图像系统设计范文

图像系统设计范文（精选12篇）

图像系统设计 第1篇

1分光单元设计

分光系统主要是由分光单元构成,而分光单元的设计也是整个分光图像测量系统设计中最为重要的一个部分,其主要功能是将前置光学系统中导入分光光学系统的光线均匀分裂成四束射出,并被后置成像物镜及光电探测器件接收,且满足前文中所提出的同光轴、光强均匀且结构易微型化等要求。

为了实现设计中提出的技术要求,决定选用镀膜棱镜组来制作分光单元。镀膜棱镜入光口径大, 且制作工艺成熟,棱镜镀膜种类、形状及尺寸都有多种指标可选择,适合用以制作分光单元。

1.1分光单元所用分光棱镜的选择

分光棱镜所选用镀膜既要保证分光后光强的低损耗,又要使分得光线可用于下一步分光中。光波在介质中传播时是横波,但光波在金属中传播就不再是纯横波,它还有一部分是纵波,因此偏振效应较小。加之金属膜中性好,所以介质-金属-介质消偏振膜系有优良的特性[2]。

设计中采用斜面镀有金属-介质组合消偏振薄膜的NPBS消偏振分光棱镜作为分光单元的分光棱镜使用,棱镜结构如图2所示。入射光进入分光棱镜被分为透射与反射两束出射光射出,且两束出射光线皆不为偏振光,可用于再次分光,透射反射比T/R=1/1。

1.2分光单元所用反射棱镜的选择

分光单元中反射棱镜主要用来对光路进行调整,故而应采用与分光棱镜灵敏频段相符、反射率高且吸收损耗较小的反射镀膜技术[3]。在设计中使用斜面镀有高反射率介质反射膜的三角反射棱镜,棱镜结构如图3所示。

2分光光学系统结构的设计

在设计分光单元时,如直接将分光棱镜依次排列,经过多次分光,势必会造成分得光线的不均匀以及光线空间位置的偏移。所以在设计分光单元时,需按一定结构布置棱镜间的相对位置,利用反射棱镜及棱镜间的相对位置对分光棱镜分得光线的光路进行合理调变,最终达到设计需求。

2.1分光单元结构

分光单元由三个消偏振分光棱镜(NPBS)和三个反射三角棱镜构成,如图4所示。图中数字分别表示:1是分光单元整体;2、3、4是消偏振分光棱镜; 5、6、7是反射三角棱镜。

分光单元整体成一不规则几何体,可根据实际测量需要选用不同尺寸棱镜制作分光单元整体,如对于微型系统,可使用小尺寸棱镜进行分光单元的制作以达到测量目的。

2.2分光单元内部光路分析

分光单元内部光路图如图5所示。下面通过对光路的分析,详细说明分光单元的设计思路。

光线L1由目标物体发出,L1通过第一消偏振分光棱镜2进入分光单元整体1,L1通过第一消偏振分光单元2的镀膜斜面被分成T/R=50/50的透射光L2与反射光L3。透射光L2射入第二消偏振分光棱镜3中,L2通过第二消偏振分光棱镜3的镀膜斜面被分成T/R=25/25的透射光L4与反射光L5,L5由第二反射三角棱镜6调整光路射出分光单元。透射光L3经过第一反射三角棱镜5调整光路射入第三消偏振分光棱镜4通过镀膜层斜面分为T/R=25/25的透射光L6与反射光L7,反射光L7经由第三反射三角棱镜7调整光路射出。由此达到将入射光L1分成光强为其25%的四束光L4、L5、L6、L7,将L4、L5、L6、 L7聚焦成像于光电探测器感光面便可达到分光成像的目的。

3分光光学系统性能分析

通过上述对分光单元内部光路的分析表明,分光单元已经达到了分单束入射光线为四束的应用要求。下面再对设计中反射次数、分光所使用的棱镜以及分光次数做进一步的说明。

3.1反射次数

反射次数依据应用光学原理,在一个光学系统中光线经过的反射次数为奇数时所成像为镜像[4]。 设计中因为多次利用光的反射原理调整光路,所以在设计中必须对光线所经反射次数进行考虑。通过对设计光路图的分析可知,光线L4产生过程中在分光单元内部反射次数为0,光线L5产生过程中在分光单元内部反射次数为2,光线L6产生过程中在分光单元内部反射次数为2,光线L7产生过程中在分光单元内部反射次数为4,由此可以说明,设计中分光单元所成像皆不为镜像。

3.2分光棱镜

使用分光棱镜,要求分光单元中光线由一束分为四束,四束分得光线每条皆经过两次分光得到。 如果采用偏振分光棱镜,因其是利用主光线中所含光线偏振态的不同而实现分光的效果,其分得光线皆具有统一偏振态,导致第一次分光后产生偏振光无法再进行第二次分光。所以分光单元中使用的分光棱镜需采用消偏振分光棱镜,使得分得光线无偏振态,从而可进行二次分光。

3.3分光次数

分光次数是在原光线通过分光棱镜后,会分为光强为原光线一半的两束光线,所以每次分光会对光线的强度产生重大变化。在分光单元的设计中, 如果分得四束光线所历经的分光次数不同,则会导致分光单元出射光线光强严重不均匀,从而无法达到设计要求。由前文中对所设计分光单元光路分析可知,光线L4、L5、L6、L7皆为经过两次分光而得, 可以满足设计要求。

4分光光学系统仿真

采用Zemax对光学系统进行仿真。Zemax包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能、并通过直观的用户界面,为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。

Zemax采用序列(sequential)和非序列(non-se-quential)两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。依据前文中的设计,采用Zemax中非序列模式(non-sequential)对分光光学系统进行了仿真。分光单元三维结构线框图如图6所示。仿真系统主要由光源、分光单元与探测器三部分组成,其中分光单元中的棱镜由九个多边形对象(poly object)来模拟。图中为看清分光系统结构只用了一条光线进行光线追迹,从光线的走向可以看出,达到了前文设计中的分光效果,将一束光线分为了四束射入探测器。

为研究光线经过分光单元后的能量情况,通过对光源的设置,模拟100条光线射入分光光学系统后,在探测器上的能量分布情况。如图7所示。为模拟100条光线经过分光系统射入探测器的非序列部件立体渲染模型图。

在仿真设定时,设计的分光膜选为透反比为T/R=50/50的理想分光膜,反射膜选为理想全反射膜,忽略了因分光及反射而带来的光能损耗。使用Zemax中光线追迹与探测器控制模块(ray trace/de-tector control)对探测器接收到分光光线进行分析, 在探测器显示模块(detector viewer)中显示结果如图8所示。四个光斑能量分布基本一致。

