9）機(jī)器人視覺 .隨著各種相關(guān)技術(shù)和相關(guān)學(xué)科研究的不斷發(fā)展， 機(jī)器人視覺將由 2D 向 3D，由低速響應(yīng)向高速響應(yīng)發(fā)展。 第三章需求分析， 該數(shù)字圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析，并且就所使用的嵌入式平臺(tái)進(jìn)行介紹。 第二章 圖像處理理論 圖像信息的基 本知識(shí) 視覺研究與圖像處理的關(guān)系 （ 1）圖像質(zhì)量評價(jià)與視覺心里。 （ 2）畫面組成和心理視覺。寬銀幕和球幕電影的視覺效果好的原因也就是這個(gè)道理 [2]。 （ 4）同時(shí)對比效應(yīng)和馬赫帶效應(yīng) 在某些情況下，人的感覺不是簡單的光強(qiáng)度函數(shù)，還可以從人的兩個(gè)視覺特性，即同時(shí)對比效應(yīng)和馬赫帶效應(yīng)得到說明。但在人的視覺中， 對每個(gè)條帶感覺都是不均勻分布的，感到所有條帶的右邊比左邊亮些，出現(xiàn)的這些毛邊帶（特別是靠邊界處）稱為馬赫帶效應(yīng)。這樣的變換過程稱為圖像 數(shù)字化，主要包括采樣和量化兩步。 對樣點(diǎn)灰度值的離散化過程稱為量化。 圖像的噪聲分析 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 45 頁 圖像噪聲在數(shù)字圖像處理技術(shù)中的重要性已越來越明顯，如高放大倍數(shù) 航片的判讀、 X 射線圖像系統(tǒng)中的噪聲去除等都已成為不可缺少的技術(shù)。不嚴(yán)格的講，這兩種噪聲可以理解為 :其統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化的噪聲稱為平穩(wěn)噪聲 ；其統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間 變化而變化的 稱為非平穩(wěn)噪聲。所謂圖像保真度是描述被評價(jià)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度；而圖像的可懂度則是表示圖像能向人 或機(jī)器提供信息的能力。 彩色圖像基本知識(shí) 為了定量的描述顏色對人眼的視覺作用，可以用亮度（ brightness）、色調(diào)（ hue）、色飽和度（ saturation）這 3 個(gè)與視覺特征有關(guān)的量來計(jì)算描述，這 3中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 45 頁 個(gè)量稱為顏色的 3 個(gè)基本屬性。根據(jù)不同的色調(diào)，還可以識(shí)別若干種明暗。為了能使用 RGB 三基色描述各種色彩，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和需要提出了一些彩色模型。假設(shè) RGB 在三維坐標(biāo)系中為 R（ 1， 0， 0）、 G（ 0， 1，0）、 B（ 0， 0， 1），則二者關(guān)系為： CIEXYZ 模型。其中 、 、 是 XYZ 顏色模型的基色量， X、 Y、 Z 為三色比例系數(shù)。下面對 幾種常用的圖像處理變換一一介紹。這種用計(jì)算機(jī)對變換后的信號進(jìn)行頻域處 理，比在時(shí)域中直接處理更加方便，計(jì)算量也大大減少，提高了處理速度。它可表示為：中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 45 頁 ，式中 ，為離散值。 二維離散傅 里葉變換： 只要考慮兩個(gè)變量就很容易將一維離散傅里葉變換推廣到二維。它們的相互關(guān)系為： ， 。 接下來介紹二維離散傅里葉變換的幾種常用的性質(zhì)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 45 頁 可分離性的重要意義在于：一個(gè)二維傅里葉變換或反變換都可以分解為兩步進(jìn)行，其中每一步都是一個(gè)一維傅里葉變換或反變換。 （ 3）平移性 傅里葉變換 對 的平移性由下式給出： 上式表明，在空域中圖像原點(diǎn)平移到 時(shí)，其對應(yīng)的頻譜 要乘上一個(gè)負(fù)責(zé)的指數(shù)項(xiàng) ；而頻域中原點(diǎn)平移到時(shí)，其對應(yīng)的 要乘上一個(gè)正的指數(shù)項(xiàng) 。 代 入 原 式 ：。 因此 ，若要完全確定或 ，只需變換一個(gè)周期中每個(gè)變量的 N 個(gè)值。利用此特性，在求一個(gè)周期內(nèi)的值時(shí)，只需求出半個(gè)周期，另半個(gè)周期也就知道了，這大大減少了計(jì)算量。即 傅里葉變換的比例性表明對于兩個(gè)標(biāo)量 a， b，有 這說明在空間比例尺度的展寬，相應(yīng)于頻域比例尺度的壓縮，其幅值也減少為原來的 。 設(shè) 和 是大小分別為 和 的離散數(shù)組，為了避免交疊誤差，將 和 用增補(bǔ)零的方法擴(kuò)充為以下的二維周期序列： 式中： ； ； 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 20 頁 共 45 頁 二維離散卷積定理可用下式表示： 應(yīng)用卷積定理 的明顯好處是避免了直接計(jì)算卷積的麻煩，它只需先算出各自的頻譜，然后相乘，再求其反變換，即可得卷積。其次，傅里葉變換收斂慢，這在圖像編碼應(yīng)用中尤為突出。 沃爾什變換核（后面提到）是一個(gè)對稱陣列，其行和列是正交的。 離散余弦變換（ DCT） 離散余弦變換（ Discrete Cosine Transform） 的變換核為實(shí)數(shù)的余弦函數(shù)，因而 DCT 的計(jì)算速度要比核為復(fù)數(shù)的 DFT 要快得多，而且對于具有一階馬爾柯夫的隨機(jī)信號， DCT 是 KL 變換的最好近似，已被廣泛應(yīng)用到圖像壓縮編碼、語音信號處理等眾多領(lǐng)域。 二維 DCT 正變換核定義為： 式中： x、 y 均取 ； u、 v 均取 。而且，傅里葉變換中指數(shù) 項(xiàng)通過歐拉公式中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 45 頁 和 進(jìn)行分解后 [9]，其傅里葉變換實(shí)數(shù)部分對應(yīng)于余弦項(xiàng)，其虛數(shù)部分對應(yīng)于正弦項(xiàng)，因此，離散余弦變換可從傅里葉變換的實(shí)數(shù)部分求得。 如果 和 ， 和 在函數(shù)形式上相同，則稱此變換時(shí)加法對稱的。 圖像壓縮編碼 圖像編碼的基本概念 圖像編碼可以分為兩類：信息保持編碼（無失真編碼、無損編碼）、保真度編碼（失真編碼、有損編碼）。灰度修 正就是對圖像在空間域進(jìn)行增強(qiáng)的簡單而效果明顯的方法。為此， 根據(jù)不同情況 我們用可以用特定的關(guān)系式將 Z 映射到 。 （ 3）若要突出圖像中具有某些灰度級的物體細(xì)節(jié)，而又不犧牲 其他灰度細(xì)節(jié)，可以分段壓擴(kuò)變換，是需要的細(xì)節(jié)灰度級拉伸，增強(qiáng)對比度，而不需要的細(xì)節(jié)灰度級壓縮。與對數(shù)變換一樣 ，在 時(shí)，可增強(qiáng)低灰度級像素，而壓制高灰度級像素；在 ，則有相反的效果。對于這種矛盾狀態(tài)的處理辦法，就可以采用圖像同態(tài)濾波方法，只要使用合適的濾波特性函數(shù)，可以既使圖像灰度動(dòng)態(tài)范圍壓縮又能讓感興趣的物體圖像灰度級擴(kuò)展，從而使圖像清晰，這就是所謂的圖像同態(tài)增晰 （ Homomorphic） 。若照明函數(shù)用 ，反射函數(shù)用 ，則圖像 可以認(rèn)為是由這兩個(gè)分量相乘而得到，即 由此看來，圖像的結(jié)構(gòu)理論適用于乘法同態(tài)系統(tǒng)。從頻譜角度來分析，圖像模糊的實(shí)質(zhì)是因?yàn)槠涓哳l分量被衰減，因而可以用加重高頻濾波來使圖像清晰。 