（模式识别与智能系统专业论文）复杂背景下的实时图像处理.pdf

中聋 孚学杖术走学硕击论文 摘要 随着数字圈像处理技术的笈展，隧像处理系统的应用已经潦入至b 美蕞鳗计民生的拜多鞭 域。但同时，由于盈像处理涉及的数据量比鞍庞大，处理速度成为了谁l 约箕发展的瓶颤之一， 实肘图像处理技术正是在这种需求下应运而生，其广泛的应用能力对图像处理的发展和社台 生产力的提高产生了深远的影响。 本文结台作者长期从事安列图像处理研究的经验方法和实验宣的磺究项盟啤浦成品 检测系统，绘出了一种系统的实对餮像检测豹方法。论文的具体豹结构如f ： 首先是介绍图像处理的理论基础，包括图像预处理、边缘检测和幽像的识别算法。 并详细阐述了形态学滤波和小渡变换、多尺度边缘捡攫在图像处理中的应用。 然后论文简要舟绍了奉项目中蹦像处理各个阶段的算法和数据结榴。 论文接下来介绍了基于d s p 芯片的实时霄像处理系统。这部分先简单介绍了d s p 芯片的结构特点和性能；然后着重阐述了基于t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 的实时图像处理系 统的软硬件设计：最岳描述丁d s p 系统的赣件编程和系统调试。 论文舶最后部分总结前面讨论的理诡算法和系统结构，针对作者的试验研究顽秘， 设计了一个完整的实时图像检测系统一啤酒成品检测系统。同时将图像处理领域 的前沿知瑷t 形态学滤波，小波边缘检攫等理论算法应翔干该d s p 系统，肤算涟 程序、硬件特点等方面详细阐述7 这些算法蜘具体实现过程。虽后论文蛤出了该系 统在实际廊用中的处理结果并8 优越性并在此基础上展望其发震前景。 关键蠲：宴对圈稼处理：计算托视觉：形态学滤波t ，j 、敬变换：多r 度边缘检测并 r 数据 结构；数字信号处理器t m s 3 2 0 c 3 2 ：商接存储器存取：1 2 c 总线；模数转换芯片 主! 翌兰! ! 查苎鲎鉴主堡圭 尘! ! ! 坚 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fi m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mh a si n f i l t r a t e di r i t em a n yi m p o r t a n tf i e l d sw h i c ha r er e l a t i v et ot h en a t i o n a le c o n o m ya n d t h ep e o p l e sl i v e l i h o o d b u ta tt h es a m et i m e 。b e c a u s et h ed a t aa m o u n to fi m a g ep r o c e s s i n gi s e r l o r m o n s ，p r o c e s s i n gs p e e dh a sb e c o m eo n eo ft h e b o e - n e c k sr e s t r i c t i n gi t sd e v e l o p m e n t r e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ye m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e ，a n di t sa b i l i t yo fb r o a d a p p l i c a t i o nh a sb r o u g h tf a r - r e a c h i n gi n f l u e n c e t ot h ep r o g r e s so fs o c i e t ya n dt h ea d v a n c eo f p r o d u c t i v l t y - t h et h e s i sc o m b i n e da t t t h o r se x p e r i e n c eo fi o n g - t i m er e s e a r c ha b o u tm a i - t i m ei m a g e p r o c e s s i n ga n dt h er e s e a r c hp r o j e c to fl a b t h ef i n i s h e db e e rd e t e c t i o ns y s t e m g a v eas y s t e m i c m e t h o da b o u tr e a l - t i m ei m a g ed e t e c t i o nt h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo f t h at h e s i si st ! s t e da sf o l l o w ： f l a t l y , t h et h e o r e t i cf o u n d a t i o no fi m a g ep