由Zemax仿真可知,设计的分光光学系统可以达到将一束光线分为四束的目的,并在理想的状况下所分得四束光线能量分布均匀,达到了设计要求。

5结论

嵌入式图像处理系统的软件设计论文 第2篇

关键词：嵌入式；图像处理系统；软件设计

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1674-6708（2016）156-0080-02

DOI:10.16607/j.cnki.1674-6708.2016.03.049

在很多领域中，由于科学技术的不断发展，不可避免的需要使用大量的数据，面对这些算法复杂的数据，传统的图像处理系统已经不能满足要求。嵌入式图像处理系统在通讯、医药等方面都发挥着非常重要的作用，正是因为各个领域获得的图像数据越来越多，如何对图像数据快速准确的进行处理显得格外重要。所以需要设计出更优化的图像处理。

1嵌入式系统概述

1.1嵌入式系统的概念

嵌入式系统是建立在计算机技术基础上的应用型专用计算机系统，其软件和硬件都可以剪裁，系统对成本、功耗、功能都提出了更高的要求，具有可靠性强、体积小等优点，可以实现对其他设备的监视、控制和管理。随着嵌入式系统的不断发展，嵌入式系统已经渗透到人们的生活中，无论是在工业、服务业还是消费电子等领域都得到了广泛的应用。

1.2嵌入式系统的特点

与普通的计算机系统相比，嵌入式系统的专用性更强，一般是面向特定运用的，嵌入式处理器一般应用在用户设计的特定系统中，集成性高、体积小、功耗低，不仅具有方便携带的优点，操作系统更是实时操作的，可以满足实时性较强的场合要求。将嵌入式系统运用到应用程序中，在芯片上直接运行而不需要操作系统，未来可以充分利用更多的系统资源，用户需要选择RTOS开发平台，保障软件的质量。嵌入式系统主要包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统是基础，软件系统是灵魂，复杂程度非常高。

2系统软件设计

基于RF5软件系统总体设计：嵌入式图像处理系统和传统处理系统一样，主要包括硬件和软件两个方面，硬件包括系统的硬件平台，软件包括嵌入式操作系统和图像处理算法两个方面。其中硬件平台又包括图像储存模块、通信模块和显示模块等，主要是为系统的软件系统提供支持。在图像处理过程中，硬件系统可以为其提供计算、显示、存储等条件[1]。RF5是以DSP和XDAIS为基础的代码参考框架，在DSP软件的设计和开发中具有重要的作用，参考框架在整个程序中具有非常重要的作用，是整个运用应用程序的蓝本。RF5的数据处理元素包括通道、单元、任务和XDAIS算法，这4个元素之间具有紧密的联系，独立又联系。嵌入式操作系统是整个系统的核心系统，提供了包括图形处理任务管理在内的各项管理，经过硬件的初始化、图像信息存储、图像信息显示等过程实现图像处理和存储。

3软件模块化程序实现

3.1初始化模块

软件系统的初始化模块主要包括处理器、RF5模块化初始化、图像处理算法、视频捕获、视频显示通道等。处理器和系统板初始化是指设备重启之后，通过软件配置的方式对外围设备进行配置和选择。系统在进行工作的时候，初始化模块是其执行的第一个任务，执行完初始化模块之后，程序的控制权将会转变到调度程序中，由调度程序来调度接下来的任务。

3.2视频捕获和显示模块

3.2.1视频捕获的实现

视频捕获主要负责将外部的视频解码器解码生成的数字视频信号采集收集起来，并且这个采集的过程非常方便，可以实现实时采集，最终形成的图形处理也是可以实时处理的，可以随时随地对大数据的图像进行处理，这也是其最大的优点和特点。采集到的数字视频信号进入到系统外扩的存储器中，从而实现视频的捕获。视频采集可以自动采集，当单元进入自动采集状态，完成了图像的采集之后，视频端口都会向系统自动发出中断请求，中断服务程序便开始发挥自身的功能，对图像的存储区进行连续更新，图像存储区一旦更新之后，图像采集系统就会采集下一个图像数据，最终进入一个循环。当视频端口的FIFO装满了采集的数据之后，会发生中断信息，进入EDMAISR中断服务程序将视频数据送入到SDRAM中[2]。

3.2.2视频显示的实现

视频显示的实现是通过视频图像显示模块来实现的，视频图像处理模块处理后的图像经过显示模块处理，处理之后将图像编码成数字视频流，标准数字视频流经过系统编码转化为虚拟视频信号，经过解码器之后视频流就变成了标准的模拟视频信号，分别经过EDMA控制器和EDMAISR之后最终进入到视频端口的缓冲区中，经过缓冲器之后，信号会使EDMA中断，送入新的图像信号，并在显示器上显示出来，视频显示的流程。输出作用在外部编辑器中。

3.3图像处理模块

图像处理模块比较灵活，是指在嵌入式的环境下实现对图像的处理。在图像处理系统中，又包括系统功能模块和图像增强模块。系统功能中包含图像增强功能，除了图像功能之外，还包括图像的几何变换、形态运输和图像分析。在图像增强模块中又包括图像的预处理和边缘检测、直方图修正、中值滤波、灰度变换调整，而图像预处理又包括图像平滑和图像锐化。图像平滑就是消除噪声对图像造成的影响，图像平滑的处理是通过高斯低通滤波法来实现，这样做虽然可以消除图像受到噪声的影响，但同时也存在着一定的弊端，图像经过处理之后会变得模糊。图像锐化的目的就是让模糊的图像重新变得清晰。图像模糊是由于图像受到平均或积分运算而造成的，图像锐化就是对其进行逆运算，重新使图像变得清晰[3]。

4结论

嵌入式图像处理系统的软件系统主要包括初始化模块、视频捕获模块、视频显示模块和图像处理模块，在确定了整个软件系统的程序流程之后，就可以分别设计纷纷模块的程序，最终完成整个软件系统的设计。

参考文献

图像系统设计 第3篇

0 引言

变电站是重点电力生产场所，须对其环境状况、设备运行、文明生产等各类情况加以监视，特别要对安全生产构成极大威胁的情况加以监视，以防范火灾、爆炸、泄露、失窃及恶意破坏等。

当前变电站监视系统[1][3][5][6][7]已基本覆盖上述区域，并实现了遥视功能[2]，为变电站安全生产提供了直观监视手段。但是面对上千路视频图像，通过带宽有限的网络传输到远端的监控平台上，只能在局限的显示平台上采取轮询显示方式，而这些显示在画面的视频图像，也是仅仅靠人工肉眼判断是否有安全事件发生，存在明显的漏检，同时庞大的数据量也可能影响数据获取的实时性，以致对事件的处置表现出一定的滞后性。

本文提出了针对变电站安全生产的相关视频图像分析算法的设计，并将其嵌入到当前的传统监控系统中，附加智能监控设备，使得各变电站独自监控检测事件，将结果通过网络传回主控中心汇总报警。

1 系统总体结构

系统总体结构设计如l图1：

在传统的视频监控系统设计的框架结构之上，嵌入视频图像分析模块，只需在每个变电站安装一个智能视频分析的服务器，该服务器接收变电站的实时画面，并分析出其中的异常事件，然后将报警信息传送至视频监控中心。

2 视频图像智能分析原理

智能视频（IV，Intelligent Video）技术源自计算机视觉（CV，Computer Vision）与人工智能（AI，Artificial Intelligent）的研究，其发展目标在于将图像与事件描述之间建立一种映射关系，使计算机从纷繁的视频图像中分辩、识别出关键目标物体，这一研究应用于安防视频监控系统、将能借助计算机强大的数据处理能力过滤掉图像中无用的或干扰信息、自动

本文提出了智能视频图像分析模块嵌入到变电站的视频监控系统中设计方案，大大提高了视频监控的效率，从而使变电站的生产运行更加高效智能。目前无人化智能变电站已成为未来电网发展的趋势，如何高效的引入新的技术，与变电站的实际情况相结合，并提高人员工作效率，仍有很多研究课题亟待解决。

参考文献

[1] 陈水标，沈祥.图像监控系统在无人值班变电所的应用 [J].浙江电力，2001，20（2）：8-11.