圖像分割 所謂圖像分割是按照一定的規(guī)則將一幅 圖像或景物分成若干個(gè)部分或子集的過程。 （ 1）梯度算子 梯度是圖像處理中最為常用的一次微分方法。表達(dá)式為 ，在數(shù)字圖像情況下的近似式為。而且，人們越來越追求智能終端的情況下，如果將這樣一個(gè)具有不錯(cuò)的圖像處理功能的應(yīng)用無疑會(huì)受到大多數(shù)消費(fèi)者的青睞。而它可以帶來的效益那當(dāng)然是很客觀了，因?yàn)橹悄茉O(shè)備正在泛濫嗎！ 系統(tǒng)功能分析 該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一些簡單的圖像處理功能。 整體的系統(tǒng)框圖如下： 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 30 頁 共 45 頁 圖 像 處 理 模 塊A R ML in u x 內(nèi) 核圖 像 采 集 模 塊U S B 攝 像 頭顯 示 模 塊L C D圖 像 存 儲(chǔ) 模 塊S D 卡網(wǎng) 絡(luò) 通 訊 模 塊可 以 進(jìn) 行 雙 向 數(shù) 據(jù)傳 輸無 線 接 口接 口 芯 片與 服 務(wù) 器 進(jìn) 行 通 信 圖 四 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖像采集 首先需要明確一個(gè)概念，圖像不同于圖形，圖形的獲取一般通過繪圖工具進(jìn)行繪制，而圖像的獲取則大多要用掃描儀、相機(jī)、攝像頭等設(shè)備進(jìn)行采集，也可以對視頻進(jìn)行捕捉。 CIS 感光元件本身足以完成成像任務(wù)，具有模塊化設(shè)計(jì)，原理和光路都極為簡單，組裝容易，產(chǎn)品體積可以更小。攝像頭通常有 CCD 和 CMOS 兩種，接口在并口、中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 31 頁 共 45 頁 串口以及現(xiàn)在應(yīng)用較多的 USB 接口。攝像頭可以對動(dòng)態(tài)的視頻信號進(jìn)行采集，因此在圖像采集領(lǐng)域也使用得越來越多。傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)大都是基于 PC 機(jī)的，而在一些特殊場合，尤其是在實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，普通 PC機(jī)顯然無法滿足應(yīng)用要求。在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中可以采用多塊 SD 卡構(gòu)成圖像存儲(chǔ)模塊 [17]，這也是現(xiàn)今大多數(shù)圖像處理系統(tǒng)所采用的方法。在處理器上，傳統(tǒng)圖像處理多采用 PC 進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的分析，嵌入式系統(tǒng)則大多采用 ARM 芯片，有時(shí)會(huì)與 DSP 結(jié)合形成高性能易用的系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)字化之后，需要對圖像信 息進(jìn)行編碼，以滿足傳輸和存儲(chǔ)的要求，編碼可以壓縮圖像的信息量，但圖像的質(zhì)量幾乎不變。 圖像顯示 現(xiàn)在我們常?？梢钥吹降膱D像顯示基本上都是采用 LCD，也逐漸有越來越多LED 背光的顯示屏開始出現(xiàn)。因此針對這種趨勢，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在完成基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)后，應(yīng)盡可能加入與主機(jī)通訊的功能。 啟動(dòng)引導(dǎo)程序的移植 與 PC 機(jī)不同，嵌入式設(shè)備的 BIOS 大多與 bootloader 集成在一起。 kernel 移植時(shí)