r o c e s s i n gw a si n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e s i m a g ep r e t r e a t m e m ，e d g ed e t e c t i o na n di m a g er e c o g n i t i o na l g o r i t h m a n dt h e a p p l i c a t i o n si ni m a g ep r o c e s s i n go fm o r p h o l o g i cf i l t e r , w a v e l e tt r a n s f o r ma n d m u l t i - s c a l ee d g ed e t e c t i o nw a se x p o u n d e di nd e t a i l s e c o n d l y ，t h et h e s i ss i m p l yi n t r o d u c e dt h ep a r a l l e ld a t as t r u c t u r eo fi m a g ep r o c e s s i n g a n dt h ep r o c e s s i n gm e t h o d sb a s e do nt h ed a t as t r u c t u r e t h i r d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e dt h er e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do bd s p t h i s p a r ts i m p l y i n , e d u c e d t h es t r u c t u r e f e a t u r ea n dc a p a b i l i t y o f d s p f i r s t ，t h e n ( 2 m p h a s i z e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n a t i o no fr e a l w t i m ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do l r l t m s 3 2 0 c 3 2 d s ea n dd e s c r i b e dt h ep r o g r a m m i n g s y s t e md e b u go f d s ps y s t e ml a s t l a s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e dt h et h e o r e t i ca l g o r i t h ma n ds y s t a ms t r u c t l w ed i s c u s s e d a b o v e ，a n dd e s i g n e daw h o l er e a l 4 i m ei m a g ed e t e c t i o ns y s t e m ，a r m i n ga tt h ea u t h o r s r e s e a r c hp r o j e c t - - t h ef i n i s h e db e e rd e t e c t i o ns y s t e ma tt h es a m et i m e ，s u c ha d v a n c e d k n o w l e d g ei nt h ed o m a i no fi m a g ep r o c e s s i n ga sm o r p h o l o g i cf i l t e r , w a v e l e te d g e d e t e c t i o nw a sa p p l i e d 上b 舡d s ps y s t e m 。a n dt h ed e t a i l e dr e a l i z a t i o ns t e p sw e r e e x p o u n d e di nt h ea s p e c t so fp r o g r a m m i n ga n dh a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i ce t cl a t e lt h e t h e * i sg a v et h ep r o c e s s i n gr e s u l ta n di t sa d v a n t a g ei na c t u a la p p l i c a t i o n ，a n dp r o s p e c t e d i t sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：r