CHEN Shuibiao，SHEN Xiang.Application of remote video surveillance system in non-attended substation.Zhejiang Electric Power，2001，20（2）：8-11.

[2] 涂光瑜，罗毅.电力遥视系统原理与应用 [M].北京：机械工业出版社，2005：17-85.

TU Guangyu，LUO Yi.Principles and Applications of the Power remote monitoring system[M].Beijing：Mechanical Industry Press，2005：17-85.

[3] 任广杰.智能视频质量诊断系统在监控系统中的应用[J].电信技术，2012，3，12-14.

红外林火图像采集系统设计 第4篇

森林火灾具有时空突发性、短时间内能造成巨大损失的特点。林火探测已成为越来越多的有林国家进行林火管理的重要研究工作。但是对林火图像采集却没有给予足够的重视, 现有的林火图像采集系统采集的图像模糊, 精确率不高, 并且价格昂贵[1,2], 虽然也能够起到一定的作用, 但是缺少对林火的进一步分析、火焰的蔓延速度、火焰的高度等信息。为解决上述问题, 本文采用FPGA嵌入式技术应用于CZ45135非制冷型热像仪, 可有效地实现LVDS数据的实时采集功能。

1 红外林火探测仪的结构

红外林火探测仪从结构上说, 由非制冷IRFPA热像仪、FPGA模块、DSP处理器、RS422数据传输线、云台和电源六大部分组成。本文主要介绍由非制冷IRFPA热像仪、FPGA模块和RS422数据传输线三部分组成的图像数据采集功能模块。

1.1 非制冷IRFPA热像仪

采用的非制冷IRFPA热像仪型号是CZ45135, 其主要特点是启动时间短, 功耗低, 温度灵敏度高。其环境指标为:工作温度在-40℃～+60℃, 其它的一般为-25℃～+45℃, 比较知其工作环境的约束降低了许多, 同时也降低了环境对本系统的工作要求, 技术指标与其他的改进之处为:镜头焦距为45 mm～135 mm连续变化, 其它一般为60 mm～120 mm, 从而增大了视场变化范围;温度灵敏度 (NETD) ≤60 mK, 其它一般为≤100 mK, 提高了采集到的灰度图像的对比度, 因为热像仪输出的灰度图像的灰度等级就是根据温度差来判断的, 温度灵敏度越高, 输出灰度图像的对比度就要高。

1.2 FPGA模块

FPGA模块能将传出的串行数据写入SRAM存储器或将数据从SRAM读出数据;并将读出的数据通过Nios处理器打包, 存入SDRAM存储器中。此部分从功能上主要由以下几个模块组成:图像数据接收逻辑、图像数据采集模块、数据打包和数据传输。原理框图见图1;各个模块的功能介绍如下:

(1) 图像数据接收逻辑:根据探测器输出的数字视频信号的场同步, 行同步以及时钟信号, 发送控制信号接收图像数据;

(2) 图像数据采集模块:利用verilog硬件描述语言控制FPGA主芯片完成对热像仪中的灰度图像信号的采集;

(3) 数据打包:运用Nios处理器将存储的数据打包存储到16M的SDRAM中等待传输;

(4) 数据传输:通过无线监控系统把SDRAM中的数据传输到图像处理设备中等待伪彩色处理。

1.3 其他部分

DSP处理器主要控制云台的转角速度及转动的方位如仰角的大小;RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响, 提高了系统的实时性;电源采用太阳能, 一方面符合现代社会能源要求节约了能源需求, 另一方面太阳能来自天然容易获得, 源源不竭可以给设备持续提供电源, 避免因电源不足导致失效所带来的后果。

2 系统硬件设计

林火图像采集是林火探测技术中的一项重要研究内容, 采集图像的质量直接影响林火探测的结果。系统结合林火图像的特点[3], 采用Altera公司的Cyclone系列FPGA (型号为EP1C12Q240C8N) 作为核心器件实现采集功能;采用FPGA作为核心芯片的最大优点为可以改进FPGA内部程序, 使用更高的时钟频率, 能更快准确地对图像进行采集, 并使它在不同分辨率下的自适应能力更强。

2.1 FPGA整体模块结构

FPGA模块中采用从左到右, 自上而下的设计原则, 重点在于模块的划分。本系统根据接口和功能的不同, 大致分为四个模块:主控制模块、SRAM模块、Nios处理器模块和SDRAM模块。结构框图见图2。

系统通过云台获得图像信号, 经过非制冷热像仪将图像信号转化为数字信号传输到FPGA中, FPGA将接收到的数据送入扩充的存储器SRAM中作为暂存, 同时还从SRAM中读出数据送入Nios处理器中进行数据打包, 打包结束, 将数据存入SDRAM中准备通过无线设备进行传输。

2.2 SRAM与SDRAM

存储一帧图像需要的容量太大, 不可能存放在芯片内部的RAM中, 所以必须使用外部存储器来解决这个问题。SRAM外扩存储器实现图像数据帧缓存功能, 操作简单, 高速访问时间为10.12 ns, 减少延时, 提高数据传输速率, 并且实时性高; SDRAM存储器容量大, 专门为CPU服务并用来存储Nios处理器处理好的数据。采用一片SRAM与SDRAM相结合, 同时利用FPGA内部存储单元的特性, 大大提高了系统运行的性能, 实现了对图像信号的无损传输。

FPGA通过18根地址线和5根控制线实现对SRAM的控制。SRAM与FPGA接口电路原理图如图3。

2.3 Nios处理器

Nios CPU采用五级流水线设计, 采用了Harvard结构, 使用指令和数据存储器分离的存储器结构, 具有灵活的结构可修改性, 可以支持自定制指令。Nios CPU通过Avalon总线与FPGA、SDRAM通信。此系统的Nios处理器主要完成对FPGA从SRAM中读出的数据进行打包功能。

3 系统软件设计

本系统的软件部分主要包括数据的采集、SRAM存储器的读写与数据的打包三大部分。本设计采用QuartusII开发软件, Verilog HDL硬件描述语言, 此语言具有简捷、高效、功能强, 可满足各个层次设计人员的需要等特点。具体的采集流程图见图4。

