图像显示系统论文（共12篇）
图像显示系统论文 篇1
尽管图像处理学属于综合性的边缘性学科, 但是在研究范畴方面, 它和模式识别、计算机图形学以及计算机视觉等存在着一定的差异, 但也有一定的联系。
传统意义上的图形学指的是通过图表、图形、绘图等诸多形式对数据信息进行反应、阐述的一种学科。但是计算机图形学则与之不同, 它研究的对象是如何借助计算机技术来创造此类形式。实际上, 从输出结果与处理对象上看, 它与图像分析恰恰相反。计算机图形学正在尝试着利用非图像形式的数据描述促使图像形成, 而图像分析和模式识别较为类似, 二者间的输出是不一致的, 但其转换比较方便。计算机视觉突出强调的是计算机在实现人的视觉功能方面的重要性, 其牵扯到了大量与图形处理相关的技术, 然而当下研究内容大多是和图像理解相结合的内容。
虽然如今在处理大数据量的图像方面, 计算机处理的速度比不上光学法, 但计算机处理的精确度高, 可十分便捷、灵活地求解出极其复杂、功能多样化的运算。在这么短的发展历史过程当中, 它可以在几乎和成像相关的所有领域得到成功推广与运用, 并起着非常重要的影响。
1 MFC和VC++
Microsoft Foundation Class Library (MFC) , 为了能够方便的建设Windows下的应用程序, 可以把MFC中的所有类别结合起来, 创建应用程序框架, 这也是一种相对SDK来说更为简单的方法。此时程序员的工作内容是, 借助预定义的接口, 在此轮廓中填进详细的应用程序中独有的东西。
Microsoft Visual C++ 有与之相对应的工具去做好该项工作:资源编辑器能有利于对用户接口进行直观地设计;App Wizard可在初步的框架文件的生成过程中进行使用;Class Wizard有利于把代码添加至框架文件中;类库可以有助于应用程序特定的逻辑的实现。
2 图像显示形式
2.1 图像缩放
图像的缩放操作能使图像的大小发生变化, 形成的图像的像素也许在原图内找不出与之相对应的像素点, 如此一定要实施近似处理。通常情况下, 我们可以采用与之最接近的像素值进行赋值, 当然利用插值算法进行计算也可。
如果图像x轴、y轴方向缩放比率分别是fx、fy, 那么新图中与原图中点 (x0, y0) 相对应的点 (x1, y1) 的转换矩阵是:
其逆运算如下:
比方说, 如fx、fy的值都是0.5, 那么图像将会变成以前的一半大, 所得图像的 (0, 0) 像素和原图内的 (0, 0) 像素相对应; (0, 1) 像素与原图内的 (0, 2) 像素相对应; (1, 0) 像素与原图内的 (2, 0) 像素相对应, 依此类推。在原图的基础上, 每行间隔一个间距设置点, 每相距一行实施操作。
2.2 图像旋转
一般图像是以图像的中心为原点进行旋转的, 在旋转过后, 图像通常会出现一些变化。与图像平移相同的是, 一方面, 图像旋转为了显示全部图像可支持拓展图像范畴, 另一方面, 可去除掉转出显示区域的图像。
可以推导旋转运算的变换公式。点 (x0, y0) 经过旋转 θ 度后坐标变成 (x1, y1) 。
旋转前:
旋转后:
矩阵表达式:
3 图像显示设计
系统通过在功能模块内使用了函数void Invalidate ( BOOL b Erase = TRUE ) , 实现图形的旋转与缩放功能, 该函数具有让整个窗口客户区无法发挥出作用的功能, 这就说明要重新进行绘制。比方说, 若一个被其它窗口遮蔽的窗口转变成前台窗口, 则以往被遮挡的部分就丧失了作用, 需重新绘制。此时在应用程序的消息队列中, Windows会发布WM_PAINT消息。MFC为窗口类出具了WM_PAINT的消息处理函数On Paint, 该函数承担着对窗口进行重新绘制的工作。
3.1 图像放大与缩小
图像放大是指图像依据一定比例进行缩小或者扩大, 能使位图空间的大小发生变化。得到位图的空间尺寸, 在不使位图的大小发生改变的情况下, 让位图依据以往大小只改变相框的大小, 但不改变相片的大小。
3.2 图像翻转
水平翻转是将图像水平方向的像素点沿着中间线进行翻转, 处理过程为:获得当前设备指针, 指向当前设备, 定义三个无符号的的指针, 为翻转图像申请一段内存空间, 大小为图像内存大小。内层循环将每一行的像素点进行翻转, 左侧的像素移到右侧, 右侧的像素点移到左侧外层循环将所有行的像素进行翻转将左侧的像素点移到右侧, Invalidate () 函数进行窗体的重绘。
4 结论
本文说明了运用VC++ 平台和MFC技术来实现本次设计的优点, 主要讨论了如何构建一个简单的图像显示系统, 如何简单处理图像, 从而能够在MFC平台下成功实现图像的翻转、缩小以及放大的功能。
摘要：在目前快速发展的科学技术的推动下, 再加上计算机更新速度的日趋加快, 对图像的要求愈来愈高。本文首先针对图形显示系统的设计流程进行阐述, 在进行系统设计过程, 充分利用MFC的设计理念, 依靠VC++, 提高了软件系统的灵活性, 运用其实现图像变形、图形翻转的功能。
关键词：MFCVisual,C++图像显示
参考文献
[1]胡新宸.基于Open GL的医学图像三维可视化平台的设计与实现[D].厦门大学, 2013.
[2]秦练, 赵秀萍, 杨文杰.计算机图形学编程实践研究[J].北京印刷学院学报, 2014 (04) .
[3]黄琛.基于MFC的绘图软件设计与实现[J].电脑知识与技术:学术交流, 2013 (10) .
图像显示系统论文 篇2
摘要：介绍了乌溪江电厂远程图像监控系统的基本原理、结构布置、功能及应用情况。
关键词：图像监控应用
乌溪江电厂位于浙西乌溪江流域内，分上下2个电站，是浙江省电网主力调峰梯级电厂。
电厂生产基地、办公大楼设在衢州市区内，距离黄坛口电站16km，距离湖南镇电站34km。全厂共11台机组的梯调中心设在黄坛口电站内。乌溪江电厂设备多、分布面广、相距距离远，运行检查和保安均极为不便。为适应无人值班(少人值守)改革的需求，在实现了计算机监控基础上，又投入运行了远程图像监视系统，大大提高了监视控制系统的灵活性，增强电厂的监测水平，改善电厂的运行环境，减轻运行及有关工作人员的劳动强度，提高了设备安全和经济运行水平。
1系统特点
(1)采用IP组播和RTP/RTCP技术，多个监控终端可同时监控一个终端。图像监控主机可自动检测网络流量，根据网络上的负荷，自动控制上网图像数据流。在有太多的图像需要发送到MIS网上时，可根据用户优先级调整图像数据带宽，并控制图像数据进入同组网络的路数，从而避免了网络拥塞。
(2)单向图像编码方式采用MPEG-1国际图像压缩标准，即VCD的图像压缩标准。其帧率为25帧/s，纯图像数据码流为1.15Mbps，分辨率达到352×288。该编码方式图像清晰，色彩丰富，无延时，无动画感。
(3)双向图像编码方式为H.261国际图像压缩标准，是一种用于会议电视的图像压缩方法，其帧率为25帧/s，纯图像数据码流为384k/s～768k/s，分辨率达到352×288，该压缩方式图像清晰，色彩丰富，无动画感。
(4)音频编码方式采用G.711PCM编码方式，码流达64k/s，该压缩方式声音清晰，无失真。
(5)监控终端将编码后的视频数据，通过IP网络转发到监控中心或监控终端，采用Multicast组波技术和先进的网络管理技术，将MIS网上的图像监控用户按地址分组，若组内没有用户调用某一路图像，则该路图像数据不会发到这一组用户的网络上，只发有人调用的组，从而大大减少网络阻塞的可能性。
(6)由图像监控管理服务器负责整个监控系统的配置，状态管理等，它是整个图像监控系统的交互中心。
(7)采用多级、多路分控方式。利用两站三地之间均已建立的100MMIS网和光纤2M口高速通道作为视频信号、音频信号和控制信号的通讯通道。正常情况下同时在MIS网络上通讯有7路图像。
(8)该系统有三个分控站，六个监控站。各个分控站所管辖的.监控点，近距离的监控点视频信号通过同轴电缆送至其分控站矩阵，而一些距离较远(距离>1000m)的监控点视频信号由差分传输器通过双绞线差分方式送至其分控站矩阵。湖站新厂房分控站的视频信号先通过光缆送至湖站控制室，然后通过HUB上100MMIS网。湖站和黄站两分控站的视频信号则直接通过HUB上100MMIS网。所有分控站和监控站都可以通过本地主机或MIS主机控制前方任何一台摄像机。所有摄像机云台、镜头和灯光控制都采用RS485控制方式控制。
2系统结构及硬件配置
(1)视频监控服务器安装在梯调中心，包括有一台系统管理服务器和一台显示器及相关外围设备。该服务器除转发视音频数据外，还完成对整个监控系统的管理，如优先权、用户权限、日志、控制协商、报警记录等等。
(2)在黄坛口梯调中心和湖南镇电站共安装了3个分控中心。主要设备有：监控主机、显示器、视频切换矩阵、一台九画面分割器、双向音视频监控套件、网络型视频解码器、视频传输编码器、交换式HUB、UPS、图像监视墙等相关外围设备。
(3)各监控站设备利用原MIS主机，装上相应的软(硬)件，经过授权就可以监控各分控站的所有的摄像机。
这次湖黄两站总共安装了111台摄像机(包括前二期工程安装的)，其中湖南镇电站58台，黄坛口电站53台。摄像机安装地点遍及全厂所有设备安装地点。在梯调中心的电视墙上最多能同时显示24路不同的实时图像，在湖站站调监视器上最多能同时显示10路不同的实时图像。这一切为运行人员巡回检查带来很大的方便，也为运行工作节省了大量的人力和物力。
3系统功能概述
这套系统包含以下功能：
(1)遥控操作功能。通过梯调中心或中控室计算机的鼠标器即可对所有现场安装点设备(包括湖、黄两站的所有摄像机)进行遥控操作。比如：转动云台、调整焦距、变倍长短、打开照明(包括开关站本身的照明系统和摄像机本身所带的射灯)等功能。
(2)本地和远程摄像机切换与控制，远程灯光控制(黄站对黄站摄像机、湖站对湖站摄像机、黄站对湖站摄像机、湖站老厂对新厂摄像机、湖站对黄站摄像机)。
(3)多级分控功能。系统采用多级、多路分控，系统调用控制有优先级之分。
(4)与MIS系统接口，有关人员能通过MIS系统的计算机操作控制前端设备，可进行可视对讲，保卫部能对部分前端设备进行监视控制。具有多点对一点和一点对多点的监视功能，系统具有双向会议电视功能。能在湖黄两站之间、湖黄两站与衢州基地会议室之间进行可视对讲;可视对讲视音频同步，且声音清晰，图像清楚。
(5)图像丢失检测。当前端设备因故障或被盗等原因造成图像丢失时能在多媒体操作站给出“××部位视频故障”语音报警，并弹出电子地图(实际立体图形)，并显示所在地的位置，以颜色或闪烁指示。
(6)视、音频切换。每一台监视器(CRT)可观看任何一路图像信号。同时，每一台监视器能自动切换图像、定时、定点扫描功能等。在梯调中心设立的八个监视器组成电视墙，电视墙画面具有切换功能，电视墙上任一监视器能切换到湖黄两站任一摄像机图像。
(7)控制权协商功能。当不同操作者控制同一摄像机，系统只允许其中一个操作者行使控制权，控制权在不同操作者之间转移按优先级协商。优先级较高者可以接管优先级较低者控制权，而仅在低优先级终端上给出提示;优先级较低者要取得控制权时，需要取得优先级较高者同意;只有后者同意的条件，才能取得摄像机的切换和控制权.