e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e rv i s i o n ，m o r p h o l o g i ef i l t e r , w a v e l e t t r a n s f o r m ，m u l t i s c a l ee d g ed e t e c t i o n ，p a r a l l e ld a t as t n l c t u r e , t m s 3 2 0 c 3 2 d s p , d i r e c tm e m o r y a c c e s s i n g ( d m a ) ，r cb u s ，a f dc o n v e r s i o nc m o sc h i p 申国科学技拳太擘碰士论囊 y b _ l b u 土u致谢 致谢 首先，我要感谢我的导师刘振安教授。我的论文离始至终都是在刘老师的蓑心和指导下 完成的。从进八实验室起，刘老师一直班他滞博的知识指导我的学习和j 二作。同时，刘老拜 严谨的研究作风，谦虚的工作态度也深深地感染了我们，让我们在求学的路上始终能够健康 成长。在此，我对刘老师对我的聘养、教育、荧心神爱护表示我深深前谢意。 同时，我要蒜谢嗣实验室的同学相师兄弟，特舅是叶刚、孙杰、蒋琳、王晋军等同学， 在实验室期问，他们和我互相帮助共克难关，进行了许多有益的学术探讨，给我提供了大 量台理化建议，弗帮助我完成了与论文相装的一些实验。在与他们的台佑中，不仅拓宽 我 的知识面，增长了学术水平，并且让致在实验室的生活也过得充蜜而精彩。 感瓣藏p b 9 7 1 0 帮现在s a 0 1 1 0 妁同学，这么多年来，我们豫亲兄弟赡妹一样和殪相始。 互相帮助，同他们的友谊是我一生的财富。也感谢所有曾经关心过我的朋友们。 最后，我谨以此文献缭我最敬爱的父母。在辩大的7 年时阐弹指一挥闽，父母却为了我 的生活、学习而增添了丝丝自发，这种古辛茹苦的爱、这种塑予成龙的艇鼢和远离身边的牵 拄一直是我生活的精神支柱和前行的基石。此井感谢陈黎同学在论文写作期间对我的照顾 和鼓励，让我能安心、顺利地完成了论文。 中国科学技术太学硕士洽支 幕l 章概论 第1 章概论 本论文是我在孛匡科学技术犬学自动化系研究生期闭学习、j ：作髓门蚺群总结。我在实 验宣中主要曼责复杂背景下的动态嘲像处理的基本方法。通过对比和分析传统的图像处理方 法，结台目前圈藩处理颈域的前沿研究，总结自己在嘟像处理中遇到匏嘲箍和款得的成果， 运厢小渡变换，多尺度边缘柃涮等先进的分栝方法，开发d s p 并行匿像妊疆系统，形成了 具有一定先进意义的图像分析方法，费把袍们麻用予实践。 小波分析理论自8 0 年 弋米成为厚际上十分活跋的研究领域，它已被r 泛赢用于图像处 理，数据压缩分形几何等许多领域。奉文主要探讨基于小波分析原理，快速小波算法的改 进，并孝4 用二维小波变换对胤像边缘处理。实际国像妁空闻频率或份十分复杂，用普避舱方 法赢摇提取边缘往往不十分有效。而用小被变换可以将图像分解成不同频率成份的小波分 量：然后再驮这些不同层次的，j 、渡分量中我出信号本身的特征以提墩边缘就比较有敛了。 随着计算桃性能伶格比盼不断提高班及有关数字处理方法的发褒，数字酬像处理技术无 论在科学研究上、f = 1 = 业生产上或管理部门中都得到越来越多的应用。而日标跟踪、机器九导 航、自动驾驶、干线变通监襁等应用也极大地促避丁蛮时图像处理技术的发展。实时黔艇用 环境决定了实时幕统必须具考强大的运算能力。两释静高性能d s p 不仅可l 丛满足我们在运 算牲糙方面韵霈要，而萎南予d s p 弱碍编群性，憧褥我释j 可以枉硬件一纽获得系统设计的 极丈爱衍性。固此阻t i 公司的t m s 3 2 0 系列为代袭的高性能d s p 在实时蹦像处理中也获 得了r 泛应用。由于匿像处理的数据餐土，数据处理相关性高，并且具有严椿鼬帧、塌时翔 限制，如何针对潮稼处理的特点对d s p 进行优化城程，充分发挥其性能就成为提高鹄个系 统性能的关键，在我们设计船“实时图像魁理系统”中，采用7t m s 3 2 0 c 3 2 作为系统运算 中心，同时钟对罄像处理进行了基于c 3 x 的优化犏程方面的尝试，并获得了髓好的结论。 1 1 课题鸯景与研究目标 当今图像捡测系统的发展趋势是集智能化、集成化和高速化、协调化为体的窭时耪测 系统。小波检测技术和d s p 离速信号处理系统已经成为瞄像处理领域盼热点之一。这些技 术有着r 阚豹市场前景a 通过该课题的研究，将对当今最先进的检铡拄术和检测系统进行跟 踪和分析。并完成一项基于这艘技术的项目设计。 1 1 1 课题背景 1 。实蹿鞠豫处理系统鹃发展概况 数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，当时通过海底屯缆从英国伦敦到美国纽鳓传 输了一辐照片，它来用了数字压缩技术t1 9 6 4 年美困的喷气推进实验宝处理了太空船“徘 籀者七号”发西的月球照片，遮标意着第三代计算机弼睦后数字器侏娃理概念开始褥至a 应用。 