基于图像准确处理的数字图像处理系统结构设计及其功能实现

何拥军

摘 要： 为了满足图像精确处理需求，利用现场可编程门列阵动态配置灵活性，采用高性能Cysclone系统芯片作为核心处理器，并配合1394总线链路层构建图像处理系统，实现图像数据采集和处理。系统方设计分为图像采集、存储、处理和传输等模块，先通过摄像头采集QR码图像，进行滤波等预处理工作，然后经定位、提取信息、检索纠错等得到字符信心。该系统采用图像处理技术，很好地解决了不同光照条件引起的识别不确定性，精确区分前景和背景，减少信息遗漏，设计硬件结构，提高系统速度和面积技能，优化系统硬件操作。在软件设计中，采用软核处理器，完整图像信息的提取。系统设计与传统二值化、滤波等检测方法相比，处理时间大大缩短，同时处理图像分辨率也得到提高。

关键词： 图像处理； QR码； 数字图像处理系统； 结构设计

中图分类号： TN957.52?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0097?0

0 引 言

数字图像处理系统是利用图像采集信息，并实现处理和传输功能的装置[1?2]，在多个领域发挥重要作用。随着图像采集处理系统逐渐成熟，各个领域对图像数据的可辨识性和适应性要求逐渐提高[3]。本文主要分析基于图像精确处理的数字图像处理系统设计与实现。

1 系统设计方案

1.1 系统设计总体方案

为了满足图像精确处理需求，本设计QR码识别系统架构如图1所示。本设计分为图像采集、系统整体框架设计图、图像处理和视频显示模块。为了满足精确处理需求，图像采集模块采用高清CMOS航空摄像头，视频图像采集模块采用DE2?70开发板实现[4?5]，嵌入可编程芯片，视频显示模块使用液晶显示器输出视频。

1.2 关键模块设计

视频图像处理模块是关键部分，承担图像的采集、处理以及识别，视频图像主要结构和控制信号如图2所示。数据从图像采集模块的摄像头接口进入，进行模数转换，自动监测信号。摄像头采用NTSC制式，将模拟信号解码为分量视频数据，将信号存储，完整后进入FPGA芯片进行图像处理。系统设计的数字图像处理系统主要是图像预处理、定位、数据采集的实现，然后是芯片的配置。

2 QR码图像识别系统算法

QR码编码步骤包括数据分析、编码、纠错、构造等，数据分析确定字符类型和模式，编码模式包括字符编码、汉字提取以及扩充解释等。QR码数据编码按照指定模式，将信息转换为二进制位流，将码字转换为序列。数字模式码字生成步骤如图3所示。举例说明字母数字模式，如将AB?43转换为码字序列，按照字母数字模数得到字符，每两个字符为一组，均转换为11位二进制数，连成一个序列。GB2312所规定的的汉字字符[6]共6 768个，每个字符均由2个字节表示，将汉字字符转换为13位二进制码。

采用QR码纠错算法生成纠错码字，在数据块后提取信息，减少数据丢失的情况。纠错共分为4个等级，对应4个容量，一般能够纠正拒读错误和替代错误[7]。掩膜设计主要是满足符号深色和浅色的调整，降低译码错误发生率，仅仅使用在编码图形中。根据各个掩膜图参考生成条件，进行异或操作，对每个掩膜进行评价。QR码符号由正方形模块构成，编码区域包括纠错编码和数据编码。

QR码识别给予CCD摄像头采集的图像，通过计算机去除图像噪声，数字图像由有限个元素组成，二维数字灰度图像均可以由函数表示。在QR码图像进行识别之前需要预处理，保证QR码完整性。本组设计中，采用空间滤波中值滤波方法，降低噪声[8]，并进行Otsu算法二值化，完成QR码预处理工作。