4 试验结果与分析

图5-1是热像仪扫描到的现场图像。

图5-2是此系统采集热像仪的320×240的红外灰度图像。

图5-3, 图5-4分别为图5-1, 图5-2的直方图, 通过观察直方图数据对比可知:只有在灰度值为80与175左右两幅图像有点差别, 经试验分析得知, 这两部分灰度值对林火图像的分析几乎没影响, 其余部分两幅图像几乎是一样的, 即运用本系统获得的红外林火图像与实际图像数据拟合好, 图像边缘清晰, 对比度高, 几乎无错位, 有利于进一步伪彩色处理。

5 结论

本系统充分利用了FPGA和NiosII处理器的强大功能。通过实验表明, 此系统与已有系统比较最大改进之处为:可以改变FPGA内部程序, 使用更高的时钟频率, 使采集的图像更快速准确;同时采用最先进的热像仪, 使输出的红外灰度图像对比度高;能获得清晰的林火图像, 采集的图像具有高分辨率、低误码率等特点;并且响应速度快, 实时性高, 延迟最小、程序可移植性强等优势。

摘要：林火是一种破坏性极强的灾害, 林火探测已成为林火研究中重要的研究内容之一。给出了利用FPGA嵌入式技术实现林火图像信号的采集、数据打包和传输等功能的系统。该系统稳定可靠, 通用性强, 提高了火灾探测的实时性、准确性, 并已在林火探测系统中得到实际应用。

关键词：林火图像,FPGA,图像采集,红外图像

参考文献

[1] Chi Jiannan.A detection method of infrared image small targetbased on order morphology transformation and image entropydiffer-ence.Guangzhou:Proceedings of the Fourth International Confer-ence on Machine Learning and Cybernetics, EEE, 2005

[2] Micorn Techonology.Synchronous DRAM MT48LCM16A2 Datashe-et, 2003

货车运行图像检测系统的实施 第5篇

货车运行图像检测系统的实施

介绍了货车运行故障动态图像检洲系统(TFDS)人机分工的`作用;分析比较了动态与静态检车故障的差异.

作 者：徐亚东 Xu Yadong 作者单位：上海铁路局南京东车辆段,江苏,南京,210046刊 名：铁道机车车辆工人英文刊名：RAILWAY LOCOMOTIVE & ROLLING STOCK WORKERS年，卷(期)：“”(2)分类号：U279.5关键词：货车故障 TFDS 人机分工 列检

图像系统设计 第6篇

关键词：医学影像 图像存档与传输系统 构架

中图分类号：TP31文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0131-01

随着医学影像技术及网络技术的发展，影像学教学的方式已由传统的黑板粉笔、挂图式单向传授转向了以现代网络为中心的多媒体教学模式；图像存档与传输系统（Picture archiving communicating system，PACS）是对医学图像信息进行数字化采集、存储、管理、传输并重现的系统，它不仅可以提高临床医疗工作效率与质量，也为医学影像教学改革提供了新的平台[1]。而在PACS网络上，因为各种影像资源可以共享，可实现远程医疗、会诊及教学，因此PACS在教学中的应用也随之逐步扩大，在PACS系统基础上建立影像教学资料库、开展教学、会诊相结合的影像学实践活动，将清晰、先进的数字化教学图像快捷地运用于教学活动，也逐渐成为了各大医学院校开展影像学教学、实习的迫切要求。PACS系统以全数字化、无胶片方式采集、存储、管理及传输医学影像资料，对医学影像教学模式的转变带来了巨大影响[2]。结合我校实际提出如下具体架构：

影像教学系统WEB服务端软件：

（1）教学片导入导出：对外院或其他单位的具有教学价值的影像资料进行导入，如需将教学资料外带或借用给其他单位可以导出。

（2）公共片库管理：对教学片进行信息完善和日常维护管理。

教学片筛选分类：二次筛选以便教师针对不同学制、不同专业的班级创建专属于指定班级的教学片库。

（3）我的片库管理：教师对自己片库中的片子进行管理，可以增删，也可以修改片子的案例类型，但不能修改片子内容。

（4）教学课件管理：课件的增删改查等日常维护。

（5）片库复制：将教师自己的片库复制给其他的教师，教师再根据自己的情况进行筛选，大大减少工作量。

（6）课程管理：维护课程的章节名称，用于给教师安排课程和教学中使用。

（7）计算机管理：维护计算机的基础信息，在教学过程中与学生绑定，便于对电脑8.进行管理，同时可防止教学过程中学生之间互相抄袭。

（9）教师管理：维护教师的基础信息（包含用户名 简拼 性别 年龄 真实姓名 学历 科室 职称 职务 角色等信息）。

（10）专业管理：维护专业的基础信息。

（11）班级管理：维护班级的基础信息（包含班级名称 班级简拼 班级编码 所属专业 班级描述）。

（12）分组管理：将一个班级分成多个组，每组公用一台电脑。

（13）学生管理：维护学生的基础信息（包含学号、用户名、简拼、真实姓名、年龄、性别、小组、班级、专业、计算机、IP地址）。

（14）学生注册：学员注册后需教师审核，教师审核后学生方可登录，学生注册可以大大减少教师的工作量。

（15）教学计划：维护教师的代课名称及所带班级。

（16）修改密码：可以修改所有用户的密码。

（17）系统设置：选片共享（即片库复制）、初始密码设置、片库存放路径等。

（18）教学片查阅：查看教学片库中的影像资料。

（19）教学课件：查看教员发布的ppt教学课件。

（20）支持通过内部网络在整个学校访问服务器端，供学生浏览课件。

影像教学系统教师端软件：

（1）教学计划管理：教员制作教学计划，设计教学目标、教学内容、重点难点等，用于教学时使用和查阅。

（2）教学实践：维护课堂实践教学的内容（教学案例和练习案例），可以给学生发布，发布过的内容，学生可以查阅（练习案例學生看不到影像所见和影像诊断）。

（3）作业批改：批阅学生的作业，可以根据作业情况给出相应等级，录入评语，如果学生作业不符合要求，教师可以打回让学生重新完成。

（4）教学片查阅：查询教学片库中的影像资料。

（5）课件浏览：通过调用BS中的课件浏览功能来查阅课件。

（6）图像处理：具备常规二维图像的处理，如缩放、翻转、测量等功能。

影像教学系统学生端软件：

（1）实践教学：接收老师安排的教学实践，通过调取患者dicom影像，可以对图像进行相关操作，查看或录入相应的影像所见和影像诊断。

（2）教学片查阅：查询教学片库中的影像资料。

（3）课件浏览：查询教员维护的教学课件。

（4）图像处理：具备常规二维图像的处理，如缩放、翻转、测量等功能。

多媒体考试系统：

（1）上传题库：系统支持EXCEL模板批量导入试题功能；支持图片文件批量上传的功能。

（2）题库管理：支持题库的在线维护功能；支持EXCEL模板批量导入功能；支持3.题库分级别分类型维护；试题支持不同的范围、不同的知识点、不同的难易等属性；试题支持图片类型；试题可以分为考试及练习等范围应用。

