数字图像处理的硬件

文章摘要：输入部件是一个图像处理的信号来源，此信号的质量将影响总体处理效果，其中最主要的问题是输入设备引入了噪声。因此，任何图像处理系统都为去除这种噪声做许多工作。例如，气象卫星接收天线下面，在进入图像处理系统之前需要用液氮冷冻的低噪声放大器，一般系统常采用摄像机作为图像输入部件，其噪声指标是影响图像处理系统工作的关键指标。高档相机的低噪性使图像的灰度分辨率提高，从而能获得图像中的微弱灰度变化信息。例如，光学视觉系统灰度分辨率需256级，即28，它对输入噪声的要求控制极高，这往往作为一项专门的技术攻关难题去处理，其次是空间分辨率，它取决于应用的需求。作为一个通用图像处理系统，常用的空间分辨率为512×5

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　　输入部件是一个图像处理的信号来源，此信号的质量将影响总体处理效果，其中最主要的问题是输入设备引入了噪声。因此，任何图像处理系统都为去除这种噪声做许多工作。例如，气象卫星接收天线下面，在进入图像处理系统之前需要用液氮冷冻的低噪声放大器，一般系统常采用摄像机作为图像输入部件，其噪声指标是影响图像处理系统工作的关键指标。高档相机的低噪性使图像的灰度分辨率提高，从而能获得图像中的微弱灰度变化信息。例如，光学视觉系统灰度分辨率需256级，即2⁸，它对输入噪声的要求控制极高，这往往作为一项专门的技术攻关难题去处理，其次是空间分辨率，它取决于应用的需求。作为一个通用图像处理系统，常用的空间分辨率为512×512。此外，在图像获得时A／D转换的输入信号应满足与计算机时钟严格锁相等的要求。

　　常用输入设备有以下几种类型。

　　·光一机械式——有光机鼓、激光扫描仪、光学读入器和微密度计等。

　　·电子束式——有电视摄像管、飞点扫描仪和彩色飞点扫描仪等。

　　·固态器件——以电荷耦合器件为主体的输入设备（CCD摄像机）得到广泛的应用，它具有空间分辨率高、位置线性好、体积小等优点。另外，它与电子束式摄像机相比，突出的优点是能在低照度下工作。

　　·图像存储部件。

　　图像存储部件的选用应满足以下各项要求。

　　·三端存储体结构要适应快速存取。

　　·容量要大——通常存储512×5l2×8 bit的一幅图像为一个体，图像存储器要求有许多这样的体，故容量要大。

　　·地址数据的管理应灵活——除了三端要求之外，还可以按位存取、按面存取和局部存取，同时对存储体各部分的与、或、加、减、拼接、上下左右滚动等应灵活，用CRT指示的对存储器的搜索管理的灵活性也应考虑。

　　（2）图像处理器

　　以软件处理为主的图像处理系统对计算机的速度、内存、功能都要求较高，若出现速度达不到要求，就改换算法或更换为更高档的计算机。对于图像计算机类型的图像处理系统，则可以对计算机的各项指标要求低些。但以上两种类型都要求计算机能扩展多种外设，诸如磁带、磁盘、光盘以及鼠标滚动球和数字化板等，以使图像处理操作更加灵活。

　　（3）图像输出设备

　　输出设备的目的有两个：一个是将处理前后或处理中间结果的图像显示出来，供分析、识别和解释；另一个是制成硬拷贝或以数据的形式记录下来永久保存。中间显示设备多数用CRT显像设备，当分辨率较低时，用电视的CRT显示，而当分辨率超过通用电视时，多采用专门设计的显示器。液晶型显示设备以其体积小、易携带等优点迅速占领市场。CRT液晶显示的空间分辨率和灰度分辨率仍是两个主要选样指标。

　　作为硬拷贝的输出设备有飞点扫描器、光机鼓形扫描器、激光扫描器及各种打印和喷墨输出设备等。这些设备的灰度分辨率和彩色的鲜明度都已达到了实用水平。另外，也可用录像、摄影以及一次成像的普通照相机等得到图像处理的硬拷贝。

　　（4）典型的图像处理系统结构

　　原始的图像数据通过图像输入部件进入到图像处理器中，如果图像原始输入是模拟信号，则要通过图像采集卡把连续的模拟图像信号转换为离散的数字图像信号。也是说，图像输入到计算机的是模拟信号或者数字信号，但是图像采集卡处理的信号一定是数字信号，其输出的信号能直接被计算机接收，从图像采集卡中输入的数字信号进入到微型计算机后，微型机算机的扩展槽上插有带帧存体的采集卡，该帧存体接收从图像采集卡传入的数据，然后送入到计算机的内存中，于是计算机内存开始处理内存中的图像数据，当数据处理完成后，计算机将把处理完的数据又送回帧存体，同时把结果也送到显示器上，以方便用户对处理结果的监控。对于直接使用内存的采集卡，则只需要和内存进行数据交换。计算机的内存越大，CPU的运算速度越快，则图像的处理速度就越快。帧存体获得来自计算机的处理结果后，将其数据传送到图像的输出部件，其原理图如图所示。

图 典型图像处理系统结构

　　图像的输出是图像处理的最终目的。从广义的角度讲，图像的输出形式可以分为两种：一种是根据图像处理的结果作出判断或者执行调整，例如，质量检测中的合格与不合格，光学视觉系统的贴片头根据图像处理调整贴片头的空间姿态，当然它的输出不一定以图像作为最终形式，而只需提示供人或机器进行选择。这种提示可以是计算机屏幕信息，是电信号的高低，这样的输出往往用于成熟研究的应用上；另一种则是以图像为输出形式，它包括中间过程的监视以及结果图像的输出。

　　总之，在数字图像处理的硬件中，图像处理的速度和硬件的性能直接相关，当然，也和图像处理软件的处理速度密不可分。

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