基于USB攝像頭的高速圖像采集技術(shù)

摘要：在圖像采集系統(tǒng)中，最核心的技術(shù)是實(shí)時(shí)圖像的采集和處理。圖像采集是進(jìn)行圖像處理、圖像壓縮、圖像識(shí)別的基礎(chǔ)，圖像的采集速度與質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的整體性能。因此對(duì)圖像采集系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。本課題通過(guò)USB攝像頭實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速圖像的采集與處理，運(yùn)用清晰度對(duì)比函數(shù)與直方圖均衡化函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理與儲(chǔ)存，進(jìn)行了一系列相應(yīng)的理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析，并給出了最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：USB攝像頭；離散余弦變換；DCT；直方圖均衡化

0 引言
    圖像采集系統(tǒng)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的是總線Bus結(jié)構(gòu)。隨著GUI(Graphical User Interface)、多媒體等技術(shù)在PC機(jī)上的應(yīng)用，傳統(tǒng)的PC總線己不能滿足系統(tǒng)工作的要求。USB通用串行總線的出現(xiàn)使圖像采集技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍。更快的傳輸與相應(yīng)速度，便捷的圖像采集系統(tǒng)安裝過(guò)程以及更低的能耗，使得圖像采集技術(shù)廣泛應(yīng)用到了生活中。USB攝像頭充當(dāng)了機(jī)器之眼的角色。不僅如此，計(jì)算機(jī)的發(fā)展又賦予了圖像采集技術(shù)新的活力一圖像的采集處理識(shí)別功能。這一功能使得很多機(jī)械化的產(chǎn)品更加全自動(dòng)化。圖像系統(tǒng)技術(shù)的逐漸成熟，使得我們可以更輕易地獲取外部信息并添加到其他智能化程序控制系統(tǒng)中。但價(jià)格低廉，可進(jìn)行高效圖像處理傳輸?shù)腢SB簡(jiǎn)易便攜的圖像處理程序依然值得研究與探討。

1 研究方向與目標(biāo)
    USB2．0以其使用方便、易于擴(kuò)展、速度快等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在視頻信號(hào)采集過(guò)程中，信號(hào)數(shù)據(jù)量比較龐大，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求也比較高。本課題設(shè)計(jì)了一種基于USB2．0總線的視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用Logitech公司的快看高手版5000攝像頭與MATLAB程序的GUI進(jìn)行通信，并在PC機(jī)上編寫代碼指令，以便較好地控制圖像的采集與處理。本課題研究了基于USB攝像頭的高速圖像采集系統(tǒng)，詳細(xì)分析該采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：以圖像高速采集與優(yōu)化處理并高速傳輸為主要方向，配置MATLAB程序，獲得最佳的圖像采集處理效果，并輔助電腦進(jìn)行后續(xù)的圖像處理工作。
    本課題圍繞上述諸方面主要做了如下的研究工作：
    (1)圖像的高速采集。利用MATLAB中GUI的編程方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)高速視頻數(shù)據(jù)的圖像采集。
    (2)圖像的存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)了PC上的存儲(chǔ)USB總線數(shù)據(jù)的功能，將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件的形式存儲(chǔ)在PC的硬盤上。

2 高速圖像采集系統(tǒng)的構(gòu)建
    本系統(tǒng)共分為圖像采集預(yù)處理和圖像直方圖均衡化兩大模塊，目標(biāo)是選取合適的圖像進(jìn)行處理分析，過(guò)濾分辨率不達(dá)標(biāo)的圖像并將圖像進(jìn)行初步優(yōu)化。其實(shí)質(zhì)是運(yùn)用數(shù)字圖像處理的方法，在MATLAB進(jìn)行離散余弦變換的評(píng)價(jià)函數(shù)并進(jìn)行直方圖均衡化的圖像優(yōu)化。本文的圖像處理流程為：