采用硬件算法实现QR图像数据的采集，包括采样、定位以及提取等工作。图像预处理后，提取相关信息，有效定位，调整符号偏角，建立采样点，得到提取像素信息的位置坐标。QR码定位中，主要搜索位置探测图像。QR码图像滤波给予邻域处理，逐点移动掩膜。硬件实现非线性滤波器时，需要设计排序，求出较多逻辑资源，采用非线性滤波中值滤波器滤波。Matlab仿真采用传统处理器方法，代码如下：

>> t0=cputime；

>> K=medfilt2（J，[3，3]）；

>> t1=cputime?t0

根据模块长度网格化处理整个符号，一个模块对应一个数据，减少计算量，后续工作中均按照图像采集模块化坐标。掩膜时需要注意功能区域，考虑到图像探测、校正，因此不消除掩膜。数据编码中，数据位流基本格式为模式指示符、字符计数指示符、数据位流、终止符，模式指示符共4位，包括数字、字符数字、汉字、字节，字符计数则是由版本而确定，数据流部分也是根据版本而定。

3 软硬件设计与实现

系统硬件采用Altera公司EP2C70芯片，编辑单元68 416个，RAM容量15 200 b，4个PLL，622个用户pin数量。软件部分，使用DSP Builder处理数字信号。

在图像预处理模块中，硬件设计要求不仅需要满足输出功能，同时要能够达到实时处理，且逻辑资源尽可能少，又能监测滤波状态。设计采用中值滤波器，分为图像扫描和功能逻辑模块。扫描模块实现数组的采集，逻辑模块实现像素的计算。窗结构零数字电路设计中，需要满足扫描和滤波器逻辑模块，采用由左到右的扫描方式，窗结构包括9个寄存器，存储像素值，扫描过程中，每一个区域考虑相邻的像素提取。灰度直方图用来描述灰度级个数，采用FPGA片内存储资源实现，数据流为1～254数据集合，读入像素值后，RAM值加1，模块化代码如下：

FIFO设计中，利用FPGA内部存储资源，按照先进后出的原则读取数据，当输入时钟clk上升时，信号为高，缓存器存储数据。该模块内设置两个地址计数寄存器，每一次读或者写，寄存器数值加1。读写到最大值时，进入下一个值，不会超过存储空间。滤波器功能逻辑模块采用奇偶排序法进行逻辑设计，直方图统计模块采用灰度直方图函数，采用FPGA片内存储资源，数据范围为1～254数据集合，在像素值读入后，RAM地址数值加1。QR码定位模块是图像预处理后扫描，在规定误差内表示为探测图像咸蛋，提取模块长度和其他信息。定位模块包括累加模块、转换和提取模块，状态转换模块通过reset信号实现启动，时钟周期由高到低，进入初始模块，若累加像素动作完整，状态进入到模块长度计算。

4 系统分析

本系统中，由于能够直接使用滤波，二值化等检测，处理时间大大缩短，而且图像分辨率达到640×480，处理速度上具有很大优势。由Quartus Ⅱ编译报告分析资源使用情况，该设计系统使用11 347个LE，寄存器为7 169个，占到20%，资源使用率适中，有利于后端布局布线，实现物尽其用，节省资源。通过Modelsim仿真产生文件，分析FPGA片内功耗，SDRAM缓存器控制模块耗能较大。

QR码视频图像经过中值滤波处理之后，噪声可以经过过滤，大大减少，对后期定位有利，而且能够减少漏定，提高识别率。二值化方面，能够有效区分前景和背景最大的灰度阈值。QR码经过中值滤波、采样等检测后，信息寄存到SSRAM中，然后数据传输到片内存储器中，确定图形坐标，符号通过NIOS打印在Console上。

5 结 语

综上所述，本文设计基于图像精确处理的数字图像处理系统，系统设计完整，完成各个模块的设计实现工作，提出给予结果反馈的二值化算法，优化和改进中值滤波硬件结构，并设计QR码定位模块，实现信息的提取，图像处理速度大大提高。

参考文献

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[9] 高体红，周凯汀，郑力新.药片视觉系统中图像处理单元设计与验证[J].计算机仿真，2015，32（1）：420?424.