基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器的墻體裂縫測(cè)圖像的處理

摘要：為了對(duì)建筑物中的墻體裂縫進(jìn)行高精度和高清晰度地測(cè)量、計(jì)算和處理。文中給出了使用DSP數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)對(duì)墻體裂縫圖像進(jìn)行預(yù)處理的具體方法及相關(guān)算法，同時(shí)給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。
關(guān)鍵字：墻體裂縫監(jiān)測(cè)；圖像處理；DSP

0 引言
    現(xiàn)代各種建筑行業(yè)中，墻體因?yàn)橥饬ε鲎?、建筑質(zhì)量、熱脹冷縮等原因，往往會(huì)產(chǎn)生一些裂縫。因此，對(duì)墻體裂縫的監(jiān)測(cè)與分析就顯得十分必要。利用圖像處理的方法來(lái)對(duì)墻體裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析是比較方便且有效的方法之一。但由于人為或自然因素的影響，復(fù)雜的背景噪聲一般都會(huì)疊加在有用的墻體表面圖像數(shù)據(jù)中，所以，在對(duì)裂縫進(jìn)行圖像分割前，必須通過(guò)濾波來(lái)減少噪聲，增強(qiáng)裂縫邊緣效果，然后再進(jìn)行圖像分割。
    傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)一般是基于PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即由圖像采集卡采集圖像，再將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)總線或網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC機(jī)，然后在PC機(jī)上進(jìn)行圖像處理。此類(lèi)系統(tǒng)通常比較復(fù)雜。且難以小型化，不方便隨身攜帶和檢測(cè)。因此，本文介紹一種基于DSP芯片來(lái)完成數(shù)字圖像處理的實(shí)現(xiàn)方法。該方法利用CCD傳感器進(jìn)行圖像采集，然后在DSP內(nèi)部通過(guò)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，再將處理后的圖像通過(guò)液晶進(jìn)行顯示，最后由圖像來(lái)判定裂縫的狀態(tài)和細(xì)節(jié)等。此方案可使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，因此，可在便攜式圖像檢測(cè)設(shè)備中得到一定的應(yīng)用。

1 算法簡(jiǎn)介
    通過(guò)CCD圖像傳感器采集的圖像，還需對(duì)其進(jìn)行一定的處理，才能更好的反映出墻體裂縫的細(xì)節(jié)。對(duì)圖像進(jìn)行處理需要一定的算法支持，要根據(jù)算法內(nèi)容進(jìn)行編程，最后通過(guò)移植程序到DSP中，以最終實(shí)現(xiàn)圖像處理。本文使用的是中值濾波、圖像灰度值修正、迭代閾值法二值化圖像分割等算法。
    由于采集的初始圖像中的噪聲會(huì)降低圖像的質(zhì)量，使圖像特征淹沒(méi)，給分析帶來(lái)困難。因此，去除噪聲、恢復(fù)原始圖像是裂縫圖像處理中的一個(gè)重要內(nèi)容。中值濾波是一種非線性的信號(hào)處理方法，可在一定條件下克服線性濾波器帶來(lái)的圖像細(xì)節(jié)模糊問(wèn)題，對(duì)濾除脈沖干擾最為有效。中值濾波一般采用一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口(通常為二維窗口)來(lái)用窗口中各點(diǎn)灰度值的中值來(lái)替代指定點(diǎn)(一般是窗口的中心點(diǎn))的灰度值。中值濾波的窗口形狀和尺寸對(duì)濾波器的效果影響較大，因此，需根據(jù)不同要求選用不同的窗口形狀和尺寸。由于裂縫圖像中的脈沖干擾較多，因此，為了保證去噪時(shí)失真小，本文筆者選擇3×3的方形窗口來(lái)進(jìn)行中值濾波。
    直方圖修正主要是為了調(diào)整圖像的亮度，增強(qiáng)圖像中感興趣的灰度區(qū)域。中值濾波后，由于墻體裂縫圖像的特殊性，圖像中的裂縫灰度值往往較小、較灰暗，而背景灰度值往往較大、較明亮。因此，筆者采用了一種線性拉伸變換的方法來(lái)增強(qiáng)圖像的灰度效果。若由用戶(hù)輸入感興趣的灰度區(qū)域范圍，當(dāng)某點(diǎn)的像素值小于范圍的最小值時(shí)，該點(diǎn)像素值賦值為0；大于范圍的最大值時(shí)，該點(diǎn)像素值賦值為255。若在范圍中，則計(jì)算出該值在范圍中的比例，再用比例乘以255，以得到新的像素值。這樣，就將感興趣的灰度區(qū)域拉伸到0～255，從而達(dá)到對(duì)比度增強(qiáng)的目的。
    在圖像進(jìn)行灰度值拉伸修正后，為了便于裂縫觀察，還需要將裂縫從圖像中分割出來(lái)。由于墻體裂縫與背景在灰度級(jí)上有明顯的區(qū)別，所以，選擇合適的閾值T便能實(shí)現(xiàn)分割。若像素灰度值小于T，則將其灰度值設(shè)置為0，否則，將其灰度值設(shè)置為255。閾值的選取是關(guān)系圖像分割質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，本文采用迭代閾值法來(lái)求得閾值T。其灰度的閾值分割變換公式如下：
   