(8)报警自动处理功能：
1)对于重要监视点，系统有报警信号(视、音频)、自动录像、CRT图像自动切换并且备份等功能。
2)对报警器发出的报警信号，在就近岗亭发出警铃声，并通过指示灯确定具体报警位置。能自动将其前端摄像机快速跟踪到报警点，同时在保卫部显示器上快速推出界面，保卫部录像机自动启动录像。
3)对于电厂的开关、闸刀变位信号，能自动将与其相关的前端摄像机快速跟踪到相关的变位点，梯调和相关的站调主机显示器推出电子地图，实现报警点闪烁，并能快速便捷进入故障点画面，同时在梯调中心电视墙上自动推出相关变位点画面。
4)能实现对开关站部分电气设备的发热报警自动巡检，发现某点过热能自动报警并弹出电子地图，实现发热点闪烁。
5)水位自动报警功能。对电厂的集水井水位过高，能自动给出报警信号，并在监视器上推出实际图像.
(9)在梯调中心和湖站中控室的计算机和电视墙上能对图像实现九画面分割，九画面能实现任意组合，可以由湖黄两站任意摄像机组合成实时画面。
(10)多层次电子地图功能：显示各监视点周围的环境、设备、模拟地形图等信息。比如鼠标器触发电子地图中的摄象机图标即可在显示器上显示该路图像。
(11)具有手动本地、远程录像及录像回放和本地、远程摄像机循环切换显示功能。
(12)系统操作、登录、报警及系统错误事件在服务器上有详细记录，通过事件记录系统管理员对整个工业电视系统运行情况有全面认识。对任一用户，系统可以据生产需要给予或删除各种权限，便于系统管理。并且操作人员可对事件进行分类检索、保存及删除
(13)系统服务器具有统一授时功能。
4运行情况
该系统于12月安装，4月投入试运行，经过半年多的实际考验，系统运行稳定，至今未出现过大的缺陷。但还存在一些有待进一步改进的方面。如：保卫部监控终端必须受到梯调监控或湖站站调(优先级较高)的制约，而两者监控目标不尽相同，导致保卫部往往不能及时了解到现场的情况。在集水井内，光线差，油污较多，这使采集到的图像清晰度下降，而造成软件分析图像困难，难以实现水位越限报警等.
初中地理图像系统分析及其运用 篇3
一、初中地理教材中图像的类型
在最新人教版教材中，不少图像在内容上不仅紧密结合课本文字内容，而且又略多于课本文字内容，这些图像不仅是对课本文字表达的形象注释，也是对课文内容的补充和扩展。它们是地理信息的载体，类型多种多样。本文根据地理图像的性质将人教版初中地理图像分为地圖、景观图、示意图、统计图、遥感影像、地理漫画等（见表1）。
现行的人教版初中地理教材图像内容十分丰富，类型多样，涉及地图、景观图、示意图、统计图、遥感影像、漫画等，极大地丰富了教材的内容。本文对教材各类图像的数量及百分比分别进行了统计，以便进一步客观分析教材图像系统的构成（见表2）。
从表2可以看出，人教版初中地理教材共出现591幅图像，七年级有301幅图像，八年级共有290幅图像。其中，各类地图约150幅，占图像系统的25.4%，地理分布图数量多、分布广，几乎新教材的每一章节都有，如海陆分布图、经纬度分布图、气候类型分布图、地形分布图；景观图约258幅，教材中这类图像所占比重最大，约占图像系统的43.7%，新教材的每一章节都有景观图的分布，涉及内容很广泛，有山脉、河流、聚落、民居、人类活动等自然景观图和人文景观图，如七年级图3.27“不同气候类型的自然景观”，八年级图7.35“香港维多利亚港”、图9.2“青藏高原”等；示意图约72幅，如七年级图1.18“地球公转示意”，八年级图2.40“长江干流各河段主要的生态和环境问题示意”等，占图像系统的12.2%，虽然数量不算多，但分布较广，几乎新教材的每一章都有地理示意图；统计图约48幅，占图像系统的8.1%，在七年级第三章“天气与气候”一章中用得较多，如图3.11“气温日变化”、图3.15“某城市气温年变化曲线”、图3.22“降水季节变化的地区差异”等；复合图约15幅，如七年级图7.49“俄罗斯气候分布图”，占图像系统的2.5%；遥感影像数量不多，共8幅，如七年级图1.21“台湾岛卫星影像”，约占图像系统的1.4%；卡通和漫画类约40幅，如八年级图3.11“土地资源遭到破坏”，占图像系统的6.8%。
二、初中地理图像教学的运用
1.明确各类型图像的功能
地图的类型多种多样，不同的图像有不同的功能。如专题地图主要是突出地表示一种或几种自然或社会经济现象的分布及其规律；景观图是客观真实地反映地理事物景色或外貌的一类图像，它反映了地理事物的一般属性，客观存在的地理信息以图像的形式具体形象地传递给学生，具有任何文字和语言所无法替代的作用；示意图可以阐明地理事物发生的原因、过程、特征和影响该事物变化的各种因素之间的关系；统计图是对地理数据进行统计、整理后绘制的图形与表格，它使地理数字具体化、直观化和规律化，可使学生较清晰地理解某地理事物的数量与质量的关系，从而深刻认识各种地理事物和现象的实质。在读图时，首先要判断所读的图是属于哪个类型的图，接着联想到它的功能，这样就可以根据自己的需要获取有用的信息。如看到“世界人种的分布图”时，先看它的名称，明确这是一幅专题地图，再联想到专题地图是突出地表示一种或几种自然和社会经济现象的地理图像，结合图例，那么从这张图中，我们可以知道不同人种的分布地区，明确它的功能后，看图分析得出三大人种在空间上的分布特征。这是一个长期而系统的过程，要经过一段时间训练后，学生才能掌握这种读图方法。
2.引导学生动手绘制地图
在平常的教学过程中，要注意培养学生的动手绘制地图的能力，这有利于学生对地理知识的理解，同时有利于发展学生的地理技能。让学生自己动手绘制地图是地理教学的重点，也是一个难点，是目前地理教学中的薄弱环节，教师应在教学过程中多加引导，如统计图、示意图、分布图相对比较容易绘制。教学中在讲解气温和降水的相关知识点时，可以布置学生绘制气温曲线图和降水量柱状图，同时要随时观察他们绘制图表，以便及时发现问题，进而解决问题。这有利于学生根据气温曲线图和降水柱状图说出气候特征，进而判断气候类型。在讲到地球上五带的分布图时，教师可以让学生跟着老师画图，边讲边画，这样在绘图的过程中，学生就很容易掌握地球上五带的范围和分界线，这样更有助于学生对地理知识理解、识记，并易于在头脑中形成清晰的地图表象，建立起地理事物的空间分布概念，有效地突破教学重点难点，是学生自主、高效、有意识的学习方法，值得提倡。
参考文献：
王仕莲.试论新编初中地理教材图像系统[J].楚雄师范学院学报：自然科学版，1997（3）.