3 具體應(yīng)用特性
3．1 USB的特性
    USB與老式的PC機(jī)接口相比，有以下特點(diǎn)：
    (1)成本低廉。USB的設(shè)計(jì)功能十分強(qiáng)大，但是組件卻十分便宜，適用于小型設(shè)備圖像采集處理使用。
    (2)即插即用。在需要連接的設(shè)備上裝載好驅(qū)動(dòng)，即可在幾秒內(nèi)初始化完成并開始工作，并且支持熱插拔。
    (3)體積小巧。USB接口的設(shè)計(jì)占用更少的空間，并且只需要一根USB數(shù)據(jù)線，就可以擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)雙向傳輸和供電的需求。更加縮小的產(chǎn)品體積。
3．2 基于離散余弦變換(DCT)的評(píng)價(jià)函數(shù)
   
    DCT變換對(duì)高頻分量有較好的分離能力，在清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)中，分離并保留高頻分量作為圖像清晰度的評(píng)價(jià)尺度。由于直流分量在一定程度上反映了圖像的整體亮度和總體信息，因而用高頻分量和直流分量的比作為圖像相對(duì)高頻分量進(jìn)行判別，得到的G的最大值所對(duì)應(yīng)的圖像即為樣本圖像中最清晰的。采用清晰的圖片進(jìn)行保存與處理，可以提高后續(xù)程序?qū)D像處理的效率與準(zhǔn)確度。
    如圖1和圖2分別為使用MATLAB進(jìn)行DCT評(píng)價(jià)函數(shù)的效果圖。

3．3 圖像對(duì)比與增強(qiáng)
    直方圖均衡化的基本思想是把原始圖的直方圖變換為均勻分布的形式，這樣就增加了象素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，從而可達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果。使用MATLAB來(lái)實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化，設(shè)原始圖像在(x，y)處的灰度為f，而改變后的圖像為g，則對(duì)圖像增強(qiáng)的方法可表述為將在(x，y)處的灰度f(wàn)映射為g。在灰度直方圖均衡化處理中對(duì)圖像的映射函數(shù)可定義為：g=EQ(f)，這個(gè)映射函數(shù)EQ(f)必須滿足兩個(gè)條件(其中L為圖像的灰度級(jí)數(shù))：
    (1)EQ(f)在0≤f≤L-1范圍內(nèi)是一個(gè)單值單增函數(shù)。這是為了保證增強(qiáng)處理沒有打亂原始圖像的灰度排列次序，原圖各灰度級(jí)在變換后仍保持從黑到白(或從白到黑)的排列。
    (2)對(duì)于0≤f≤L-1有0≤g≤L-1，這個(gè)條件保證了變換前后灰度值動(dòng)態(tài)范圍的一致性。
    一幅RGB圖像是一個(gè)M×N×3的數(shù)組，其每一個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)特定位置的彩色圖像的紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量，令一幅彩色圖像為Zrgb，可表示為：
   
    其中，Zr、Zg、Zb分別表示紅分量圖像、綠分量圖像、藍(lán)分量圖像，其實(shí)每一個(gè)分量圖像就可以看成一個(gè)灰度圖像。

    程序：
   
   
    圖3和圖4分別為使用MATLAB實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化前后的效果圖。

4 結(jié)束語(yǔ)
    MATLAB是較好的圖像實(shí)時(shí)采集處理的編程工具，矩陣運(yùn)算功能強(qiáng)大且入門簡(jiǎn)單。利用MATLAB的圖像處理工具箱在運(yùn)算與算法驗(yàn)證上的優(yōu)勢(shì)，與USB串口的快速傳輸速度相結(jié)合，可以達(dá)到USB高速圖像采集與處理的要求。對(duì)圖像的預(yù)處理可以顯著提高其他圖像系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)圖像采集的要求。不同的USB圖像采集攝像頭有著不同的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)以及不同功能的驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，在選擇攝像頭時(shí)，應(yīng)該詳細(xì)了解攝像頭的各項(xiàng)基本參數(shù)以及可根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)的函數(shù)功能。根據(jù)整體圖像采集系統(tǒng)的后續(xù)處理需要，挑選最適宜的攝像頭設(shè)備。在MATLAB中充分利用各種函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可配合GUI用戶界面設(shè)計(jì)界面友好的參數(shù)管理和可視化圖像高速采集監(jiān)視系統(tǒng)。對(duì)圖像采集進(jìn)行最優(yōu)化的處理。