（4）试卷模板：系统支持试卷模板的概念，可以设定试卷的出卷组卷策略；支持试卷模板设定不同的科目范围、不同的科目级别；一个试卷模板可以生成多个试卷。

试卷管理，试卷内容管理；试卷内试题的快速浏览；不满意的试题可以重新进行手工换题；支持试卷预览功能；支持试卷导出Word模板，生成标准的Word试卷和答卷。

（5）考试管理：根据考生权限、试卷有效时间等列出考生参加考试的试卷列表；考生参加考试、答卷、交卷、查看分数等完整过程；支持考试自动倒计时，到时自动交卷；支持学员练习功能，包括做题及查看答案等功能。

（6）在线考试：随机打乱试题显示顺序，避免抄袭；控制考试页面的移出，禁止考试过程中查找答案、即时通讯等舞弊手段；防止考试中通过拷屏、复制等手段泄露试题。

（7）试卷批阅：支持系统自动阅卷（选择、判断等）及人工阅卷（填空、简答等）功能。

（8）查询统计：考试情况一览表；个人考试记录；考生综合成绩报表；试题答题正确率统计；知识点掌握情况统计。

（9）数据维护：维护出题策略、题型等基础信息。

参考文献

[1]张丽芳，赵卫，后嘉林，等.浅谈PACS系统在医学影像学教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2011（23）：59.

图像处理系统硬件设计 第7篇

1 硬件设计整体结构

纸币图像识别需要依赖于一个稳定可靠、实时性高、抗干扰能力强的硬件系统, 这样才能够减轻识别算法的负担, 更好的实现整个系统的性能。纸币图像识别的整个系统硬件结构框图如图1:

从图中可以看到:接口电路以上的部分为纸币图像识别系统, 以下部分为主控部分。纸币图像采集系统又分成图像采集和DSP其它外设模块部分。其中图像采集包括光源、CIS传感器、偏值电路、放大电路、A/D变换、CPLD, 它所实现的功能是将纸币通过传感器。

采样、量化后将数据传给DSP的VPort接口。DSP的其它模块包括EMIF接口上的FLASH和SDRAM, 用来实现程序和数据的存储;I2C接口上的EEPROM, 用来实现参数的存储;Mc BSP接口与UART通信, 这样可以与PC机进行通信, 实现实时监测;EMU接口在开发过程中实现了在线仿真、调试功能。

2 图像采集系统工作原理

图2给出了图像采集接线图, 通过CIS图像传感器采集出物体模拟图像信号, 并将其转换为电信号, 然后将放大的模拟信号经过模数转换器AD9822转换成为标准的数字信号, 送入CPLD缓存, 最后通过EDMA通道输入到DSP的RAM中, 在DSP中进行图像处理和识别[3]。

CPLD是图像采集的核心, 它控制了整个采集过程的时序。当主机检测到物体后会向CPLD发送一个帧同步信号SYN, 在此同时物体会在传感器的垂直方向上发生移动, 主机检测到这个移动量并发送给CPLD[4], 这个信号就为物体的行同步PLU。

根据控制相应管脚的低电平来控制光源。SP为CIS传感器的行同步信号, CP为每个像素的时钟同步, SIG是采样后的模拟量输出。每当SP发生从高到低的变化, CIS传感器会检测到这个变化, 重新计算CP的个数, 每收到一个CP时钟信号, 就会把相应的传感器件采样得到的电平通过SIG管脚发送出去。

实际应用中, 我们选用AD9822作为CIS图像传感器进行信号处理的A/D变换芯片。采用三通道运行方式, 转换频率可以达到15MSPS。DSP在上电后初始化期间需要来配置A/D变换器来选择工作模式, 对AD9822内部寄存器配置采用3线制串行通信接口, 当CPLD检测到了SYN信号后准备进行图像采集工作, 当检测到第一个PLU信号开始采集, 通过正确控制CIS传感器的SP、CP的时序可以输出每一个像素的模拟量SIG, 然后再正确控制A/D变换器的CLK、ADCK就可以输出实际像素的数字量用8位数据线输出为D0-D7, 最后控制DSP的VPort接口的VCTL、VCLK时序, 把数据读到了DSP内部[5,6]。

3 总结

本文通过分析TMS320DM642和AD9822工作的特点, 提出了一种新的数据采集时序设计, 从而针对不同的信号能够根据实际情况对DSP和CPLD进行软件编程来控制数据采集频率, 提高了系统实时性和稳定性。本系统应该在干线交通监视方面取得了良好的效果。本文作者创新点:本文首先分析了AD工作的时序, 通过对DSP和CPLD进行软件编程来控制AD9822的采集速度, 从而达到可以根据实际情况灵活地改变AD9822的数据采集频率, 提出了一种新的数据采集时序设计。

摘要：采用TI公司的TMS320DM642型号DSP作为图像处理的算法实现平台, 选用Xilinx公司的XC95144作为图像采集的时序分配控制器件, 在此硬件基础上扩充了SDRAM实现了图像的存储, 从而实现了图像时实处理。实际应用证明, 此方法达到了高速、实时、识别率高的要求。

关键词：TMS320DM642,图像采集系统,VPort接口,DSP

参考文献

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[5]刘慧英.基于TMS320DM642图像采集处理系统设计及实现[J].机电一体化, 2008, 2:78-80.

静态图像信息采集系统设计与实现 第8篇

在工作生活中经常要用到QQ等聊天工具，这些聊天工具中都具有远程视频对话的功能。聊天的双方均已连接好摄像头，并且配置相应的驱动程序，双方只要运行相同的聊天软件，打开软件中的视频聊天功能，即可实现免费的视频聊天。即使通话双方远隔重洋，也可以在通话的同时很清楚地看到对方，拉近了彼此的距离，世界仿佛变小了。在通话的时候，如果想记录下对方的影像，只要使用屏幕抓图功能即可记录下该时刻对方的形象。

其实，摄像头作为一个影像捕捉工具，也经常应用在数据库系统的照片采集工作中。Delphi是数据库开发的利器，利用它进行数据库应用系统前端开发，效率相当高。那么，在Delphi中如何实现摄像头静态图像抓取、裁剪和保存功能呢?文中将提供一个完整的解决方案。