远程红外图像系统设计 篇4
红外成像系统接收目标发出并能成像的红外波段射线, 通过红外探测器将光信号转变为电信号, 电信号再转换为能通过卫星传输的微波信号并通过卫星传输到接收端, 卫星信号接收器接收时实信号并转换为可视图象。
远程红外系统由以下三大部分组成:
(1) 红外图像成像系统;
(2) 红外图象发送系统;
(3) 图象接受系统。
2、远程红外系统的设计
红外光学系统设计:系统选用320×240多晶硅探测器, 像元大小是25μm。像面大小是8×6mm, 像面对角线10mm。根据总体要求:7.5°;这样光学系统的焦距:75mm。
根据以上指标光学系统设计方案如下:波长:8~14μm;视场:7.6°;探测器:多晶硅320×240, 25μm;焦距:75mm;F数:1。
按上述光学要求及结构要求, 为减少空间尺寸, 光学系统设计如图一所示:
3、电气接口与操作要求
(1) 具有图像调整、分划调整的按键操作;
(2) 所有操作可通过RS442通讯实现。
4、电气设计
4.1 设置5个按键
(1) 触发菜单, 移动光标;
(2) 减少, 调焦近方向;
(3) 增加, 调焦远方向;
(4) 校正背景, 档片动作, 退出菜单;
(5) 触发分划线菜单。
4.2 M键触发的菜单
在图像的最下方
自动/手动对比度XXX亮度XXX放大1/2热白/热黑
4.3 M键操作
按M键, 跳出菜单, 光标处在第一项, 再按M键, 光标向右移动一项, 当在最后一项时, 再按M键, 菜单重回第一项。
菜单每一项显示的文字, 都为系统当前的数字和状态。
4.4 D键操作
在出现的菜单情况下:在出现光标的位置, 按D键:自动→手动;对比度或亮度减少1;放大为1, 极性为热黑。
在无菜单操作情况下:按D键:调焦向近方向, 按一次动一步, 按住不放连续调焦, 松开后停止调焦。
4.5 U键操作
在出现菜单的情况下:在出现光标的位置按U键:手动→自动;对比度或亮度增加1;放大为2, 极性为热白。
在无菜单操作情况下:按U键:向远处调焦, 按一次动一次, 连续按住, 连续调焦, 松开后停止调焦。
4.6 C键操作
在无菜单情况下, 按C键, 档片动作一次, 校验一次。
在有菜单情况下, 按C键退出菜单。
4.7 F键操作
在无主菜单情况下, 按F键, 跳出分划线菜单:
分划线显示取消X:XXX Y:XXX白黑退出
光标在第一项, 按M键, 移动光标位置。
在光标的位置按D键:在第1项分划线取消, 在X或Y项减少数值1, 在第4项分划线变为黑色, 第5项, 退出分划线菜单。
在光标的位置按U键:在第1项分划线变为显示, 在X或Y项增加数值1, 在第4项分划线变为白色, 第5项, 退出菜单并保存坐标的值。
在有主菜单的情况下, 按F键不起作用。
4.9 说明
(1) 跳出后, 30秒无键操作, 菜单自动消失。
(2) 单消失后, 所有设置自动保存, 下次菜单启动时显示上次的设置。
4.1 0 通讯协议
波特率9600, 1起始位, 8数据位, 1停止位。无奇偶校验, LSB先发送。
采用ASCII模式, 每一帧的格式为:
起始码地址码功能代码数据LRC校验结束符:2个字符2个字符2个字符2个字符ODOA对于热像仪:
数据可以取00 (约定一个字节) ;
地址可以由客户设定 (一个字节) ;
功能代码 (一个字节) 。
当热像仪收到正确的命令后, 即返回一个原来的命令, 若有命令错误, 则在返回命令中, 功能代码的最高位设1。每一帧的数据都由十六进制, ASCII字符:0, 1, 2, ……9, A, B, ……F组成。
5、通讯设计
根据卫星信号要求设计。
6、结构设计
中山联通图像监控系统的解决方案 篇5
但是，如何有效监管连锁营业店的日常运营，监督店内营业员的服务质量，掌握顾客光临营业店的一
手资料以及营业店的安全防范问题，成为企业管理层的考虑关注重点之一。
一、项目背景
中国联通中山分公司辖下共有27家连锁营业厅，其中市区7家，其余20家营业厅分布在中山市各镇。
27家连锁营业厅中的10家已配备本地图像监控系统，即：营业厅根据实际监控需求，在营业厅内部安装2-4台监控摄像机，营业厅后台配备1套数字硬盘录像机或模拟磁带录像机用来保存日常监控图像数
据。
但是，这种本地图像监控模式存在以下不便和弊端：一方面，上级管理部门无法通过监控系统及时了解各营业厅的营业工作状况；另一方面，由于只能实现各营业厅本地录像数据保存，一旦有事情发生需要
上级管理部门通过查看录像资料介入调查时，必须亲赴营业厅现场进行。
因此，为了加强联通营业厅生产经营活动的安全性，并通过有效的远程监管达到提高营业厅服务质量，从而最终提高企业经济效益的目的，中山市联通公司决定对下属部分已配备本地图像监控系统的联通营业厅进行改造，并对尚未具备图像监控系统的联通营业厅进行规划实施，从而实现各营业厅全天候监控图像的远程集中监控、录像和管理，即：利用各营业厅和公司总部之间的现有数据专线网络，将各营业厅监控图像数据实时上传到监控中心集中录像保存；同时，公司相关职责管理部门通过OA网络上的客户端电脑，可以实时监控各营业厅的状况场景图像，在必要的情况下，无须亲临监控中心即可通过桌面电脑调用监控
中心保存的各营业厅历史录像资料并进行回放显示。
二、基于服务器target=_blank>网络视频服务器的远程图像监控管理系统
服务器target=_blank>网络视频服务器是最近几年才面世的第三代全数字化远程视频集中监控系统的核心设备，属于最新一类的数字化监控产品，利用它可以将传统摄像机捕捉的图像进行数字化编码压缩处理后，通过局域网、广域网、无线网络、Internet或其它网络方式传送到网络所延伸到的任何地方，千里之外的网络终端用户通过普通电脑就可以对远程图像进行实时的监控、录像、管理。服务器target=_blank>网络视频服务器基于网络实现动态图像实时传输的特点，使得以往必须局限在区域范围的图像监控系统，变
成可以不受时间与地域的限制。
在本系统规划调研阶段，用户方根据系统需求对现在主流的监控模式进行了全方位的分析比较：
1、传统的模拟监控模式：需要在各营业厅与公司总部之间架设模拟图像传输的专用光纤专线，由于各
营业厅分布在中山市11镇，仅仅是线缆敷设的费用就是天价了，该模式很快被否决、2、基于硬盘录像机的第二代准数字化本地视频监控模式：与模拟监控模式相比，基于硬盘录像机的第二代准数字化本地视频监控模式不亚于一次飞跃，但是在远程监控应用中，基于数字硬盘录像机的监控模式始终无法解决网络远程监控应用环境中的传输延时过大、网络带宽占用过高、无法多路同时监控等问题，而且由于系统架构方面的原因这种监控模式无法实现中心统一集中录像的需求、3、基于服务器target=_blank>网络视频服务器的远程图像监控管理模式：用户方最终选择以服务器target=_blank>网络视频服务器为核心设备架构中山联通营业厅图像远程集中监控管理系统，通过在各营业厅配备服务器target=_blank>网络视频服务器，将本地监控摄像机拍摄的模拟图像进行数字化压缩处理后，基于现有的各营业厅和公司总部之间的E1专线网络上传到监控中心集中录像保存，联网的客户端电脑可以
实时监控相关图像，也可以随时访问录像主机调用历史录像数据回放显示、三、系统规划与实施
“中山联通营业厅图像远程集中监控管理系统”项目于2004年9月正式启动。从应用实际出发，结合公
司内部的具体情况特点，中山联通公司对系统功能与性能方面做了如下要求：
1．根据各营业厅的实际监控需求，针对收费柜手机展示柜等敏感位置设置固定式监控摄像机，多数营
业厅按2个监控点的标准配置摄像机，部分面积较大的形象厅按4个监控点的标准配置摄像机。
2．原来已有10家营业厅建立本地监控系统，为节约系统设备投入，原则上利用原有监控摄像机。
3．辖区27家营业厅共设置60个监控点，通过服务器target=_blank>网络视频服务器将模拟图像进行
数字化压缩成IP数据，利用现有的各营业厅和公司总部之间的E1专线网络上传到监控中心。
4．监控中心设在中山联通公司总部机房，要求配备3台监控录像主机，每台监控主机分别管理20路图像的实时录像与监控（20路图像分为5组，每组4画面同屏轮巡显示，每10秒轮巡到下一组），同时
保存30天每天12小时的全部图像资料。
5．监控中心之外的OA网络客户端用户，包括公司客服部、各营业厅主管以及相关领导等，通过联网
电脑可以远程监控各营业厅图像，也可以访问中心录像主机，检索回放历史录像资料。
6．选定的服务器target=_blank>网络视频服务器设备必须具备公安部的产品检测报告以及产地所在省
公安厅的生产许可证，监控管理软件应具有知识产权证明。
根据以上规划与需求，对市场上国内及国外生产的多种品牌服务器target=_blank>网络视频服务器进行技术性能和性价比的分析比较，并考察了各种品牌产品的实际应用项目，经过严格的质量、功能、性能的筛选，最后于2004年8月经过招标后初步选定广州德特信息技术有限公司生产的“翔视”服务器
target=_blank>网络视频服务器。
用户方之所以选择“翔视”服务器target=_blank>网络视频服务器，除了产品满足用户方要求的资质条件外（公安部检验证书编号：公沪检031367；广东省公安厅生产登记证书编号：粤1001027；系统后台的“翔视网络视频集中监控系统”管理软件获广东省信息产业厅软件产品登记证书编号：粤DGY-2002-0578以及国家版权局颁发的著作权登记证书：软著登字第025831号），其图像数字化压缩后的低网络带宽占用、流畅的图像显示效果、强大的后台管理软件功能是其在众多产品中脱颖而出的重要原因。
项目实施过程中，系统采用30台“翔视”DT-1002V两路服务器target=_blank>网络视频服务器将各营业厅总共60路视频图像实时传输至系统监控中心，中心配备三台普通工控电脑各装载960G硬盘作为监控录
像主机，保存一个月的录像数据之后自动覆盖更新。
需要特别指出的是：本系统利用“翔视网络视频集中监控系统”管理软件独特的视频数据流转发功能，在多用户同时存在监控需求的情况下，较其它服务器target=_blank>网络视频服务器系统，可以大大降低内部网络的带宽资源占用。其应用原理：系统监控中心的监控录像主机（安装翔视网络视频集中监控系统管理软件）在常规功能之外，同时又作为内部OA网监控客户端的服务器，有监控需求的客户端向监控主机
发送监控指令并通过监控主机取得所需的前端各营业厅的监控图像。
上述结构模式最大的优点就是节省各营业厅和公司总部之间的网络带宽资源。由于各营业厅和公司总部之间仅有2M的网络带宽，除了用于图像数据传输外，还要承担营业计费数据的传输应用，当公司内部OA网上有N个监控客户端需要同时观看远程某一个营业厅监控点图像时（一路图像带宽占用为250K），常规模式下占用该营业厅和公司总部之间带宽为（N*250）K，必然会导致数据堵塞从而影响监控效果。
而采用本系统的数据流转发服务模式，无论OA网上有多少监控客户端观看远程某一个营业厅监控点图像，营业厅只需向监控主机传送图像，监控客户端也只需向监控主机发出观看请求，其外网带宽占用始
终仅为250K。
四、系统特点
目前，基于翔视服务器target=_blank>网络视频服务器的“中山联通营业厅视频图像远程集中监控管理系统”已完成安装调试工作并进入正式运行阶段。从系统的选型、结构与功能的搭建、运行效果的观察等实
际参与的体会，我们认为本系统具有以下几方面的特点：
1、系统造价经济而功能强大，利用现有的E1专线网络构建专用的远程监控系统，可以实现远程监看（全屏显示、画面分割显示、轮巡显示）、控制、录像、回放、图片抓拍、管理等等，充分实现了预定的建设目标。
2、管理人员足不出户通过桌面联网电脑访问监控主机即可实现对营业厅图像的实时监控功能，图像画面流畅、清晰度高，从而在一定程度上替代了管理部门对营业厅的例行检查工作，大大提高了对营业厅监
管工作的效率。
3、监控中心主机采用翔视网络视频集中监控系统管理软件独特的数据流转发服务功能，解决了多客户
端并发访问远程监控点图像易发的网络堵塞问题。
4、随时随地的录像调用回放功能，无论身在何处，任何密码授权的用户通过身边的电脑联网接入监控中心的监控录像主机，可以按时间、地点等检索要素智能化调用回放历史录像资料，并可以按需要截录到
本机，避免了地理位置间隔原因造成监督管理的不便和缺位。
5、提供WEB版客户端监控软件选择，用户无须安装任何专门软件，通过网络连接中心主机（首次接入时会自动下载相关控件），根据主机配置信息界面上列出的监控网点名称点击选择任意一个监控点进行