其焉r 强像魁理幕统技术疑展迅速目前已成为工攫学、计算机科学、信惠科学、统计学、 物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域各学科之闯学习和研究的对象。如今图像 处理技术已给a 豢带来了巨大的经济和社会效益。不久的将来它不仅在理论上尝有更深a 的 发展t 在应用上亦是科学研究、社会生产乃至 类生活不可缺少的强有力的工巽。 在匿像魁理4 0 系年的发展历史期阍，骧善计算机、集成电路萼技术豹飞遘发展，圈像 争围斟擘技术舡学硕士论文 第f 幸概论 处理无论在算法上、系统结构上西楚在应用上以及瞥及的程度上都取得了长足的进展。但 是，鲻像处理依然瑟箍着许多热战性柏问题，其中最圭耍的捌藤就是知是窭现处理逋度的高 速优。匿像签理抟遮度粒题篷盎攫像数据舱特点和蹦像娃理算法鹩复杂性弓；起的+ 这个埔题 是一个数期疆扰幽像界的瓣手问题。 忙缝计算机的特点是按j j ；l 先设计好的狂序玉控制计算机的操作。指令拦一条条依次执行 的。机器的太部分工作是盎存储器与a l u 间变挽数据。因而数据的流动谜率簸制了计算机 的数魔，这就是常说的瓶颈敬应。事实上图像处理与理解中的数据与掉法有独特的结擒特点， 希计算机的结构能与乏暖配，蝌能有教地柏快处理速度。目前l 渖拄簧在下几个方蕊努力： 第一是v l s i ( 超大规模熊成电路) 技术的发展。现在几乎每丽三五年集成廑和性# 价 格比就将翻一番，这使褥瓶簿处豹元件逋寝提高威为可能。嚣中揖著名的就是t f 公司推出 的t m $ 3 2 0 系列d s p ( 数字信号处理器) 芯片。 第二是引入多种并彳亍机制。目前常用的图像处理任务的并行机制有如。卜几种： 邻城齄理器； 单指令流多数据流( s i m d ) 结构： 多指夸漉多数掇涟( m i m d ) 结构； 流水线蛄构。 2 小渡图像盘t 理理论葺( i 多尺度边拣捡测 自从1 8 0 7 年傅立叶提出并倡议用傅立叶变换反变换研究函数以来，傅立叶变换就是分 析幽数的最有力的工具之一，矛i 用傅立h 蔓换研究图像性质也避一种常博方法。照看科技肫 不断进步，a 们越来越发现博立时变换的鬲足，由子博立叶交按不能稼证所有构局期嫡数都 就得到收敛的博立时级数表乖。傅立叶反殃豹是全频域和垒时域的信息。丽不是人们受美心 的局部信息，因此很多数学家和，c 程师郯力到修噩= 傅立q 十分析手段，以达副一定的分析性能。 一方霹，l e b e s g u e 寻授剥台适的函数囊间，戡符台傅立时变换收敛古勺要求：另方面， d u b o i s r e y m o n d 提出修馥博立叫变抉收敛定| 义，导致调和分毫盱方法的出现；丽h a a r 则致力 于寻找新的j e 交基，来建立”种| 生能更好的变换方法，并撮终导致了小没分析方法的出现。 夺波变换作为一种新的变抉分析方法，它敏主要转点是邋过变拯能够充势突出蜘题菜些方露 的特艇，因此，小波变换在许多领域都褥豁了成功的应用，特别是小波变按的离散数字算法 已被厂 豫用于图豫链理的研究中。 m a l l a t 结台图像传统的小波分析理论，提出了多分辨分析理论，井构建了寻找合适小波 爰相关r 度蘸数、m r a 的统一方法，利用对幽像的币同尺度、不间分辨率“f 的鲴节特征f ! 皇 分折，来确定用户关心曲翳像信息。 由于图像信患的复杂性，目前尚役育一种非常完美的算法适增丁瞄像处理辑领域，尽管 懿此，到目前为止t 机器视觉啻j 龄是一一个嚣嚣活跃鸵鹱域弗将在钍菠一段时间砖保持活罡乏。 每年都育太量静学者对图像处理进行研究，大量龅会议毅觉为主题进行 开究新瑾浍新方法 层出不穷r 弗产生大量的埝文和专著。随着科技的币麟进步，趟像处理这一科技界寿葩也 蹙会控放出更多的光芒。 3 实对嗣稼处理技术的摩用和需求 实施圉像处理技术静应用是多方面的，毫不夸张地说，凡是在到像处理技术应用的地方 都可娃癍用实时腰像处理技术，原因在于实对圈像处理技术可以提高图像娃理的遵寝，健是， 遮耍付出一定的代价，这种代价包括设备上和开发上船代债在可用、不可用的地方。 弋价 格题会成为考虑的重点t 而在必须府用的地方，考癌l 勺重点则是实时熙德处璎曩统的世鼗及 可行性a 从应用图像处理技术的紧迫性米看，其麻用领域主要荣中在军事、互业自动化以及 2 中蔷科擘植书天学颤士论天 革1 章概砖 公安的形式侦察上在这蝗领域强有力的推动下，实时图像处理技术得到了迅谜的发展。 一、实时图像处理技术在军事上的应辩j 军事上对图像处理速度的追求是寸分强烈的。1 9 8 4 年6 爿荧圆进行了导弹葶! 截试验， 拦截导弹上的蜓波红井线健感器在第二。：级助推火箭点燃衙开始上怍，借助于两蠹汁算机，毅 据处理的速度大约是每秒运算指令1 8 x 1 0 “7 十，“爱国者”p a c - 3 型导弹是美国研制的进 程建对空导弹1 9 9 9 年成功拦截了“赫拉”蟊标火箭。在这些导弹利导中+ 实时图像处理 技术是不可缺步的。 阉样。地对地、空对空等军事目标的跟踪都需璎实时图像处理技术。这娄系统的难度在 于蟊标豹高速避动、实际战场环境里的虽标鄂背景变换都很大，以及存在夫鼙的人为干扰， 这擞应阁确宴是智能他实旋瞬慷处理的典型应用。 二、宴对凋像妊理技罐在工业自动化中豹应用 啤酒成品榆测是啤酒制造厂生产过程中的一项重要任务。