高位数数字图像显示系统设计

张云峰

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033

目前图像传感器得到了广泛的应用，其主要民用应用领域为监控、机器人及高精度测量等。军用应用领域为雷达测量和光电经纬仪等。

20世纪90年代以后，随着计算机技术及图像处理技术的飞速发展，图像传感器大都采用数字图像的输出方式；随着A/D转换技术的精度提高，目前的图像传感器输出的数字图像大都采用高位数图像，即采用10bit、12bit、14bit、16bi形式。目前大多数工控机平台采用Windows系统，Windows系统要求的灰度显示位数为8bit，因此要显示高位数图像必须首先将高位数图像转换为8bit图像，在工控机平台上显示及通过输出卡输出模拟图像。

1 系统组成原理

显示系统组成原理如图1所示。

图1 光电编码器整体结构图

如图1所示，工控机为显示系统功能核心。各部分完成功能如下。

1）工控机负责对采集进来的高位数数字图像进行拉伸处理，提供拉伸后8bit数字图像，作为输出数据源。

2）数字采集采用数字图像采集卡，负责采集数字图像。

3）模拟输出采用标准模拟图像输出卡，将运算后的8bit图像进行输出。

2 系统硬件配置

2.1 工控机

工控机选用CONTRON公司生产的工业计算机，可支持3.0GHz Q9650处理器，前端总线达800 MHz；可支持通道DDR3内存，最大可扩展到8G，本系统采用4G内存；拥有1个PCIe×16插槽及1个PCIe×4插槽；支持双SATA硬盘（双500GB硬盘）。

2.2 数字图像采集卡

数字图像采集卡选用加拿大DALSA公司生产的OR-X4C0-XPD00数字图像采集卡。

主要特点有：

1）支持CameraLink接口采集。

对此，有冷眼旁观者认为是早期劳工移民开启了海外侨民好面子逞强的坏习惯，“为了证明自己很成功，他们背负了太重的负担。有人打好几份工，但是回到家，却显得好像自己是百万富翁一样。我们所有人都知道，却不戳穿他们。他们想要花钱买来这种关注感、这种自豪感，那我们顺着捧场呗。”⑤访谈前政府职员、现自由职业者BG，男，28岁。普通民众捧场的方式就是在皇后加冕夜、在节庆大游行上对男男女女的侨民们欢呼致意，与侨民们的自我展示和“炫耀”形成一来一回的互动。侨民在民众的追捧中，达到最大的满足感，更大的满足感伴随着更大的代价和负担。

2）支持外触发信号输入，包括帧/场模式或异步复位模式。

3）4M卡内视频传输内存。

4）采集卡采样频率为85 MHz，完全满足要求。

2.3 模拟视频输出卡

标准视频输出卡选用加拿大Matrox公司生产的VIO采集卡。主要特点有：

1）HD/SD、RGB NTSC/PAL视频采集。

2）HD/SD、RGB NTSC/PAL输出。

图2 采集卡顶视图

图3 标准视频输出卡顶视图

3 系统软件配置

3.1 噪声去除

对于自然景物的数字图像，邻近点之间存在着很强的相关性，一点的灰度值与周围点的灰度值十分接近，而孤立点（一般认为是噪声）却没有此特征。据此特征提出了在行、列方向上进行孤立点滤除的滤波算法。方法简单，耗时短。噪声去除效果如图4所示。

行方向滤波公式：

列方向滤波公式：

图4 滤波效果比较图

3.2 图像拉伸

3.2.1 线性灰度变换方法

图像拉伸算法通常采用线性灰度变换方法。线性灰度变换法是将图像灰度级的整个范围或其中某一段按某种线性关系扩展或压缩到系统所要求的动态范围之内，以便充分显示出图像的细节。

A为原始红外图像低端灰度，B为原始红外图像高端灰度，X为增强图像后低端灰度，Y为增强图像后高端灰度，Z为原始红外图像像素灰度，Z′为增强图像后像素灰度。

3.2.2 幂次函数灰度变换方法

幂次函数灰度变换方法和线性灰度变换方法相比可显著提高目标的对比度，扩展目标和背景的差别，提高视觉灵敏度。

图5 灰度变换处理效果比较图

图5中左图为线性灰度变换方法效果图；右图为幂次灰度变换方法效果图；可以看出幂次函数灰度变换方法和线性灰度变换方法相比，层次感鲜明。

4 系统软件配置

本文以工控机为核心，设计了高位数数字图像显示系统。给出了具体的硬件电路设计和软件设计，系统实时性好、稳定可靠，在实际处理中有非常广泛的应用前景。

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