实时监控、录像等操作，简单快捷的监控操作方式解决了非专业人员的使用困扰。
6、系统可扩容性强，系统扩容时除新增网点的前端设备外，仅需在中心监控主机上做相关扩充网点IP
地址的配置即可，简便经济的扩容方式符合系统将来规模扩容的需要。
7、安全性高：图像掩码技术，防止非法篡改录像资料；网络上的任意授权电脑均可以进行录像备份，有效防止恶意破坏；授权分级管理功能；强大日志管理功能；保证了专用系统的安全使用。
五、结束语“中山联通营业厅视频图像远程集中监控管理系统”的启用不仅使各营业厅的安全营业工作更有保障，而且为中山联通公司对下属营业厅的监管工作提供了现代化和信息化的强有力工具，获得了用
图像显示系统论文 篇6
【关键词】医学图像；通信系统；数字化诊断
在数字化诊断技术的广泛应用上，产生更多医学图像，为提高各类医学图像资料的应用效果，应做好对医学图像存储与通信系统应用方式的研究。系统主要利用临床医学、数字化影响技术、计算机信息技术以及影像分析技术等，实现了由医学图像资料向计算机可以处理的数字形式的转变，并且可以利用计算机与网络通讯设备来完成各类影响资料的收集、存储、管理以及应用，达到共享信息的目的。
一、医学图像存储与通信系统结构分析
1.硬件结构
1.1影像采集。硬件系统主要完成对各类医学影像数据的收集、管理以及应用，对于采集设备其主要功能就是获取各类信息数据，如CT、CR、ECT、内镜、核磁共振以及超声波成像等[1]。现在所应用的数字化影像设备可以直接从各类医学仪器上完成影像数据的采集，并且可以将非DICOM标准格式转换为DICOM格式。
1.2影像存储。对于医疗行为中所产生的各类图像，可以通过服务器、磁盘列阵等对其进行存储管理。因为系统中应用计算机技术与网络技术，对各类影像数据的存储可以直接上传到数据库中，可以更方便的实现数据的共享。其中，系统所应用的网络设备主要包括高度宽带网络系统，以及存储区域网络等。
1.3显示设备。系统中所应用的显示设备，必须能够满足各类影像数据的显现需求，同时可以保证医疗诊断图像的有效处理，为后续医疗活动提供更充分有效的数据支持。
2.软件结构
2.1影像归档。以系统数据等级为依据对各类影像数据进行登记划分，并做好系统存储设备的管理，并将近期需要使用的影像数据上传到在线设备上，其余暂时不用的则可以上传到离线或者移动存储设备上[2]。另外，还应结合医生实际应用需求，将各类所需数据资料上传到客户端，在对病人病情进行分析研究时，可以更快速的完成对信息的调取与应用，提高信息应用效率。
2.2数据库。日常医学工作会产生大量影像数据信息，要想完全完成所有信息数据的管理，必须要对系统配置图形数据传输、图像处理以及数据库管理软件，不但可以将各类医疗图像与诊断报告等数据资料上传到系统数据库中，同时系统服务器还可以实现对各类数据的分类整理，最终将其上传到相应的存储介质中，并以满足实际需求为目的，实现不同介质之间信息的交换与转存。
2.3系统管理。系统设计应满足群集与服务器的分级管理，支持不同系统之间数据的交换与互联，并且可以同时完成对多个系统的协调性指挥与控制，按照设计工作流程完成对整个工作站的管理。
2.4处理应用。系统还应对各类影像数据进行格式转化或者压缩处理，并且要求在医生客户端能够实现对病人影像资料的显示与基本处理，如影像回放、多切面重建、三维重建以及出据诊断报告等。另外，对于系统来说，医生查询与应用的所有影像数据信息必须是实时的，应将显示时间控制在2s范围内。
二、医学影像存储与通信系统实际应用分析
1.医学影像数据采集
随着DICOM标准的逐步应用，可以将可以以直接或者间接的方式，将医疗行为产生的图像转换成系统可以存储与处理的数字化形式。以下三个方面阐述了DICOM是医学影像数据交换的主要标准，第一：定义了图像通过点对点、网络方式、文件方式等进行交换的方法和规范；第二：定义了病人信息以及相关病人图像参数和格式信息；第三：所有医疗图像、诊断报告等数据的收集、整理以及存储等行为都可以利用计算机来实现，其中图像数据资料的采集處理主要就是利用图像采集卡完成设备模拟视频信号与数据信号的转变，最终可以通过软件完成数字信号的接收并形成图像信息，并且使用专业化图像采集设备进行数字化处理后采集[3]。
2.影像数据存储与管理
医院所应用系统的存储模式和管理流程主要分为在线、近线和离线存储以及管理等类型。在具体是规划系统时，保证系统提供商可以对医疗图像数据存储管理各类模式间的迁移过程，就维护与控制等方面提供自动执行以及管理能力。并且要求系统可以实现对超大规模数据库管理系统的控制，完全实现对数据库内所有图像资料的管理与应用。必须要求其有能力处理超大数据的运转，传统的实践表明，在医院中每天都会生出医学图像会非常多来增加进系统的数据库中。目前，系统数据通常要分级存储，即：对于常用数据保存3-6个月的影像资料，并存储在在线设备中；过期数据保存在近线设备或者离线设备，保存时限为5年之内；保存超过5年的影像资料在离线设备中保存。随着存储上设备的日益小型化、大容量化，图像保存的相应成本逐渐降低，存储设备的空间限制在不断减少，可以在更大程度上满足系统各类图像信息的存储与控制，提高了各项图像的应用效率。
3.影像显示与处理
医学图像存储与通信系统具有较好的处理功能和人机界面，在实际应用中，满足不同操作水平医生实际应用需求。这就对系统功能的完全性有了更高的要求，保证其具有数据存储、数据查询、图像显示以及图像处理等功能，并且可以通过良好的人机界面来达到图像缩放、编辑、旋转等处理，保证可以在各方面促进医生对疾病的确诊速度与准确性，提高医院对系统的要求。
三、医学影像存储与通信系统应用所存问题
对于医学图像存储与通信系统来说，虽然目前在研究上已经取得了一定的成果，但是受开发经费影响，现在很多医院所用系统设备仍比较陈旧，缺少标准数字接口，尤其缺少可以利用网络传输医学图像的设备。对于很多医院来说，受建设规模以及自身经济等因素影响，系统设备投入力度不足，再加上医学人员计算机操作水平比较低，日常操作不规范，如果后期设备维护不到位，很容易导致设备发生故障，这样就会对医疗活动产生影响。另外，现有开发的HIS/RIS系统忽略了标准化问题，不能顺利与系统集成。从总体上来看，我国对此项系统的研究效果还比较低，仍存在各种技术问题，还需要做更进一步的研究分析。
结束语
在医疗行业信息化与数字化发展的背景下，对医学图像存储与通信系统的研究已经势在必行，需要以满足实际应用需求为目的，更进一步对存在的问题进行研究，采取有效的措施进行管理，争取不断提高其应用效果。
参考文献
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作者简介
图像显示系统论文 篇7
在真实世界的自然场景,动态范围表示图像中从最亮至最暗的范围。在数字图像中也称对比度,动态范围表示图像中最大灰度值和最小灰度值之间的比例。人类视觉可感受到的范围、打印图像所显示的范围或显示器上显示的范围远远不及自然界中存在的动态范围大。由于所能使用的动态范围很有限,电影艺术家、摄影师等数字图像的使用者必须对场景中的重要视觉元素进行精挑细选,以达到他们的要求。
本项目力图从高动态范围图像(High-dynamic range image)的采集和显示两方面进行深入研究,设计出基于液晶光阀的光强连续选通成像图像采集系统和通过双屏叠加实现高动态范围图像显示的系统,从而充分展示从高动态拍摄到高动态显示整条技术链,更完整、真实的再现现实中的场景。
1 系统总体设计
高动态范围图像采集及其双屏显示系统结构如图1所示,该系统主要由两部分组成,高动态范围图像成像系统和高动态范围图像显示系统。首先,曝光景物通过成像系统获得几幅不同灰度图像,其次,利用扩展图像动态范围处理算法将其合成高动态范围图像。最后,将图像传送给成像系统从而显示高动态范围图像。
2 系统模块设计
2.1 高动态范围图像采集系统
液晶光阀是利用液晶的光学特性制作的一种光寻址的空间光调制器,广泛用于光信息处理、投影显示等领域。液晶光阀成像是利用其旋光特性完成光的调制与解调,背光源参与成像[1]。如图2设计方案所示,镜头将场景成像于液晶光阀上,形成图像信息,按照像素一一对应的关系将该图像信号传递至CCD感光元件的像敏面上,完成光信息的高效采集。主控芯片根据预先设置的函数产生液晶光阀曝
光参数,将控制信号输入至液晶驱动模块,使之产生相应整体明暗度。CCD信号处理单元将接收到的电压信号通过解码、采样转换为数字信号,并将该数字信号输送至图像处理模块后,其接收的数字信号转变为图像逐个像素的亮度信号。亮度信号和曝光参数同时存储至存储模块,作为后续处理原始数据[2]。
2.2 扩展图像动态范围处理算法
目前,高动态范围图像主要获取方法是将多幅不同曝光的普通低动态范围图像进行融合生成。此类算法主要代表有美国加州大学Debevec方法[3]和美国哥伦比亚大学的Nayar方法[4],这两种算法应用于本设计较为复杂,因此采用朱良销等人的一种扩展图像动态范围的处理算法[5],该算法具有速度快,简洁优化特点。
首先,保持场景中的物体和光照度不变,通过成像系统获得几幅不同灰度值的低动态图像,再采用高动态范围图像合成算法扩展图像动态范围,从而获取高动态范围图像。该算法为了使所合成的图像灰度值得到较好改善,主要是对两幅图像进行相加后,再对图像进行改算法处理。这里采用两幅图像,是因为每幅图像都有一部分区域细节能更真实再现场景,将这不同灰度值的两幅图像进行相加,能增加所合成图像的信噪比。这种算法能使图像暗部的地方更暗,亮度的地方更亮,能较好改善图像整体灰度值,增强图像中较暗、较亮、难分辨的区域,扩展图像动态范围。
设g(x,y)是合成的图像在(x,y)位置的像素值,Gi(x,y)是第i幅图像在(x,y)位置的像素值,则:
式中:G0是预设的参数值,N0是采集到的图像数目,
本算法与所取图像的数目N0和预设的参数值G0有关,且限制条件是G0×N0<255。通过用VC编程实现上述算法,实验可知当所取图像的数目N0为2,预设的参数值G0为50时,效果最佳。
2.3 高动态范围图像显示系统
设计一种基于LED的背光动态调制的高动态范围显示系统,通过对显示的画面进行分析,采用区域亮度动态控制的方式得到不同区域的最佳亮度同时驱动LED背光达到相应的亮度[6],LED背光系统框图3所示。
LED背光源阵列本身为低解析度显示器,所产生的光强分布需要配置液晶面板的高解析度信息,才可以显示细致和高对比度的图像。所以,背光图像是原始图像的低频分量图,其中包含了原始图像的大多数特征,而LCD显示面板包含了调整背光后的其余图像部分。
将FPGA输出控制信号与LED驱动板对应信号连接好,还需要将LED驱动板与LED屏相连。下载FPGA程序,观察LED屏上图像显示,通过均光板后经脉宽调制后LED背光结果如图4所示,再将其与液晶屏叠加后效果图如5所示。
3 实验结果
实验中,首先通过成像系统获得两幅不同动态范围的图像,如图6所示,成像系统获得的低灰度图(a)和成像系统获得的高灰度图(b)。其次通过扩展图像动态范围处理算法将预设的参数值G0设为50,图像的数目N0为2时,低灰度图和高灰度图合成的效果图(c),从图中我们可以发现相比于(a)图与(b)图其动态范围得到了较好的扩展。
其次,用亮度功率计测量LED阵列电路板上的LED亮度,采用分区的方式进行测量。测量区域分布见图7,测试结果如表1所示。
实验可知,LED亮度均匀性在95%以上,对于脉宽调制而言,亮度变化很大,最大亮度为496.8 cd/m2,最小亮度为0.04 cd/m2,对比度达到10 000∶1以上,通过功率的相关公式,可计算出脉宽调制后的功率比原来整体调制功率减少了60.2%。
4 结 论
通过本文设计的基于液晶光阀的单镜头光强连续选通成像图像采集系统,及以液晶屏和LED组合作为显示源的双屏显示系统。实验证明,所设计的系统能有效提高图像对比度,扩展图像动态范围,降低功耗,获得的图像更逼真,具有更舒适的视觉效果。利用本系统,对摄影、游戏及医疗等一些需要显示高动态图像的行业将有较大的帮助。
参考文献
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[4]Mitsunaga T,Nayar S K.Radiometric self calibration[C].Proceedings of Computer Vision and Patern Recognition'99,volumn 1,1999:374-380.