由于在发酵的过程中，啤酒往 往会塌a 一些鬟曲发酵原料，聪形成不舍格产品。嚣此啤酒的合格性检测成为了一个报重要 鼢过程。睥酒检测系统是用于睥疆生产线上识别啤酒中夹杂特发酵原料，从而判断啤谭戒晶 是否台格的自动检测系统。 我们研制船啤灞成品检测系统用微机作为主机，果用t m s 3 2 0 c 3 2 ，出片做从拶l 采共怒完 成。检测工作曲流程是分段检洳，通过酗像采集卡，a d 设备，将数字信号送入d s p 芯片 完成圈像降赣、小踱边缘裣测等算法处理，然后将处理结果送入微机系统进行判别私控制， 剔除不合格的啤酒成分。为了提高处理速度，我1 门大量来用硬件和软件方面的并行技术以提 蔫系统的实时牲，检测速度最终可达到1 2 0 $ 趸m i n 。 在实际生产活动中还存在着许多娄能盼课题，如车厢编组、无人驾驶汽车、无a 驾驶飞 机等。车站编组站对一辆剐车的车厢重新进行编组。其中的一项1 作是在歹市运动中卸f 车 厢之闻的挂钩，箨要智能控制系统来完成，这个控制系统必须高速地识别出挂钩的准确位置 继丽产生拆卸挂钩的动作。 值得指出豹是。工业自动亿的实时检测主要是措盎线的实时按涮，其速度娃指满是生产 流水线任务的检测速度，而不是指视频实时的检测速度。 三、实辩龋像处理拄术在刑事债察中的应用 指纹识别技术暑经趋乎成熟，并已广泛地用于孵式侦察中，例如最近美国启耀“美国访 客胤i 穆融身份显示技术”( u s v i s i t ) 系统耍求外国入境者留指纹和拍照以进行身份罄定。 近年来人面像识别技术发展较快，在刑事侦察中己得到初步的应 i 。这两炎系缆的 作方式 毫| i 是敲持查询的原始图像中提敬特征，然后强这些特征去数据痒煎找和原始浏在特征上相近 的措纹绒 面像。递鬻数援痒的窬量都魁比较大，应此要进 i 犬数据鬣的匹琵攫运算和群序。 目前在1 0 0 万牧指纹库中进行比对可达到1 0 万牧，s 的匹配水平。在1 0 万人丽俾序中进行 人西像姥对，萄达到1 0 0 0 0a s 曲比对承平，这些都是遴过蜜时鳓像处理豢统求实现瓣。 对于实时图像箍理技术，其社会需求是巨大的，尽管耳前在各个领域已有一些成功的琏 用但与社会总需求相比，许多应用还没有发展起来，究其原因，主萋存在两方面问题，首 先是系统代价很高用户耀以承受；其次是系统本身还没有真正解决一些实际蝴题。盟然， 只存在技术上成功地解决了实际河题，通j 窭摊广应用，继蔼才能蔓好地解密轰统代价地闯题。 1 t 2 研究任务和目标 l - 对图像处理系统和并行图像妊理技术最前抬接术得蹋蹿和掌握 针对图像处理系统的走势，无疑高速率、高质量的实时检测系统游代表着未来十几年 甚至几十年的图像处理系统的发展方向。 3 主璺壁兰垫查墨兰堡圭堡墨 。苎! 兰坚丝 传统的图像处理方法主要是对数字圈像进行空域处理或者遥过傅立卧变换将数字瞬像 变换到颠域进 亍处理。小波= 竖挨_ 手【】多分辨分析毒予艇对非静态信号分析的忧施性，在鹫像处 理领域有若独特的地位和重要的麻用。由于应用领域的不同，小波变换的具体应用也各有特 点。目前比较流行的例如：降噪、图像压缩、边缘检钡i 等。 巨像并行处瑗技术是豳像处理中的一个重要方面，是提高躅像处理速度的最有效技术， 其发箍水平一赢受至4 蜀豫界钓关注，琢西在于：一方强，图像并行处理技术的发展难麈饺九， 这种难度不仅在于图像并干亍处理系统的硬件及系绕结构本身，以及它对计算机技术和集成电 路等技术的依赖关系，而且在于实际应用的复杂性私臆蚶部门对系统价格的承受能力：另一 方面。图像并行处理技术的发展所产生的效益也是十分显著的，它在处理速度上所获释韵加 速比是令人振奋的，其实际应用系统也将产生很大的经济效益和社会效益。 需要做的工作： 固收集具弯代表性抟先进图像处理技末豹论文； 分析它们的优缺点和廊堵背景： 跟踪和掌握实时图像处理系统的设计方法和技术特点； 熟练掌握图像并打处理技术在微机系统中的应用。 2 对基予小液边缘检渊的d s p 蹦慷处理系统的研究 边缘检测是图象处理中基础而又重要的课题。目前已有梯度掉子、l a p l a c e 算子、r o b e r t 算子、s o b e l 算子、m a n 算子等众多方法。由于小波交换对奇异特性尤为敏感，使得它更适 瘴捡剁围臻的边缘和细节。近年米。多尺度的概念嚣触子，j 、渡理论中，对某类小波，图像 边缘对应于小波变换的局部模最火值，基于小波变换与边缘检测的关系，我们针对特定豹试 验环境提出了一种用小波变按进行边缘检测的算法并采用该算法在系统中进行边缘检瓣， 实时鞠缘处理技术在目标跟踩、机器a 导航、辅助驾驶、智能交通监控中都得到越来越 多的应用。由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，实时的应用环境决定严格的帧、 场时阃限制，因此实时图像处理系统必须具有强大的运算能力。并种高性能d s p 不仅町以 蘸足在运算性能方面的需要，两且由于d s p 的可编程性。还可以在硬件一级获得系统设计 的极太灵活性。为了获褥足够的计算能力，我们舀两片t m s 3 2 0 c 3 2 作为系统的运算中心构 筑丁实时图像处理系统。 