2 实现

2.1 硬件

计算机、摄像头。

2.2 软件

摄像头驱动程序、后台数据库(比如SQL Server2000)、前端开发工具Delphi。

2.3 实施步骤

照片信息采集是通过摄像头获取照片信息，然后进行照片抓取和裁剪，最后一步将裁剪好的照片进行保存。其中的难度主要在于：

(1)从摄像头中抓取静态的图片。

(2)进行裁剪。

从摄像头中抓取的图片往往范围太大，并不符合要求。所要做的是在已经抓取好的图片中裁剪出规定大小(比如一寸)的图片。

(3)实现图片保存，设计的抓图窗口如图1所示。

2.3.1 打开摄像头

摄像头默认情况下是关闭(即使已经连接好计算机并且安装好驱动，也是这样)，要手工打开摄像头，观察摄像头能够拍摄到的情景。在这里用Tpanel控件用来显示摄像头能够拍摄到的动态图像(注意此时只能显示通过摄像头看到运动图像，但是并不能保存)。采用调用Api中的capCreateCaptureWindowA函数打开摄像头。点击图1窗口中的“开始捕获”按钮，执行如下代码：

不要忘了,在Public关键字中进行如下变量说明:hWndC:THandle;

2.3.2 从摄像头抓取静态图片

利用Api函数SendMessage()将摄像头当前时刻的静态图片保存到c:temp.bmp的临时文件中。并且创建一个和图像采集窗体一样大小的新窗体，名为falseDeskForm。该新窗体中中仅包含一个TImage控件。控件大小与窗体大小一致，并且新窗体位于图像采集窗体上方，以制作一个“假”的桌面。此时缘由的图像采集窗体仍然存在，只是藏在了“假”桌面的下方。之所以这样做，是为了进行图像剪裁，以提取出符合要求的大小合适的照片。点击图1窗口中的“抓取图片”按钮，执行如下代码：

procedure TcapForm.SaveBMPClick(Sender:TObject);

不要忘了，在Public关键字中加入如下变量说明：ScreenPic:TBitMap;

2.3.3 裁剪图片

裁剪是本课题中难度较大的部分。主要难是如何确定裁剪框(一个虚线矩形)的大小，以及如何将裁减框所包围的图像部分提取出来。由于篇幅所限，下面只列出关键语句。设计的裁剪图片窗口(即“假”桌面)如图2所示。

按下鼠标左键，绘制剪裁框，移动鼠标，调整剪裁框到达合适的位置，再次单击鼠标左键，进行图片的剪裁，关闭当前的“假”桌面窗体，回到图像采集窗口。

按下鼠标左键，执行如下代码，：

鼠标移动,则剪裁框跟随移动,执行如下代码:

2.3.4 图片保存

经过剪裁后，最终取得的图片临时保存在图像采集窗体中的Image1控件中。下面要做的是保存图片，图片既可以保存在某个特定的计算机硬盘目录中，也可以直接保存在数据库中。两种方法各有利弊，在文中，采用后一种方法只要利用Assign函数即可将从摄像头中抓取的图片保存到数据库中。

sds1.FieldByName('photo').Assign(Image1.Picture);

3 结语

系统讲述了利用Delphi调用API函数的方法抓取摄像头中获得的静态图片，并且进行剪裁，最后保存到数据库中的完整解决方案。利用本方案可以满足多数信息系统中静态图像信息采集的要求。

参考文献

高位数数字图像显示系统设计 第9篇

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。

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Camera Link接口采集。

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。

3) 任意视频缩放。

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:

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。

摘要：本文设计了一套基于工控机平台的高位数数字图像显示系统。利用数字图像采集卡实时采集图像传感器输出的数字图像信号, 考虑到Windows系统只能显示八位灰度图像, 利用工控机CPU将高位数图像转换为八位灰度级图像, 在计算机屏幕上进行显示, 当需要向外输出标准模拟视频信号时, 利用图像输出卡进行输出。文中详细论述了硬件组成及软件工作原理, 给出了试验结果及结论。

关键词：工控机,高位数数字图像,图像输出卡

参考文献

[1]葛文奇.红外探测技术的进展应用及发展趋势[J].红外技术与应用, 2007 (5) :1.

[2]吕立波.红外探测技术的发展及应用[J].CPSE第十一届全会, 2004 (11) :93-97.

煤矿斜巷轨道运输图像跟踪系统设计 第10篇

煤矿斜巷轨道运输系统承担着人员运输以及矿井机电设备、基建材料、材料回收运输等重要任务, 是矿井运输系统的重要组成部分[1]。虽然《煤矿安全规程》规定在斜巷运输中人车不能同行, 但由于斜巷轨道运输一般运距较长、坡度较大、岔道较多, 绞车司机无法实时了解轨道沿线工况, 存在较大的安全隐患[2]。本文提出了基于矩阵自动切换的煤矿斜巷轨道运输图像跟踪系统设计方案, 为绞车司机了解矿车运行沿线工况提供了有效手段。

1 系统设计

基于矩阵自动切换的煤矿轨道运输图像跟踪系统主要由地面监控中心、视频监控摄像仪、隔爆监视器、轴编码器、视频切换矩阵及PLC控制器组成, 如图1所示。

在斜巷轨道沿线安装视频监控摄像仪, 将图像信号传输至绞车房隔爆监视器实时显示。当矿车经过摄像仪监控区域时, 通过矩阵控制自动弹出单画面显示的摄像仪图像。轴编码器监测矿车的运行位置数据并传输给PLC控制器, PLC控制器控制矩阵切换到相应位置的摄像仪, 在隔爆监视器上显示视频监控图像[5]。该系统一方面保障了设备的安全、高效运行, 另一方面也能更好地监控人员情况, 做到行车不行人。

1.1 地面监控中心

地面监控中心由视频解码器和图像监控计算机组成。斜巷轨道沿线视频信号经过编码传输到地面监控中心后, 一方面可通过图像监控计算机进行实时浏览及录像, 另一方面可通过视频解码器解压缩后传输至监视器等显示终端。图像监控计算机同时具备图像Web发布功能。

1.2 矿井工业以太环网

矿井工业以太环网负责将系统采集的现场图像数据传输至地面监控中心, 同时利用网络对现场控制设备进行远程维护[6]。如果不具备井上井下工业以太环网, 也可以通过光缆建立地面监控中心和现场设备之间的网络连接。

1.3 现场监控设备

(1) 视频监控摄像仪。斜巷轨道沿线安装具备变焦控制功能的矿用隔爆型光纤摄像仪, 辅助以照明系统, 实现对轨道工况的实时监控。摄像仪具备100m距离之内清晰可视能力, 主要监控各道岔及片盘的设备运行、人员出入以及矿车经过时的情况。摄像仪安装间距要考虑到可视距离限制, 做到无死角监控。

(2) 隔爆监视器。斜巷轨道沿线视频信号通过光纤传输至绞车房隔爆监视器显示, 以便司机在操作绞车时实时查看矿车经过沿线工况。隔爆监视器具备以太网传输接口, 可通过光纤工业以太环网将视频监控信号传输至地面监控中心进行显示、存储和Web发布。

(3) 轴编码器。在绞车电动机轴外端安装增量式编码器, 利用313C-2DP型高速计数CPU进行数据采集, 通过系统功能块SFB48得到编码器脉冲、频率值以及绞车的运行方向, 结合轴编码器自身的精度、卷筒的直径和宽度、钢丝绳的直径计算出矿车在巷道中所处的位置。