[5]朱良销,余学才,陈摇涛,等.一种扩展动态范围的图像处理算法[J].传感技术学报,2011,24(1):65-67.
图像显示系统论文 篇8
视频信息采集为视频图像处理、传输、显示等提供提供原始的数字图像数据,视频采集系统的性能是影响视频图像系统性能的关键因素之一[1]。随着人们对视频图像质量的要求越来越高,对视频采集系统的性能要求也将越来越高[2]。目前视频采集系统常用的处理器包括通用处理器、DSP和FPGA。尽管通用处理器能够处理许多任务,但是它们通常缺少执行复杂数据处理任务所需要的带宽,常因速度不够快而不能满足设计目标[3];DSP虽然内部利用专用硬件实现数字信号处理中的常用算法,运算速度很快,但其采用单指令执行系统,并且仅对某些固定的运算可以优化,因此灵活性不够;FPGA作为当今主流的大规模可编程集成电路,采用硬连线逻辑实现数据处理和运算,具有集成度高、速度快、性能稳定、开发周期短、便于改进升级等一系列优点,还能实现视频采集、图像显示的外围逻辑控制,在视频采集和图像处理方面具有独特优势。使用FPGA实现该类任务已成为很好的选择[4]。
本文采用FPGA作为视频图像实时采集和显示系统的核心控制器。首先对视频图像采集显示系统的构成、工作原理及技术现状做了简单介绍,然后叙述了各功能模块和接口电路的设计方法和过程,重点介绍了FPGA应用系统设计中一些难点问题的解决办法。
1 系统的总体结构及器件选择
系统硬件框图如图1所示。其中,CMOS sensor为图像传感器,型号为MT9M111,用于实时接收视频信号;LCD的型号为TD036THEA3,用于实时显示视频图像;SDRAM采用ISSI公司的IS42S16400B,用于缓存视频数据;FPGA采用Cyclone II EP2C35F672C8,作为整个系统的控制核心。
MT9M111是美光公司推出的集成CMOS传感器和图形处理器的SOC产品;130万像素分辨率(1280H×1024V),可以支持SXGA格式输出;嵌入的可编程图像处理器提供的功能包括色彩恢复和修补、自动曝光、白平衡、镜头阴影修正、增加清晰度、可编程灰度修正、黑暗电平失调修正、闪烁避免、连续调整滤光尺寸、平滑的数字变焦、快速自动曝光模式和不工作时缺陷修正等,可以通过两线串行接口对其进行配置。
EP2C35F672C8为Altera公司Cyclone II系列FPGA芯片,在性能、功耗和性价比方面超越了第一代Cyclone系列。可以内嵌各种IP核,实现强大的控制处理功能;内嵌M4K存储器块,用于实现单端口RAM、双端口RAM、ROM以及同步FIFO和异步FIFO;除了支持LVTTL、LVCMOS、SSTL等标准的单端I/O外,还支持LVDS、RSDS、mini-LVDS、LVPECL等标准的差分信号;支持四个可编程锁相环(PLL)和最多16个全局时钟线,还有对时钟管理和频率合成的能力。价格也比较适中,所以很适合作为大批量产品的解决方案。是视频处理低成本解决方案的理想选择。
IS42S16400B是ISSI公司的SDRAM产品。包含67,108,864bits,可配置为具有同步接口的四块DRAM。该SDRAM包括自动刷新模式、省电模式和掉电模式。所有信号在时钟信号上升沿保存。所有输入和输出与LVTTL兼容。内部块之间交错隐藏预充电时间,支持同步猝发数据传输方式。
TD036THEA3为3.6寸有源矩阵彩色TFT液晶显示模块,采用低温多晶矽硅TFT技术,分辨率为320×240,数据格式为RGB565,具体显示为QVGA模式,输出像素时钟为19.28MHz。
2 系统的FPGA设计
系统的FPGA设计模块图如图2所示。I2C controler模块用于通过I2C总线协议控制MT9M111的寄存器配置,使摄像头按照配置的模式工作,输出行场同步信号、像素时钟、图像数据。Image Capture模块检测行场同步信号、生成写使能信号,在像素时钟的上升沿将视频数据采集到寄存器中。RAW2RGB模块将采集的数据转换成RGB信号,SDRAM controler模块用于控制数据的缓冲,将数据写入SDRAM。LCM Controller模块产生LCD控制信号,将SDRAM中的数据送到LCD上,这样就完成了视频图像的实时采集与显示。
设计中采用Verilog HDL进行编程,可以在抽象层对电路进行描述,而不必考虑特定的制造工艺,通过使用Altera公司Quartus II软件的逻辑综合工具能够将设计自动转换为任意一种制造工艺版图。
2.1 I2C controler模块设计
I2C controller模块是通过编写Verilog代码自定义逻辑实现的。模块图如图3所示。
在该模块中,由于需要把I2C总线接口的SCL和SDA信号在系统时钟下同步,因此采用系统时钟i CLK对SCL和SDA信号进行三次缓冲,得到其上升沿和下降沿脉冲信号,便于状态机处理;状态机对I2C的读/写寄存器操作进行说明,状态包括器件地址部分、寄存器地址部分和数据部分。
2.2 图像数据采集模块设计
在程序设计过程中,首先需要检测视频图像中帧标志的有效起始和结束,在判断到帧标志有效后,需要继续检测视频图像中行的有效起始和结束标志,在判断到行标志有效后,在像素时钟上升沿把图像的有效像素值存入存储器;同时,在帧标志的上升沿后,列计数器x_cnt清0,在行标志有效期间,对列计数器进行计数,记满1280为一行数据,行计数器加1;最后,输出数据的有效使能信号,供下一级图像格式转换模块使用。
部分源代码如下:
2.3 图像格式转换模块设计
由于在MT9M111图像传感器的配置中,采用原始的Bayer输出格式,使得其每次只产生一种颜色分量的响应值,而FPGA后续设计需要4:4:4的RGB颜色,因此需要对颜色分量进行处理。
本模块设计需要大量的移位寄存器,如果全部采用FPGA内部的触发器串联构成的话,需要2560个10bit的触发器,会导致LE中的触发器资源紧张,可能会出现最终逻辑资源不够用的情况。在Altera FPGA中,内嵌的M512和M4K专用IP存储模块,可以被用来支持移位寄存器模式,不仅可以节省触发器资源,同时也减少了布线资源。通过调用Altera的IP核生成器产生移位寄存器,数据宽度为10bits,抽头数(Taps)为2,如图4所示。
2.4 图像数据缓存控制模块设计
由于MT9M111工作时钟为25MHZ,因此图像数据的接收、格式转换是在25MHZ时钟频率下进行的。而FPGA板上输入时钟频率为50MHZ,因此会产生异步时钟域问题。设计中采用异步FIFO进行数据缓冲。同理,由于液晶屏输出像素时钟频率为19.28MHZ,SDRAM控制器使用的时钟为输入时钟经过FPGA内部的PLL两倍频后的100MHZ,因此在SDRAM控制器与液晶屏显示控制模块之间也通过异步FIFO进行数据缓冲。
为了满足视频图像实时采集和显示的需要,视频数据的接收和显示需同时进行。而SDRAM作为单端口器件,不能同时进行数据的写入和读出。要实现同时读写,必须采用乒乓操作来完成,原理如图5所示。具体方法是通过设计SDRAM控制器接口和FIFO缓冲接口,轮流对一片SDRAM中的两块BANK进行操作,当传感器发送数据至SDRAM时,写入BANK0,此时显示控制可以从BANK1取数据,并且传感器发送一帧数据的时间与显示器取出一帧数据的时间相同;当传感器继续发送数据时,写入BANK1,同时显示控制可以从BANK0取数据,如此不断循环。这样就可以有效地利用和节省存储器资源,并实现视频图像的实时采集和显示。
2.5 显示控制模块设计
显示控制模块LCM Controller用于按照TD036THEA3液晶屏的时序要求,产生输出帧和行控制信号,通过读取FIFO中的数据,输出RGB数据,完成液晶屏的显示控制。其时钟频率为19.28MHZ,是通过对系统时钟分频得到的。
部分实现代码如下:
3 系统的测试
通过编写测试代码,采用Modelsim仿真工具对整个FPGA中的各个模块进行仿真测试。图6为Image capture模块的仿真测试时序图,其他模块的仿真测试方法类似,不再赘述。
Image capture模块是系统中的关键部分,它根据MT9M111图像传感器输入的行有效信号、帧有效信号,采集像素数据,提供给后续模块进行格式转换、显示输出等。
如图中所示,输入时钟频率为25MHZ,在系统复位为高的情况下,当帧有效标志和行有效标志均为高时,对输入数据进行采样,同时x_cont计数器不断加一;当一行结束的时候,y_cont计数器加1,完成有效图像数据的采样。
通过对整个系统的实际测试,在50MHZ频率下,达到的指标如下:实时性:25帧/秒;最大功耗:3.5W。连续采集和显示视频图像的质量和稳定性也很高。
4 结论
本文介绍了一种采用FPGA作为核心控制器同时实现外围部件接口控制逻辑的视频图像实时采集和显示系统实例。叙述了各功能模块和接口电路的设计方法、测试方法。给出了异步时钟处理、调用IP核生成移位寄存器、SDRAM存储器乒乓式操作等FPGA应用设计中的一些难点问题的处理方法。通过仿真测试和实际验证,该系统在快速性、稳定性及体积、功耗、成本等方面均具有较优越的性能。表明,利用FPGA进行视频图像信息采集和显示系统设计,是降低产品体积、功耗,提高快速性、稳定性的有效途径。
参考文献