需要做的工作： 熟练掌握小渡分析和多足度边缘检测原理； 针对试毅环境设计小波检测算法并犏程实现； 了解d s p 的系统结构和工作原理； 设计以t m s 3 2 0 c 3 2 为棱心的实对图像处理系统； 在d s p 系统中实现孵缘处理模块。 3 完成“啤酒成品检测系统”项目开发 譬僚，国内太多数的啤灏生产线上都采局啤酒样愚浓度分折杖检测啤酒的台格瘦，势辕 之a 工露鞭和经验的方法来判断。这样势必影响到产量而且检测效果受到 为因素影响较 人，效果不理想一采用图像检测，可以方便、实时地检测到异物的大小和位篙，并通过控制 器加以校正因此，啤酒成品检测系统的研制，对于优化啤酒质量、为企业节约开支、提瘫 我营啤滔业的国际竞争力具有重要意义。 在啤酒成品检测系统的开发过程中，我们将目前流行的先进知识应州与实践使科学理 论转化为生长力。并且在试验过程中，针对特定的工作环境，研制出不同的技术方法，从而 推动椰鲤进生产的提高、学科韵发展。 4 中霹科举技术走，荨礓士论支 第1 章橇话 需要完成的1 作： 7 簸啤酒成品检瓣系绞晦直藤环境移技术要求； 制定啤酒成品检测系统的系统结构和 i 忭原理： 完成系统开发i j 作( 软件屡、硬件层) ； 安装测试系统井在实际丁作中捡验系统性能。 1 2 面临的挑战 鼽凋像处理菝术的发展采着，在实孵性上实琨了安施采集、实时传输、实时显示，实对 赴理；在硬件处理嚣结构扛实现了多结构和可重结构；在图像系统结镌上实现了鞋计算帆内 存为中心和以大规模集成系统为中心的系统结构：在并行处理上实现了多d s p 、多c p u 、 多微机、m m x ，s s e 扮并干亍妊琏；在算法上实现了多颧域，多厦敬、多创耨 f 勺天发展 宴时图像技术的成果应用也遍布多个领域：工啦自动化、军事、宇航、值探等。现在的 窭时图像处理技术，已经取得了理论上、应用上的突出成采并步 了大发展时期，但也面 临若许多挑战，诸如处理逋度蜘题，价格成本问题，复杂环境下的应用问题，模糊型像的迁 琢嘲题等等，归纳起来。谊些挑战集中在以f3 个方面： 先进理论在实际系统中的应用； 复杂问题的求解； 处理逮度的高速化； 在“啤酒成品检测”项目里，这3 个方面的挑蕊是交织在一起的。回时，具体的系统设 计稚应用还包括如。f 一些问趣： 小波池缘检测算法的d s p 中的实现问题： d s p 从系统与微帆的接矗问题； 露像处理的大数据量与d s p 中相对轻小的存储窖最之间矛盾： 不规则小物体的表面积计算问题； 实际工业环境中的降嵘阔趣。 要解决这些问题，酴了要7 解相关的专业知识车u 实际工作环境以外，还需要有很强的综 台分析能力，西此龟害有综合技术集成的研究是我们面临的新课题，也是我们当前系统设计 急需解决的重要课题。 l 。3本文工作及论文结携 1 3 1 本文工作 针对实时固像处理的技术特点和“啤酒成品检测”的系统要求，本文先对小波变换理论 和多足艘边缘检测算法进行了分析和研究，然后璎究7 鬻像的并行处理技术和d s p 系统中 盼，l 个关键阅觑，并且实现小渡算法在t m s 3 2 0 c 3 2 中的应用，解决了微扭、d s p 主扶系统 的接亡1 问题和数据处理流程阿避。本文还对边缘检测算法、降噪算法和不规则物体表面积计 算算法进行了优化，驿低了复杂度。最盾，论文蛤地了系统的硬辩结槐图和部分软件d e m o ， 集成了论文的丈部分关键技术，并可实现动态图像的在线实时检测。 本文的圭簧工作有t 1 调研 广泛研究了实时誉像处理幂统开发静般方法，蓝其是以d s p 为核心的并霄处理技术 5 中阁科学技术太学硕士论文 第1 章 既论 和小渡剖像妊堙技术，确定了泓小波边缘检测、t m s 3 2 0 c 3 2 系统作为研究的出发点。一方 面，小波分析方法和d s p 开发系统具有广泛的市场应用前景另一方面，目前小波边缘检 测的应用并不完善，特别是结合d s p 系统或嵌入式系统中的开发，目前国际上尚没有先例， 曩有很夫的开发空间和应f h 债值。 2 小坡检涮方法研究 掌握小波构造、m a | l a t 小波分解、霞构和多尺度边缘检测方法，结合具体环境，选择小 波平滑函数祁边缘检测阂值。由于众多原因，图像常受到随机噪声的干扰，而边缘的噪声在 空间域表现为炭度有较太起落，在频域反映为高频分量，困业边缘检溅的结果常把噪声当成 边缘点检测出采，本文针对这种现象捉出了一种解决方法，它充分利用小波变换所挺供的信 息，在降噪的同时提取边缘，经过试验证明是一种有实用价值的方法。 3 。图像处理的算法研究的及其数据结构 首先是基于传统的 撩拔和边缘检测算法的分析，了解其优缺点。然后针对馥项目设计出 信息提取层算法和知识层算法。并且剐各十层敬上算法的数据结构进行阐述。 4d s p 圈像处理系统开发 掌握d s p 舶王作原理和编程语言，结台并行算法在t l 公司的t m s 3 2 0 c 3 2 上开发图像 处理系统。实时霉像盐理数据誊大，一般要求系统有5 舡5 0 0 m o p s 的处理能力，因此需采 用高速、高性能的主处理器。d s p 提供了适合数字信号处理算法的内部结构与外部接口电 路以及专用高效指令，因此目益成为宴时图像处理系统首选核心器件。但单片d s p 的性能 受v l s lf 艺的物理极跟限涮，使得采餍并行处理结掏成为实现宴对翻慷处理必由之路， 5 系统调试与安装 在实际应用中，由于工业环境光线较暗，噪声千扰很大。