(4) 视频切换矩阵。斜巷轨道沿线监控摄像仪采集的信号传输至隔爆监视器, 经过光电转换处理后输入视频切换矩阵, 矩阵输出1路视频信号至隔爆监视器进行显示。

(5) PLC控制器。系统通过采集轴编码器数据计算出矿车所处位置, 使用CP340模块和视频切换矩阵建立RS485通信, 通过系统功能块FB3发送控制协议控制矩阵进行图像切换。

2 图像切换控制策略

图像实现自动切换主要依赖于矿车定位、矩阵切换以及校正控制3部分策略的实现。

(1) 矿车定位。矩阵控制斜巷轨道沿线视频监控图像, 根据矿车在巷道中所处位置决定在隔爆监视器上显示某路图像, 因此, 矿车精确定位是实现系统控制的基础。系统通过轴编码器得到矿车在巷道中的位置, 通过测量得到摄像仪在巷道中的安装位置, 并将矿车动态位置和摄像仪覆盖区域对应起来。

(2) 矩阵切换。PLC分析矩阵通信协议, 并通过CP340模块输出RS485信号, 控制视频切换矩阵。当轴编码器检测到矿车到达某一摄像仪覆盖区域时, PLC控制矩阵切换到该路图像, 并在隔爆监视器上显示。每台摄像仪覆盖区域所对应的轴编码器采集到的数值, 是图像顺序切换的依据。

(3) 校正控制。在系统运行过程中, 为了减少累计误差, 可以在轨道斜巷上、下端点处安装一台接近开关, 当矿车行驶至该处时进行位置校验;同时在PLC控制柜门体安装复位按钮, 实现系统手动复位。

3 结语

基于矩阵自动切换的煤矿斜巷轨道运输图像跟踪系统以PLC为核心, 利用矿井工业以太环网进行通信, 实现了斜巷运输的高度可视化, 有力地保障了系统的安全性。目前该系统已在山东新汶矿业集团鄂庄煤矿应用, 现场应用时, 采用轨道沿线语音报警系统作为辅助。应用结果表明, 该系统可靠性高, 实用性强。

摘要：针对煤矿斜巷轨道运输运距较长、坡度较大、岔道较多、绞车司机无法实时了解轨道沿线工况而存在较大安全隐患的问题, 提出了基于矩阵自动切换的煤矿斜巷轨道运输图像跟踪系统设计方案。该系统通过轴编码器得到矿车在巷道中的位置, 当检测到矿车到达某一摄像仪覆盖区域时, 采用PLC控制矩阵实现图像自动切换和显示。现场应用结果表明, 该系统可靠性高, 实用性强。

关键词：斜巷轨道运输,图像跟踪,矩阵切换,轴编码器

参考文献

[1]魏巍.矿井斜巷运输综合监控系统[D].淮南:安徽理工大学, 2006.

[2]陈勇, 管志光, 丁代存, 等.煤矿井下斜巷控制系统的研究[J].煤矿机械, 2008 (11) :121-123.

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[5]弭洪涛, 孙铁军, 牛国成, 等.PLC技术实用教程——基于西门子S7-300[M].北京:电子工业出版社, 2011.

图像系统设计 第11篇

“巴西”这节教材汇聚了15幅22张图像，涉及地理分布图、示意图、景观图、素描图四种类型。表1就教材的图像系统进行分析。

二、图像系统教学建议

1.自主学习活动

案例一：自然环境特征

阅读课本图9.15“巴西在世界的位置”和图9.20“巴西的地形和主要农产品分布”，完成下列问题。

（1）位置：

①从东西半球位置看巴西位于 半球。

②巴西位于 洲。

纬度位置：大部分位于 之间， 带面积广大。

④海陆位置：位于 洲东部，东临 洋，陆上邻国众多。

（2）地形：北部是 ，中南部是 。

（3）河流：

河是世界第一大河。

（4）气候类型：主要有几种气候类型？怎样分布？各有何特征？

另外，教师还可以增加图1、图2，让学生认识巴西是南美洲面积最大、人口最多的国家，面积、人口均居世界第五位。巴西大部分国土位于赤道和南回归线之间的热带，所以巴西是世界上国土广大的热带国家。通过教师的读图指导及学生实践和自主学习，落实并突破知识重点。

案例二：发展中的工农业

阅读课本图9.20“巴西的地形和主要农产品分布”、图9.24“巴西的矿产和工业”、图3“南美洲的气候”，完成下列问题。

（1）读图9.20，说出巴西主要农作物的分布。

（2）读图9.24，从图中找出图例所示矿产资源的分布。

（3）在图9.24中找出三座工业城市，说出它们分别有哪些主要工业，并说明这些工业与其周围哪些原材料有关。

2.合作探究活动

案例三：大量混血人种的社会

教师在教学设计时可将图9.16“卞卡一家”、9.17“巴西文化举例”、9.18“巴西多元文化的影响举例”作为引导学生合作探究的课堂教学资源，在课堂教学实施时补充图4，并组织学生分小组合作探究以下任务。

探究一：巴西的人种构成特征及原因。

探究二：巴西多元性的文化融合了哪些地域文化，对巴西有哪些影响。

■

3.角色扮演活动

案例四：热带雨林如何保护

教师展示图5，并让学生结合课本图9.26“亚马孙热带雨林的开发”、图9.29“关于亚马孙雨林应该开发还是保护的争论”，谈谈亚马孙热带雨林的开发。通过角色扮演活动激发学生的参与意识、环保意识，让学生在交流和体验中分析问题、解决问题。

■

我是当地官员：

我是开发商：

我是当地农民：

我是环保工作者：

我是地球小主人：

图像系统设计 第12篇

引言

图像信息的获取和传输是图像处理系统的重要组成部分，直接影响图像处理系统的性能。图像信息的采集包括对图像数据、各种附带参数信息以及状态控制信号的采集，一般图像信号和状态参数信号以及控制信号是独立产生的，因此需要设计一种系统能够将外部设备产生的图像数据和状态控制信号同步采集，并能长距离高速传输，综合考虑到图像采集系统所要求的实时性，可靠性，以及FPGA在数字电路的设计中的优势，为此本文讨论了一种利用FPGA实现基于LVDS的图像数据采集传输技术。

系统设计

高速图像数据的采集传输系统如图1所示，主要包括图像数据源的形成、数据信息的处理和缓存以及帧数据的转发三部分。其中，图像数据源的形成过程中，成像设备作为图像数据的来源，它为系统提供高分辨率的可见光和红外图像，考虑系统的实时性和高可靠性因素，采用LVDS传输接口实现数据长距离高速传输，解决了传输瓶颈问题，图像数据在进入FPGA之前需通过数据格式转换接口 (采用MAX9218实现) 将串行的数据转换为并行数据并缓存。