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数据图像化与显示 篇9
关键词：数据,图像,函数,模糊聚类
数据图像化就是通过计算机技术巧妙地将枯燥的文字信息通过图像来呈现, 直观地将数据形像化地表达。这一技术在日常经济社会活动中已经被广泛地采用, 也越来越显示其直观、生动、形像的优点。本文试就数据图像化处理技术进行分析。
1 关键问题和解决方案
数据图像化的前提是获取足够多的数据, 数据形式是多样的, 包括数字、文字、图像、声音等。数据图像化就是要数据还原成对应坐标, 从而实现数据的可视化。主要解决方案利用一些非商业性质公开获取的用户兴趣数据作为初始数据, 读取搜集的用户兴趣信息数据, 找出某两列可以绘制成坐标的字段。
2 模块设计描述
方法一:void CKuan2View::On File Open () ;函数的功能是读取采集的用户感兴趣的数据, 先将窗体中显示坐标点的坐标轴画出来。 因为采集的用户兴趣数据的横坐标的取值范围在[20-130] 之间, 那么设置坐标轴的X坐标的起始位置是20, X轴的步长为10。纵坐标取值范围在[50-140] 之间, 设置Y轴坐标的起点为50, Y轴的步长也是10。设置C++中用户绘制窗体应用程序的画刷。 声明窗体CDC*p DC=Get DC () ;创建画刷, 并为画刷设置线条属性和线条的颜色CPen Pen (PS_DASH, 3, RGB (250, 0, 0) ) ;将创建的这个笔刷交给CPen *p Pen= p DC->Select Object (&Pen) ;如代码1所示。创建完画刷之后, 将读取的用户信息数据读取到内存单元中。
代码1 创建绘刷工具
进行方法二之前, 先将绘制的用户坐标系和坐标系上面的分割线绘制出来, 首先我们要在MFC的桌面端窗口中绘制一个方法一中说明的坐标系属性。X轴的坐标的起点为20, 步长为10, Y轴的坐标起始坐标为50, 增长的步长为10。设置坐标系、坐标点的代码如代码2 所示。
代码2打开目标文件的操作
方法二:void CKuan2View::OnD raw (CDC*p DC) , 该函数的功能建立坐标系、读取用户兴趣数据, 并且把用户兴趣数据转成坐标点呈现在坐标系中。FILE*fp=fopen ("c:\3.txt", "r") ;打开所要读取的用户兴趣数据。文件3.txt中存储采集的用户兴趣数据。循环读取文件3.txt中的数据存入声明的数组中pt Array, 其中ptA rray数据的数据结构是POINT类型的。将读取的用户兴趣数据的经度赋值给POINT的x坐标, 纬度赋值给POINT的y坐标。如代码3所示。这边要将3.txt文件中的所有数据读取出来, 并且用黑色的点在坐标系中显示出来, 即数据的可视化。
代码3建立可视化坐标系读取数据
3 功能实现说明
分析搜集到的用户兴趣数据, 循环读取出其中代表用户兴趣数据的经度、纬度, 将读取的经度和纬度的坐标赋值给声明的POINT数组中。其中经度坐标赋值给POINT类型数据变量的横坐标, 纬度坐标赋值给声明的POINT类型变量的纵坐标。在将这些点绘制出来之前首先需要创建这样的画刷, 设置画刷的一些相关属性, 包括画刷的颜色, 画刷的线条的类型等。
画刷创建并赋值属性之后, 需要将窗口界面的中用于显示这些数据的坐标系先画出来, 还要将坐标的标点和坐标的水平分割线表示出来。在画刷画完坐标系和坐标点后, 将数组中读取的用户感兴趣数据显示绘制在创建完的坐标系中, 系统界面如图1所示。
4 绘制多边形区域并保存区域内数据
如何记录绘制的多边形区域, 并将绘制的多边形区域中的用户兴趣数据保存起来?解决方案主要是在程序中实现了这样的功能, 在窗体的右上方事先设置多边形区域选择, 在保存多边形区域中选中数据的时候, 主要用到的算法是线性扫描算法。该模块设计中也包含两大主要功能, 首先是在利用鼠标手动选取多边形区域在窗体中显示。在窗体显示完之后可以对窗体中的多边形区域里面的数据进行遍历保存数据并输入到文本文件。系统界面如图2所示。同时监听鼠标的点击事件, 程序对用户的鼠标事件做出响应, 如代码4 所示。
代码4记录鼠标扫描轨迹
当确定多边形区域之后, 点击开始确定多边形内用户兴趣数据前, 首先介绍下扫描线算法的含义, 扫描线算法适用于图形的计算, 将多边形区域内的数据作为第一次模糊聚类的依据。扫描线算法的步骤分析:
(1) 计算扫描线与多边形的交点;
(2) 对第1步得到的交点按照其x值从小到大进行排序;
(3) 循环遍历将多边形区域内的点找出来;
(4) 能否实现多边形扫描?如果能就结束算法, 如果不能就变更扫描线, 然后转到第1步继续处理。第1步是决定算法能否完成的关键, 需要用尽可能少的计算量求出交点, 还要考虑到交点是线段端点的例外情况。
参考文献
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图像隐秘嵌入信息系统设计 篇10
在现代科技的高速发展下, 网络已经成为人类必不可少的工具, 网络上流动着大量的多媒体信息, 然而在信息共享的同时, 数据安全也严重受到了威胁, 在网络数据传输过程中特别容易被他人截获盗取。在这种现状下, 数据加密成为解决该问题的方法。它使得截获这些信息的人无法阅读, 同时也能验证接收到的信息是否被他人篡改或替换过。但数据加密的致命缺点也显而易见, 就是重要数据被提示, 从而引起盗取者或攻击者的好奇和注意, 利用一定的破解技术有被破解而得到这些重要数据。被加密的数据一旦被破解其内容就完全透明, 而且攻击者还可以在破译失败的情况下破坏数据, 使得即使是合法接收者也无法阅读信息内容[1]。
信息隐藏则完全不同于信息加密, 它是将重要的机密信息隐藏在其它各种类型的信息中, 从而形成隐秘信道, 除通信双方以外的任何第三方并不知道秘密通信这个事实的存在[2]。它与信息加密相比, 由“看不懂”变成了“看不见”。
本系统中的信息隐藏就是基于这种隐藏技术, 能够将任何数据以特殊的
加密形式隐藏到载体图片里, 而且隐藏前后, 载体图片肉眼看不出任何变化, 真正实现了数据由“看不懂”变成“看不见”。
二、本系统的基本原理
本系统利用人眼对低位数据的不敏感性, 将机密数据存放到图像像素点的随机低位中。可应用于对数据安全要求高的中大小型企业, 国家信息安全, 和对数据安全要求高的个人计算机。内置三种模式, 可全方位隐藏重要数据, 为数据安全提供根本的保障。
(一) 系统特点与创新性
1.信息隐藏算法采用基于LSB最低位算法基础上改进的随机有效位算法。
2.加入数据随机加密隐藏, 该加密算法是在国际通用标准RC4、DES的基础上改进的随机加密算法, 可在对数据进行隐藏前先使用该加密算法进行加密。
3.内置的数据加密算法由单结果加密改进为随机数据加密, 相同的数据每次加密的结果都不一样, 但解密结果始终为原始数据, 原数据对应了一万种左右的随机密文, 但一个密文只对应一个原数据。
4.数据隐藏时所选择的像素点具有一定的随机间隔性。
5.写入数据时采用了16循环乱序写入。
6.能直接使用本软件系统进行数据发送、实时聊天。
7.采用汇编字节集读取算法, 比普通算法快近3倍, 快速比对数据的异同, 并高亮显示。
(二) 系统设计的目标
1.实现数据由“看不懂”变成“看不见”。
2.实现非法接收人即使“看见”也无法破解, 也就是即使知道图片里隐藏数据, 没有本程序也无法正确提取出隐藏数据。
3.能及时查看隐藏前后图片的变化。
4.最快速比对数据异同。
5.内置客户端服务器网络传输模式, 实现数据的快速发送与接收。
(三) 实用性
本系统将随机加密算法和随机位的信息隐藏算法综合应用, 将信息由可“看不懂”变成“看不见”, 即使看懂也无法破解出真是信息, 可以应用于对数据安全要求高的中大小型企业、国家信息安全、对数据安全要求较高的个人计算机等行业, 尤其对于公安网中的信息传递有极大的应用价值。内置三种模式, 可全方位隐藏重要数据, 为数据安全提供根本的保障。
三、软件系统的技术框架
本系统在载入载体图片后, 会自动将载入的图片转换为24位位图。
(一) 信息隐藏的基本原理
24位位图图像像素点颜色结构, 如下图:
在24位位图中高8位构成蓝色通道, 中8位构成绿色通道, 低8位构成红色通道。经过程序测试, 在删除各通道的低4位数据并加入随机噪音后, 图片用肉眼无法观察到任何变化。现在展示一张图片在删除各通道的低位数据, 并加入随机噪音后图片的变化。
从图中的变化可以看出只有在替换高位数据后才会出现明显失真的现象, 在替换低三位数据是肉眼无法观察到变化, 替换低4位后虽有轻微的失真, 但在没有原图的状态下也无法看出破绽。于是在这种理论基础上我们就可以在这各通道的低4位 (共12位) 写入想要隐藏的数据。
(二) 本系统中最低位隐藏模式的基本原理
在本程序的隐藏方式中引入了随机位的概念, 即生成随机数, 根据随机数来选择写入隐藏数据的位置。在该模式下, 是4个像素点隐藏一个字节, 即一个像素点隐藏2位的数据。从前面的理论中可知, 每个像素点共有12位给我们隐藏数据, 现在我们只需要隐藏2位的数据, 则我们共有=66种隐藏的方法, 本程序则生成四个1到66的随机数, 然后将这四个随机数采用作者编写的标准转换为四个特殊字符或汉字, 然后采用高容量的模式将这四个特殊字符隐藏到特定的像素点中, 随后根据生成的随机数, 选择隐藏数据的位置并逐个像素点的写入欲隐藏的数据。被四整数余一的像素点根据第一个随机数写入, 被四整除余二的像素点根据第二个随机数写入, 四整除余三的像素点根据第三个随机数写入, 被四整除的像素点则根据第四个随机数写入。