需要根据调试结果米更改系统 参数设置甚至需要重灏选择处理算法。犀时为了满足在线检测骑实时性要求，需要对硬忭 结丰句，软件算法进行优记e 本人以徽机为主系统，d s p 为从系统完成了硬件、软件设计， 可以实时地完成从图像采集、处理、显示及系统控制的全过程。并且在实际检测中取得了很 好的效果。 1 3 2 论文结构 本论文共分腰章，并章的内容安排如下： 第l 章概述，卉绍本文的谋疆背景与研究g 标、茸临的挑战和奉文的1 。作、安排。 第2 章小波分析和多尺度边缘捡测，该部分详细分析了小波理论、小波基构造和m a i i a t 小波算法，阐述7 波边缘检测方法和快速小波算法。 第3 章流体霉像的算法研究，介绍了传统鲍腰像处理方法和流体图像检滞中的对象识别 算法。包括：圈像预处理、边缘检测、物体识别等。 第4 章图像处理的数据结构分析，介绍了图像处理的特点和各个层次上的算法分析以及 箕并行的数据结构。 第5 章d s p 原理与开发应焉，阐述了d s p 高速实时图像处理系统。包括：( i ) d s p 的 基率结构和特诬 ( 2 ) d s p 硬件设计 ( 3 ) d s p 芯片c 和祀编语言的耀台编程；( 4 ) 基于d s p 的 图像并行处理：( 5 ) 快速小波变换在t m s 3 2 0 c 3 2 上的实现。 第6 章实酎图像检测系统赛例，详细介绍了我在实验室的一个工作项目一啤酒成品榆测 系统，运用图像处理技术，提出了一种基于目像的畔酒台格廑检测算法。包括：( 1 ) 业环境 与 二作要求：( 2 ) 系统设计；( 曲算法实现 ( 4 ) 安装调试：( 5 ) 结论。 6 中盈科学技长主学颤士静丈 第2 章小渡舟析和多足度边埠槛静j 第2 章小波分析和多尺度边缘检测 傅立升变换怒一个强膏力的数学工其，它羹青重要的物理意义，即信号，( x ) 豹傅藏叶 变换，( w 竺tf o p 斑袭示信号的颞谱。芷是傅立时变换豁这种重要盼物理意义，决 定了博立时变换在信号分析和信号处理中的独特地位，特别照作为平稳信号分析曲景囊要的 j ：具r 倒如图像烛理中对于自噪声的降噪。但是，在实际麻辟j 中，所遇到的圈像处理火多数 是不平稳信号，囊少在现测的全韶肘闻段内它不是平稳的，所以，琏若翻像处理应捌范强盼 运步扩太和理论分柝的不峨深八，傅立叶变换的局隈性就灏渐展示出来了。 小波登换是一种新韵变换分析方法它的主聂特点是通过变换能够充分突出问题某些肯 而的特征，因此。小波变换在许多领域都褥到了成功的应用，特剧是小波变换的离数数字髀 法已被广泛罔予许多问越鼬变换研究率。 2 1 小波的基本理论和小波构造 为了行文方便，我们约定，一般豫书写享母，比如，。表示时溺信号或函数，其中f 表 示时间域自变量，对应的大写字母，m ) 表示相应函数域信号的傅立叶变换，其中w 袭示频 域自变量；最瘦函数总是写威庐( x ) ( 时间域) 和q 帅( 频率域) i 小波瞄数总是弓戚0 ) ( 时间域) 和甲( w ) ( 频率域) 。函数空间上2 是定义在箍个实轴r 上的满足要求 e ，( q j 2 出+ 的可测函数，缸) 的全体组成的集台，著带有楮应豹函数运算和内鞭。巍 观得说t 就是在远离原点的地方衰减得比较快的那些函数或者信号构成的空间。 2 。1 。1 多分辨分析与小渡构造 1 小波定义和小波的性质 小渡是蕊数空阕r ( 矗) 中满足下述条佧的一个醢数或者馈号矿( ： q = 鼻警如c o 。 ：， 这里，f ；胄叫啤褒示非零实数全体。矿( x ) 也称为小波母函数。对于任嚣的实数对缸，6 ) 墓中| e 7 t 必须为非霉实数，称如下形式的函数： 吲2 者咿审 ： ! 苎壁至垫查苎量竺主丝苎 堡j 主：! ：些窒塑妻兰墨壅璺堡垒竺 为由小渡母函数y ( j ) 生成的依赖j ：参数( d ，6 ) 的连续小渡函数，茼称小波。 对于任意的幽数或翥信号f ( x ) ，其小波变换定义为 哆( 以= 加) ，( x ) 出 反变换 他) = 圭臻一( 删警 u 辔此可见，对任意函数，( j ) ，它的小激变换是一十二元函数。这是，j 、波变操与傅立l 变换 稂不相同的地方。另补，一般称参数口为尺度参数，丽参数b 为时间中心参数。当时间串，舟 参数6 崮定不变时t 小波变欹，( 窿，6 ) 体现的是原来的函数或信号，( = ) 在x = 矗点附近髓 着分析和观察的范固遥渐变化时表现出来的变化情况。其反演公式说明小波变换作为信号变 换和信号分析的工具在变换过程竿是没有信息授失韵，从而保证小波变换在变换域对信号进 行分析的有效性。 小波变换的p a r s e v a l 恒替式： q i f ( x ) i o ( x ) d x = ：瓴6 ) 啄( 矾6 ) 专竽 2 s 对空间f 拓) 是空间l 2 ( r ) 的线性c j 予空间函数族 移扛功：”z 是空阊f ( 坤的标准正变系，也是彳空阏豹标准l 交基。 