    式(1)中，T為采用迭代閾值法得到的閾值。
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2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    利用DSP完成墻體裂縫圖像的采集與處理時(shí)，需要建立相應(yīng)的硬件平臺(tái)。該平臺(tái)需要能實(shí)時(shí)完成圖像的采集、處理與分析。本文采用TI公司的DSP芯片TMS320DM642作為主處理芯片，并完成相應(yīng)的外部電路設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    用DSP處理器TMS320DM642作為主處理器，其最高能達(dá)到600 MHz的工作頻率，完全能滿足本文的墻體裂縫圖像分割提取的實(shí)時(shí)處理要求。設(shè)計(jì)時(shí)，先利用CCD圖像傳感器采集墻體裂縫圖像，再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換將圖像數(shù)據(jù)送到CPLD中，并在緩沖后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP進(jìn)行處理，該DSP芯片可利用各種算法對(duì)圖像進(jìn)行處理。若數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)，則可以利用CPLD將所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在DSP與FLASH、SDRAM之間進(jìn)行傳遞。當(dāng)圖像處理完成后，再通過(guò)LCD接口電路將圖像在LCD上顯示，從而完成圖像的實(shí)時(shí)分析、處理與顯示。

3 算法實(shí)現(xiàn)流程
    該圖像處理算法需要由相關(guān)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后再將程序嵌入到DSP處理器中。當(dāng)墻體裂縫圖像通過(guò)CCD圖像傳感器采集以后，其后的處理過(guò)程首先要對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，其次通過(guò)灰度值修正，取得最優(yōu)閾值后再進(jìn)行二值化分割，以完成對(duì)圖像的處理。
    中值濾波算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)過(guò)程首先是確定中值濾波窗口與形狀，然后將窗口內(nèi)的像素值存入數(shù)組中，再通過(guò)冒泡法對(duì)該數(shù)組進(jìn)行排序以取出中值，最后用該中值替換原來(lái)窗口的中心像素，至此，便實(shí)現(xiàn)了圖像的中值濾波。由于墻體裂縫圖像的特殊性，灰度值修正算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)過(guò)程是先獲取用戶(hù)感興趣的灰度區(qū)域[A，B]，再利用循環(huán)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的值M進(jìn)行判斷，若M<A，則將M賦值為0，若M>B，則將M賦值為25 5，若A<M<B，則有：
   
    式中INT為取整，通過(guò)以上運(yùn)算，便可實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域的灰度拉伸，使對(duì)比度增強(qiáng)。圖2所示是通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中值濾波與灰度修正的具體
流程圖。

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    在閾值分割算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于裂縫圖像中的裂縫和墻體背景的灰度值相差較大，因此，其直方圖會(huì)呈現(xiàn)明顯的雙峰形狀，而將該谷值作為分割的閾值來(lái)進(jìn)行二值分割會(huì)得到較好的分割圖像。一般情況下，采用迭代閾值分割法比較適合。用迭代的方法來(lái)對(duì)閾值進(jìn)行迭代，能夠自適應(yīng)地尋找出最優(yōu)的閾值。然后將每個(gè)像素值與閾值進(jìn)行比較，大于閾值時(shí)，將該點(diǎn)的像素值置為255；小于閾值時(shí)，將該點(diǎn)的像素值置為0。此時(shí)，便完成圖像的二值化分割。在整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行中，主函數(shù)先開(kāi)始執(zhí)行，并先進(jìn)行初始化，包括將圖像數(shù)據(jù)裝入到指定的存儲(chǔ)空間，設(shè)置圖像的邊界和大小，通過(guò)迭代閾值法得到最佳閾值T等，接著再進(jìn)行中值濾波，然后進(jìn)行灰度修正，再后進(jìn)行閾值分割，至此便完成了整個(gè)圖像的處理過(guò)程。通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)閾值分割算法以及整個(gè)圖像處理的流程如圖3所示。

4 仿真結(jié)果分析
    本文利用DSP集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)CCS對(duì)裂縫圖像的處理進(jìn)行了仿真，并通過(guò)建立新的工程將主程序以及相關(guān)的庫(kù)函數(shù)加入到工程中，然后在配置存儲(chǔ)空間和編譯鏈接后，鏈接了仿真器，并將生成的下載文件下載到仿真器中，最后設(shè)置斷點(diǎn)，開(kāi)始運(yùn)行程序，觀察每次圖像處理的結(jié)果。其具體的仿真結(jié)果如圖4所示。

    在圖4中，圖4(a)為原圖像，(b)為經(jīng)過(guò)中值濾波后的圖像，該圖像中的噪聲有所減少，但圖像也開(kāi)始有點(diǎn)模糊； (c)為灰度調(diào)整后的圖像，該圖像中亮度明顯增加，裂縫與背景的對(duì)比度明顯提高，細(xì)節(jié)也較明顯； (d)為利用迭代閾值法進(jìn)行二值分割后的圖像，可以看出，該圖像中的裂縫基本被分割出來(lái)，粗的裂縫清晰明顯，細(xì)的裂縫分割效果也基本滿意，可以達(dá)到裂縫圖像去噪、增強(qiáng)、分割的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文主要探討墻體裂縫圖像的預(yù)處理過(guò)程以及算法的DSP實(shí)現(xiàn)。該方法通過(guò)C語(yǔ)言編程并利用DSP可完成圖像采集、中值濾波、圖像增強(qiáng)、圖像分割四個(gè)步驟，從而完成整個(gè)裂縫圖像的處理過(guò)程。墻體裂縫圖像經(jīng)處理后，裂縫能較清晰的得到顯示與分割，而且細(xì)節(jié)信息基本保留，因而可為其他處理做準(zhǔn)備。由于該方法是通過(guò)DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程，故其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。事實(shí)上，本文的方法也可在一些便攜式墻體裂縫檢測(cè)設(shè)備中得到應(yīng)用。