该转换表并非加密转换, 而是像2战时所采用的密文一样, 随机生成后进行对应, 转换前后的数据无任何规律, 只有通信双方知道该标准。
(考虑本程序的安全性, 所以只公布少部分的转换表)
1.本系统中随机间隔隐藏的基本原理
对于比较小的数据, 不能填充到所有像素点都隐藏数据, 这时有可能会被统计低位数据分布、Cover-Stego等方法而判断出该图片隐藏了数据。这时本程序采用了随机间隔写入, 并在未隐藏像素点中适当写入随机噪音, 不仅解决该问题, 同时进一步加大数据提取的难度。
在本系统中会先计算载体图像的隐藏信息容量和隐藏信息大小, 将容量与隐藏信息大小整除取整得到一个间隔系数, 然后系统生成一个从1到该间隔系数的随机数, 同样系统按照上表的标准转换为某个字符, 然后采用高容量模式隐藏方式将该字符和隐藏信息的数据长度隐藏到特定的像素点中, 随后系统按照该随机数, 选择被隐藏数据的像素点进行写入。如:信息容量是156KB, 欲隐藏的数据大小为23KB, 整除得到6, 则生成1到6的随机数, 假设生成的随机数为3, 则选择进行隐藏的像素点在纵向上间隔为3。
2.本系统写入数据时的非顺序性
本系统在写入隐藏数据时, 并非按顺序写入, 而是以16为周期循环乱序写入, 将像素点位置对16求余, 然后按照下面的方案就行乱序写入。
3.本系统数据随机加密的基本原理
经过前面几步基本能保证即使知道图像里隐藏信息, 没有本程序也无法正确提取图像中隐藏的信息, 但一旦盗取者盗走该软件, 则可以轻易将图像的隐藏信息提取出来。为彻底保证隐藏信息的安全性, 程序中加入了随机加密隐藏的功能, 该加密算法基于国际通用标准RC4和DES, 能够保证数据的安全性。下面是随机加密算法的原理图:
四、系统的基本流程和主要功能
五、总结
在现在这个网络应用迅速普及的时代, 信息安全尤为重要, 目前信息传递的过程如何保障数据安全, 主要是采用数据机密和信息隐藏两种技术, 但仍有信息被窃取的极大可能, 本软件通过自主研发, 在加密算法上加入数据随机加密, 提高数据机密程度, 大大降低或完全阻止信息解密。在对数据加密后利用信息隐藏技术, 把“看不懂”的数据变为“看不见”, 采用基于LSB最低位算法基础上改进的随机有效位算法。使信息提取成功的概率大大降低, 有效改进了现有的地位隐藏算法, 从而为信息安全传递提供保障, 具有极大的社会应用价值。
参考文献
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图像显示系统论文 篇11
一、地理教材中图像系统的比较
笔者将两本地理教材中图像系统划分为地图、照片航片及卫片、示意图、统计图以及漫画等，并对于组图的使用进行了统计，表格的最后一列将参照的图像总数与教科书页数进行了比较。数据清晰地反应了两本地理教材中图像系统使用的特点，主要可从以下几方面分析。
1.图像系统数量较多
通过对图像系统的收集整理，发现两本地理教材中的图像使用数量均具有图幅使用量大的特点，基本上实现了“页页有图”的要求。统计后，发现文达版仅“灾害”一节中，就出现了52幅图像，平均每页教材中出现图像1.4幅，比例颇大；而在统计人教版选修5后，发现全书共用图像117幅，平均每页教材中出现图像1.37幅，与文达版在页图幅出现率上大致持平。与以往地理教材相比，人教版地理教材中图像系统的使用从数量上出现了极大提升，效果明显。
2.图像使用类型较广
通过对比统计后的结果，发现两本教材在图像使用类型上比较全面，对于不同类型的图像均予以了运用。但不同类型图像的使用比例上，两本教材产生了一定的对比性。文达版教材更加重视照片、航片与卫星遥感影像图的使用，比例达40.3%，对地图、示意图以及统计图的使用也有一定重视且比例差距不大。人教版教材更加重视地图的使用，尤其是中国版图（完整幅）的使用很大的比重。对照片以及统计图也有一定的重视，但在示意图占部分和文达版教材差距幅度较大，且在漫画的使用上也要高于文达版教材。即两本教材的图像类型特征各有特色、各有侧重。
3.色彩运用各有特色
对比两本地理教材中图像系统的色彩，除照片以及航片、卫星图片之外，地图、示意图和统计图更依赖于色彩的支持。人教版地理教材中整体色彩使用比较融洽，图像层次明显，重点能够很好地突出，同时减少了那些效果不大甚至干扰因素的使用。整本教材图像色彩使用上令人易于接受，作用效果明显。文达版地理教材在色彩上也注意了这一点，但整体效果没有人教版自然，尤其是在背景图上选择了白色，容易刺激读者的阅读情绪。
4.地图特征差异较大
我国教科书中的地图，长期以来由于节省篇幅，造成信息量大、分辨率低等弱势。因此首先在幅面效果上，新编人教版地理教材虽对无关或作用不强的要素做出了一定删减，但信息量的比重仍然比较大，幅面效果不是很清晰，降低了学生对地图所要表达主题的把握效果。在这一点上文达版地理教材地图使用效果很好，幅面上必要的三要素没有缺少，但主题一目了然，地图上的大面积留空，使学生避免了眼花缭乱，对重点内容一览无余。同时，文达版地理教材更大程度地弱化了地理界限，通过色彩的使用，使界限清晰。在重点内容符号的粗重程度上，文达版地理教材也优于人教版，利于突出重点，增强注意程度。
5.组图使用优势明显
通过比较表1可以看到，两本地理教材中均注意到组图的使用，人教版组图使用程度略高于文达版。组图在介绍地理事物的原理、地理过程与整体地理事物上效果明显。例如，在地震防御内容上，人教版地理教材将室内避震与室外避震设置成两组组图，学生可以通过组图的集中浏览与学习，对比出不同环境下避震的做法与优势，从而真正牢记于心。在环境特性对人类的优劣势介绍上，文达版地理教材采用组图形式集中介绍了降雨、河流、降雪、热带气旋以及火山爆发等对人类的优势一面和灾害一面。学生通过左右图片的对比，快速地领悟并形成整体对比思维和地理辩证思维。因此，在组图的使用上，两本教材均进行了很好的运用。
二、地理教材中图像系统使用的优化措施
1.合理设置图像系统的数量
图像系统在一本地理教材中存在的数量问题不应进行明令规定，图像过多和图像过少都是不妥当的，不利于教学工作的高效开展。不同知识类型的教材中图像系统出现的数量，应根据教材所要表达的教学内容与教学目标而设计。教学内容对于图像系统的内容选择与类型选择具有明显的指引作用，而教学目标则从方向上指明了图像系统所应实现的层次与要达到的教育程度。如在可持续发展内容上，图像系统应全面地反映可持续发展的不同阶段历史、出现问题、国际关注与合作、发展前景等，通过一定数量图像的合理设置，便于教材目标的实现，也方便学生很快了解到关于可持续发展的相关知识内容。
因此，在设置图像系统数量问题上，内地人教版教材与香港文达版教材仍需要进行再设计，不应过多追求数量，而应着眼于教学目标在教材中的实现，真正做到“图”与“文”实现“黄金分割”，相互依托、相互促进。同时，内地人教版教材可参照香港文达版教材图像系统在习题中的使用，重视图像在习题解决时的辅助与反馈作用，方便学生“学以致用”。
2.充分挖掘图像系统的功能
不同类型的图像具有独特意义的功能作用，教材编写过程中编者应在对教学内容把握的基础上认真选择不同类型的图像，实现地理知识最有效合理的表达。例如，地图的使用有利于培养学生的综合读图判读能力，实现文字语言的“图示化”。漫画图的使用有利于吸引学生的注意力与兴趣，更有利于地理意图与目的的传输。示意图的使用能够实现文字内容图形化、抽象内容具体化、复杂内容简单化、静态内容动态化,有利于学生理解和掌握地理知识。照片实现地理知识概念与现象的“真实性”与“生活性”，而航空照片和卫星图片实现地理知识的“空间性”。教材中图像类型的分布特点与出现比例应按照最有效表达与传递信息来选择。
通过“表1”反映情况看，内地地理教材应在照片、航片与卫片上以及示意图使用上向香港文达版借鉴。尤其是反映乡土地理信息的照片，更能增强学生的地理感知；而示意图为学生在习题与自我模拟中时常使用的类型，可以增强学生对地理事物的想象与熟悉程度。文达版地理教材也应在统计图表的使用上借鉴内地版教材，更好地服务于学生对教材中地理事物的比较分析与统计，锻炼学生绘制统计图表的技能。
3.优化图像系统的幅面设计
地理教材中图像使用的幅面效果应坚持简洁美观、色彩搭配清新、色调过渡自然，减少不必要因素的使用，更大程度地突出图像所要表达的主题，实现图像使用效益最大化。传播学理论认为：五官获得知识的比率中，视觉所获得的知识量高达83%。视觉所获得的知识量远高于其它器官，如听觉、味觉、嗅觉与触觉等所获得的知识量。因此，对图像系统幅面效果的设计与优化与学生的认知水平、审美水平与判读能力相结合，能够快速有效地传递与呈现地理信息。
在幅面效果的设计上，内地版地理教材在反映与突出主题的有效程度上应学习香港文达版教材的设计模式，尽量减少不必要因素的使用，着重甚至适度夸大表达主题的突出效果，吸引学生注意与学习。而香港文达版地理教材在幅面色彩过渡与背景图及其它辅助信息上应借鉴内地版地理教材，实现主题表达与色彩合理运用的有效结合，更大程度地实现图像信息有效传播。