根据p a r s e v a l 恒等式，对于任何整数，当信号，( x ) 翘2 ，厅频率截断时，函数族 扣砷= 脚删= 警m z 卜空间_ = 阳州= o ，| 卟：，卅 静标准正交基飙面褥到r ( 旯) 的一系列豹子空间；歹z ，它们有摇下荧系： 嵌套关系：_ c + ， 唯一关系：盆= 扣 稠密荚系：( 盖1 ) = r ( 异) 伸缩关系：，( x ) 甚铮f ( 2 x ) + i 对于任何整数j ，选取髟避空润一在l 。中的如下_ ；1 _ = 交祷空间： = 时= g ( x ) ；s u p p g _ 2 一以2 口b 2 9 其中s u p p g = d p w 怒g ( w ) o 称为函数g ( w ) 的补集。 不难证明当，取全部整数，哆将掏成r ( 贾) 的完全的正交直积分解。t t & 连4 、波，只 需对一个空间如进行构造就可以了。 由空阉关系：k ；ko 懿可以得到如下分解：( 磅= 五 ) + 乳( x ) 根据这些信号 傅立叶变换的级数表达式可得： 荆= 伽吣仨 蚓s 。 g l 卅2 8 2 1 0 2 硝s w f 9 中国科学技术大学硕士论文 第2 章一i 一波分析和多足度边蝽检测 0 ) ：2 ( 2 x ) 一( x ) ：s i n ( 2 x z ) - s i n ( x z ) 2 i i x 万 这就是s h a n n o n 小波。 设帆；，z 扭三2 ( 足) 上的一列闭子空问，庐( x ) 是r ( 尺) 上的一个函数，如果它们满 足：单调性：唯一性： 稠密性；伸缩性： 可构造性：彩啊一n ) ； z ) 构成子空 间的标准正交基，那么。称配；，z i ( x ) j 是上2 ( r ) 上的一个正交多分辨率分析。 仿照s “a 咖o n 小波的构造，对w z ，定义如f 的于空间，使得蟛上，。= w , e g 则子空间p ；y e 刁具有如下性质 w z ，上彬； 2 ) = 星氍；w 三鳓嘭甙2 功e 啄。 关键问题是构造函数矿( 砷- 使得函数旌妒。一七) ；七z 是的标准正交基。 因妒( x ) v o s u ，且巧有标准正交基 互( 知一n ) ；n e z l ，所咀存在唯的系数序列 h 。； z ，上2 ( z ) ，使得： 0 ) = g y a 庐( 2 x 一月) ( 尺度方程) 2 1 2 又因为小波函数y ( x ) k 所以存在序列 岛；h z ，使得 ( 砷= i g 。矿( 2 r 一”) ( 构造函数) 2 1 3 h e z 引入记号：( 功= 击乏；吃e ，g ( 珊) = 苦岛p 一脚，日( m ) g ( 却) 分别称为低通 月e z v z 月f 7 和高通滤波器的频率响应，根据标准正交基的性质可知： i 7 ( 印) f 2 + i 打( 出+ 叫2 = 1 ，口七e r f g ( ) 2 + l g ( 国+ 砷1 2 = l , a , e z o r2 1 4 高低通滤波器频率响应的基本关系： 坝叻q 曲+ 日+ 砷g ( + 砷= 0 ，a e t o r 2 1 5 不难证明- 当g i 叻= 一川十司时，p ) 成为正交小渡。此时，小波的时域形式： p ( x ) = 拒( 一1 ) ”记( 2 z 一月)2 1 6 频域形式： 甲( ) = e - “2 万( 丌+ 2 ) o ( ) 2 1 7 中霸辞孛| 支术太擘颁士论盘茅2 章小波奇折和多尺度连缘樯剽 4 d a u b e c h i e s 的紧支小被 尺度函数妒( r ) 紧支( 即存在7 1 0 ，当川 t 时，p ( f ) ! o ) 的充分必要条什是：滤波 器曰( 由) 的系数 以；”毫z 是有限长度。即存在，当 ，时，魄= o 。这样，紧支尺 度函数和紧支小波函数的构造问题转化为构造系数有跟的姑轭滤波器。 满足材( w ) 是有限共轭滤波嚣条嚣的实系数多疆式p ( y ) 其育一般的形式： p ( y ) 竺b ( y ) + y ”月o ) 萁中多项式丑( 满足杂彳牛：r 0 一力+ 置( = 0 恩体构造步骤如下： 按需要选择自然数n 1 2 1 8 罾任选非最整数m 和，构造霉系数，岛，c 2 ，。多项式： r c ，= ( y 一匀2 ”“ c 。+ q ( ，一书2 + c ： y 一匀4 十+ 。( ，t 一妁2 卧及p ( y ) = 最( 一) + ，”冗( y ) o 满足条件：妒p ( y ) 砖2 求出多项式户( y ) 蟊奇全部根，根据r i e s z 弓f 琏，构造实系数多项式烈。) ： q 每”】2 = 扣( 割 构造张有限躺共轭滤勰c 竹= ( 半 ”薛“) ，最翩删堋定义 公式。抒( 珊) 拦去e 讪9 求出滤被嚣的全部系数。 根据得到的系数列，h ”，如f 茸先，由敢尺度方程：妒( 辞= j 笺k 妒( 2 ，七) 解出紧支尺度函数p ( f ) ，箕次，由构造函数：y ( r ) 竺j 致一1 ) 瓦妒( 2 h 。量一1 ) 得出紧 支韵小渡函数矿。 卡璃科学技术盘擘j 蠢士论文 第2 索小液舟折和多足鹰蕴壕捡制 2 。1 2 小波交换与时，频分橱 傅立叶变换表示了信号的频谱，这种震要的物理意义决定了傅立时变换在信号分析和信 号处理用的独特地位。但是傅立时变换必须获得信号在时域中的全部信息，以至于包括束来 韵信患：它对信号的局部畸变没有标定和度量能力：同时，傅立时变换不能爱