数据信息的处理由协处理器FPGA完成，主要包括图像数据及相关参数信息的采集、缓存、组帧和图像数据的转发。其中图像数据的组帧过程最为复杂，FPGA根据图像源中帧同步、行同步、图像选择信号接收解串图像，存储至缓存区，并将图像附带的参数信息写入缓存后部，经组帧状态机形成所需的图像数据帧。

图像数据帧形成后，转发存储至乒乓结构的帧存储器，其容量为：512×512×8bit=2Mb。同时硬件逻辑自动将图像和配套参数信息数据通过LVDS图像发送接口发送至数据链，图像数据再次以串行的LVDS方式传输到后续设备进行处理。

系统实现

FPGA及外围硬件电路

在接口转换电路模块中，图像数据接收端和发送端均需采用LVDS串行方式进行传输，所以在接收端将串行输入的数据并行接收进FPGA进行处理和在发送端将并行的数据串行输出时, 需要进行并串和串并转换。

本设计选用M A X I M公司点对点LVDS串行/解串器芯片MAX9247/MAX9218实现数据收发。

在MAX9218接收端，需要进行数据格式转换, 将串行数据源变成并行格式供FPGA处理，同样在图像数据链路终端发送方MAX9247对输入的图像数据也有特定的时序要求，涉及到FPGA完成数据格式的转换, 并产生相应的控制信号DE_IN。

可编程器件FPGA选用Xilinx公司Virtex-4系列XC4VLX25。实现的功能主要是：根据输入的行帧同步，采图像同步和图像选择信号来实现图像数据的接收，并缓存到FPGA内部的接收RxFIFO中，进行帧头帧尾识别、时序转换，控制信号的生成，并且根据自定义的通讯协议，从数据流中分解出数据帧，同时将原始图像数据和状态数据打包到同一帧数据包中，输出至数据链路终端。

图像数据链路层

由图3数据的流向来分析，从L V D S接口板输出的串行图像数据由14个数据位 (数字图像数据为D0--D13，低位在前高位在后) 、帧同步、行同步、时钟同步、图像选择信号、采图同步信号组成。图像数由图像的帧同步信号产生，帧、行同步均为高电平有效，图像选择信号用来区分红外和可见光图像，红外图像为256×320b，可见光图像为512×512b, 19位图像数据信号经过MAX9218解串后的数据和控制位接入FPGA。

FPGA设计时，针对红外和可见光两种不同类型的图像数据进行采集传输，设置一个模式寄存器ModeReg来实现图像选择，可以填0或1，用来区分红外和可见光，当采集可见光时，每输出一帧有效图像数据，需输出两个帧信号，第一帧内 (A帧) 只输出采图同步信号，不输出图像数据、行信号等，第二帧 (B帧) 中不输出采图同步信号，只输出图像数据、行信号等;当采集红外图像时，只需输出一帧，图像选择信号在第一个帧信号的下降沿跳变，至第二个帧信号下降沿有效，高电平表示红外图像，低电平表示可见光图像。具体时序参考图3。

经过FPGA组帧完成的帧数据同时要转发到终端数据链路和外部帧存储器中，供后续设备调用。为了实现后续设备提取图像信息时的实时性，外部存储模块采用由乒乓开关控制的两个片外帧存储器，应用FPGA实现双帧存交替切换，将图像数据存储在两个独立的FIFO中，FIFO采用IDT公司的IDT72V2103，此器件快速的存取允许图像实时存储转发。在FPGA的控制下, FIFO空间的一帧数据送出后，然后开始将FIFO1空间的数据送出，同时又向FIFO中写入下一帧数据，这样可以保证后续图像处理设备不间断的提取图像数据，以实现快速处理，提高工作效率。

组帧状态机

状态机在FPGA内部设计成两部分，为组帧状态机 (外圈) 和组行状态机 (内圈) 。其中组帧状态机各状态转移顺序及条件见图4，各状态占用时间可以通过组行状态机中的行计数来控制，近而可以完成不同大小规格的图像的接收。组帧状态机共有6个状态。

state0：空闲状态 (系统复位) 。state1：帧有效期开始到行有效期开始之间的延时。state2：图像帧有效期，state3：图像参数帧有效期。state4：行有效期结束到帧有效期结束之间的延时。state5：帧无效期。Reset为输入的状态机复位信号，在系统复位状态，如果用来启动状态机的信号Start Make Frame=1, 状态机开始工作，进入系统下一状态，组帧状态机在各状态转移条件满足时，依次进入下一状态，否则，保持在原状态。

组行状态机共有3个状态。

stML_Idle：空闲状态。stML_High：行有效期。stML_Low：行无效期。在外圈组帧状态机的每个状态中，包含n个组行状态，所包含的组行状态机中的行数即组帧状态机各状态所占用时间，组行状态机和组帧状态机启动条件一致，同时启动。

以采集可见光图像数据为例，上电复位期间系统处于states0状态，状态机用外部输入的7.375MHz时钟同步整个运行过程，图像的帧、行、图像数据等信号在同步时钟的下降沿跳变，上升沿锁存。一帧图像数据的大小为512×512bit，并将图像附带的参数信息写入图像数据后一行 (即513行) ，在帧有效期间 (states1、states2、states3状态) ，CLK信号作为行计数器的时钟, 每帧图像在行有效之前有1行无效图像信号 (states1) , 在states2状态下，控制采集一帧中的前512行，在states3状态下，采集图象的参数信息，将图像数据和状态参数组合为统一的数据帧，采集完一帧图像数据后等待下一个帧同步信号的到来。在行有效期 (stML_High) 控制采集一行中的512个像素点数据，在CLK信号的上升沿进行计数, 在数据有效期间采集完512个像素点, 等待下一个行同步信号的到来, 按同样方式对下一行512像素点数据进行采集，直至采集完一帧中的512行。

系统仿真

在该系统中，状态机设计是难点，图5是运用Active-HDL7.1仿真工具的状态机仿真结果，仿真时，采用7.375MHz时钟同步，状态机启动后，计数寄存器里的数据递减，进而产生各状态转移满足的条件，以此实现状态机的翻转。

在Active-HDL7.1中编写Test Bench文件时，通过向组帧状态机计数寄存器写数，来控制各状态所占用的时间，利用StartMakeFrame信号高电平启动状态机，各状态发生翻转时，状态完成标志就产生产生高电平跳变。

根据图5的仿真结果，可以看出组帧状态机工作正常，所有的逻辑关系也都验证无误。

结语

本文采用FPGA设计实现高速图像采集系统，并采用LVDS接口实现接收与发送，各种模块之间通过缓存实现通信, 避免图像的丢失;采集的图像类型和图像尺寸可以通过软件重新配置FPGA进行调整。总之，基于FPGA的高速专用图像采集系统电路集成度高、信噪比高、功耗低、成本低、速度快以及接口方便，所设计系统采用两帧切换存储方式，使得后续的其它图像处理模块能够与图像采集模块并行工作，为图像处理器的高度集成化实现提供了可能性。

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