4.增强图像系统的组合使用
系统论整体性原理指出：系统是由若干要素组成的具有一定新功能的有机整体，系统整体形成后，就具有独立要素所不具有的性质和功能。地理教材中组图与系列图的使用，能够很好地说明地理原理与地理过程。地理教材中对组图的使用，使学生能够明了地理事物的起源、过程变化，对比图象以及通过对比形成独立的思考与倾向，有利于学生地理整体性思维能力的培养以及多元智能的形成。
掌脉图像采集系统设计 篇12
目前的掌脉图像采集装置多采用CCD或CMOS摄像机连接图像采集卡将图像传送至PC机。PC机体积庞大、操作繁琐、成本较高。故设计一种以DSP数字信号处理器为核心的嵌入式掌脉采集装置可以摆脱PC机的限制,进而降低成本,同时为基于这种新兴的生物特征识别相关的产品提供硬件支持,便于产品的现场实际应用。
本文设计了在光照强度恒定的前提下,通过重复配置TVP5146的光亮度和亮度对比度等寄存器来采集掌脉图像并方便定位手形图像。通过该方法可以同时解决提高静脉图像对比度及降低掌脉图像有效区域截取算法复杂度的问题。
1 掌脉图像取样装置及光学系统设计
1.1 掌脉图像取样装置的设计
在对手掌静脉图像取样装置设计时遵循以下原则:
(1)使采集者对采集过程感到舒适;
(2)采集到的手掌图像方向相对固定不变,方便将来对所采图像做定位处理;
(3)环境相对封闭,减少外界环境所带来的干扰噪声。
根据上述原则设计了手掌静脉图像取样装置,该装置由掌入口、光源、红外滤光片、箱体、匀光板、内部反光材料、背景和摄像机8个部分所组成。图1为手掌静脉图像取样装置的三维立体图。
该装置各部分功能说明如下:
(1)掌入口:手平伸后从此入口伸入采样装置,手掌与摄像机距离相对固定,使手掌的方向不会有较大偏差,可定焦拍摄,方便以后对掌脉图像做定位处理。
(2)光源:加近红外光。
(3)红外滤光片:由于摄像机对可见光的相对光谱响应远大于对近红外光相对光谱响应,加红外滤光片可滤除可见光,避免可见光对成像效果造成影响。
(4)箱体:虽然加了红外滤光片可以滤除可见光,但自然光中的近红外光很丰富,而箱体使采集环境相对封闭,可避免外界环境对采集效果造成影响。
(5)匀光板:将由一组近红外发光二极管构成的阵列点光源转换为相对均匀的面光源。
(6)内部反光材料:为系统补光。
(7)背景:黑色背景,图像二值化后便于对掌心图像做有效区域截取。
(8)摄像机:拍摄图像。
1.2 光源的设计
在近红外区域,体液和软组织相对透明,穿透力强。当入射光波长在700 nm~1 000 nm时,可较好地穿透皮肤和肌肉,凸现出静脉结构。另外,近红外光线对人体无创伤,人眼不可见,非常适合应用于静脉图像的采集。
本系统采用以850 nm为主、960 nm为辅的混合光源为系统加光。850 nm的近红外光可以避免人体其他组织对近红外光的吸收,可以采集到大多数人的掌脉图像。960 nm光源透射深度大,可以拍摄到手掌脂肪层较厚人群的静脉图像。如图2所示,图2(a)所示为正常手在850 nm光照下的成像,图2(b)为脂肪层较厚的手在850 nm和960 nm光照下成像对比。近红外光谱对静脉成像的影响问题本文不详细论述。
2 硬件电路设计
通过对系统控制面板的操作,可以根据需要控制所采掌脉图像是登记还是登入等工作状态,摄像机采集模拟图像,通过视频解码芯片TVP5146将模拟信号数字化,将数字化后的图像存入DDR2做预处理,将预处理后的图像存入FLASH,识别结果由液晶模块显示。图3为系统框图。
2.1 图像采集单元
系统通过TVP5146将模拟信号数字化[3],摄像机连接在TVP5146的VI_2_B端口上,通过I2C对其寄存器进行配置。首先需要将模拟通道寄存器设置为05H,然后选择视频信号输入端口为VI_2_B。所用摄像机为PAL制式,需要将视频标准寄存器设置为02H。
采集掌脉图像对光亮度要求十分严格。为了使静脉纹理清晰,必须使光照充足,保证有足够的近红外光被血红蛋白吸收。在视频解码芯片TVP5146光亮度寄存器和亮度对比度寄存器不进行配置(使用默认配置值,即128,128)时,图像亮度大,图像边缘明显,但静脉图案与背景的对比度低,如图4所示。
为保证有足够的近红外光被血红蛋白吸收,应保持光照强度不变。通过视频解码芯片将对比度调高,以增强静脉纹理与背景的对比度,同时通过视频解码芯片将亮度调低,使图像不至于产生曝光。但此种方法会对定位和有效区域截取造成障碍。其原因是由于手掌、手指边缘图像与背景颜色接近,二值化、边界提取后无法正确定位,如图5所示。
本系统采用2次配置视频解码芯片TVP5146光亮度寄存器和亮度对比度寄存器,连续分别采2幅图像的方法,正确截取掌脉有效区域。第一次将光亮度寄存器设置为0x14,亮度对比度寄存器设置为0x A0,此时所采图像为掌脉图像。在光强恒定的条件下,第二次将光亮度寄存器设置为0x FF,亮度对比度寄存器设置为0x FF,此时所采图像是背景为黑色、手部为白色的手形图像,如图6所示。TVP5146时钟频率为27 MHz,像素时钟为时钟频率的1/2,即13.5 MHz,采集一幅640×480图像所用时间为约为0.023 s,即23 ms。此外,对TVP5146和DSP中的部分寄存器的重新配置还需要一定的时间。TMS320DM6437 DSP工作频率为594 MHz,通过CCS仿真软件中的Profile功能测得采集两幅图像共用了187 004个时钟周期,所用时间约为0.3 ms。开始采集第一幅图像到开始采集第二幅图像之间只相差23.3ms,时间间隔很小,因此可以认为在采集两幅图像时手的位置没有变化。这样就可以通过在第二幅图上定位出有效区域,然后在第一幅图上截取有效区域。
2.2 图像预处理单元
本系统所采图像大小为640×480,TMS320DM6437片上RAM难以满足处理图像的需要,因此需要外扩存储器。系统需要对图像进行大量预处理计算和中间图像暂存,需要使用存储量大且速度快的外扩存储器。DDR2SDRAM可以满足设计需求。DDR2和DDR一样,都采用了在时钟的上升沿和下降沿同时进行数据传输的基本方式,但DDR2拥有2倍于DDR的预读取系统命令数据的能力,可以很好地满足系统对速度的要求。本系统采用的DDR2 SDRAM其容量为512 MB,满足系统对外扩存储空间的需求。TMS320DM6437的EMIF接口可以与SDRAM实现无缝连接[4],降低了系统的复杂度。
由于FLASH具有掉电后不丢失的特点,因此选用其存放采集到的掌脉图像。但原始灰度掌脉图像为640×480,占用存储空间大小为300 KB,如果存放整张掌脉图像会严重浪费有限的存储空间。另外,每次匹配登入图像时都需要对原始图像进行预处理,因此占用系统资源,增加匹配时间。所以本文采用先对原始图像做有效区域截取,存储归一化后的掌脉图像的方法来节约存储空间。
在手形图像中,可利用手指根部与手掌交叉处的轮廓特征点对掌脉有效区域进行定位。只选取图像的上半部分最大连续边界计算每点的曲率,根据曲率计算确定各个指根之间的交叉点,共3个。3个点中横坐标最大和最小的2个点为有效区域截取的基准点。根据基准点截取出方形图像并归一化为128×128,大小为16KB的图像存入FLASH。相比原始掌脉图片,预处理后的图片大小只为原始图像大小的4/75,有效节约了存储空间。
3 识别测试
在半封闭的取样装置中,用近红外光做主动光源所拍摄的掌脉图像受外界光强变化影响很小,本系统所采图像经归一化后,使用二维Fisher线性判别器对所采图像进行分类测试。通过计算每个测试样本的特征与训练库中每个样本的特征的欧氏距离,使用最近邻法决策出待测样本所属类别。对10人进行静脉图像采集,每人10幅图像,共100幅静脉图像。测试时用每一个类的两幅图像作为训练样本集,每个类的剩余图像作为测试样本集。特征子空间维数分别取1、2、3时对应的识别率分别为93.75%、97.5%和100%,表明系统采集到的掌脉图像完全能够满足识别算法的需要。采集者可以通过显示器方便地确定手的位置是否合适。
在分析了目前对掌脉图像采集装置研究较少的现状后,本文构建了一种基于TMS320DM6437 DSP和视频解码芯片TVP5146的掌脉图像采集系统并设计出了机械装置和光学结构。在光照强度恒定的条件下能够清晰并快速地拍摄出手掌静脉图像和方便定位的手形图像。通过该方法可以同时解决提高静脉图像对比度和降低掌脉图像有效区域截取算法复杂度的问题。系统可以脱离PC机的束缚方便地应用于现场,具有很好的应用价值和发展前景。试验证明,该系统具有非接触、快速和抗干扰等优点,所采集到的掌脉图像完全满足识别算法的需要。
摘要：设计并实现了一种以TMS320DM6437DSP和视频解码芯片TVP5146为核心的掌脉图像采集系统。系统使用850nm和960nm双波长近红外光源,在光照强度恒定的条件下,通过重复设置TVP5146的光亮度和亮度对比度等寄存器,利用手形图像可以间接地精确定位出掌脉图像的有效区域。该系统可以脱离通用计算机的束缚方便地应用于现场。
关键词：手掌静脉,图像采集,近红外光,TVP5146
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