數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、自動化檢測和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。通用的圖像處理系統(tǒng)采用圖像采集卡將圖像傳送至PC，從而實現(xiàn)圖像處理的各種算法。近年來，隨著集成電路和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，特別是DSP集成度、穩(wěn)定性、運算速度、數(shù)據(jù)吞吐量等性能的不斷提高，以DSP為的實時圖像處理系統(tǒng)得到開發(fā)。采用DSP實現(xiàn)快速數(shù)字圖像處理可將算法嵌入到DSP中，充分利用DSP的高速性和并行性，提高系統(tǒng)的運行速度，達(dá)到數(shù)字圖像處理的實時性。相對于基于PC機(jī)的通用圖像處理系統(tǒng)，基于DSP的圖像處理系統(tǒng)具有體積小，功耗低等優(yōu)點，適用于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

　　在圖像處理中檢測圓通常需要計算圓形度，半徑，圓心位置等圓參數(shù)。Hough變換是目前應(yīng)用廣泛的圓檢測方法，該方法可靠性高，在噪聲、變形、甚至部分區(qū)域丟失的狀態(tài)下仍然能取得理想效果。但其缺點是計算復(fù)雜，內(nèi)存需求大。算法的實時性很差，不能滿足實時性的要求。

　　國內(nèi)外對Hough變換的研究及應(yīng)用動態(tài)：Hough變換于1962年由Paul Hough提出，并在美國作為被發(fā)表。它所實現(xiàn)的是一種從圖像空間到參數(shù)空間的映射關(guān)系。由于具有一些明顯優(yōu)點和可貴性質(zhì)，它引起了許多國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注。例如，由于其根據(jù)局部度量來計算全面描述參數(shù)，因而對于區(qū)域邊界被噪聲干擾或被其他目標(biāo)遮蓋而引起邊界發(fā)生某些間斷的情況，它具有很好的容錯性和魯棒性。多年來，們對Hough變換的理論性質(zhì)和應(yīng)用方法進(jìn)行了深入而廣泛的研究， 并取得了許多有價值的成果。

　　根據(jù)某項工程的實際要求，對標(biāo)準(zhǔn)Hough變換檢測圓算法進(jìn)行改進(jìn)，并在TMS320DM642平臺上實現(xiàn)，取得較好的檢測效果，并達(dá)到實時性要求。

　  TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP總的定點DSP，其是C6416型高性能數(shù)字信號處理器，具有極強(qiáng)的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口，特別適用于機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費類電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。筆者針對市場客戶的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以PCM1801為音頻輸入采集電路，以TMS320DM642型DSP為處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡，并將其應(yīng)用于構(gòu)建高穩(wěn)定性、高魯棒性和多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　 算法運行平臺

　　算法運行平臺采用北京合眾達(dá)公司的SEED-DTK-VPM642多媒體實驗平臺，該平臺采用TI公司的TMS320DM642作為處理器。TMS320DM642是專用于數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32位定點DSP，工作主頻達(dá)720 MHz，處理性能可達(dá)5 760 MI／s，強(qiáng)大的圖像處理能力為實現(xiàn)算法實時性和可靠性提供保證。該實驗平臺的整體功能框圖如圖1所示。前端通過CCD攝像機(jī)獲得視頻圖像，經(jīng)視頻解碼器TVP5150的數(shù)字化處理后，形成并行數(shù)字碼流以EDMA傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送到TMS320DM642的數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)，對圖像進(jìn)行實時處理后的數(shù)據(jù)自動通過EDMA傳輸至數(shù)據(jù)輸出緩沖區(qū)，再通過視頻編碼器SAA7121形成碼流，傳送到顯示器顯示檢測結(jié)果。在整個算法的實現(xiàn)過程中，為了滿足實時性的要求，都是以EDMA的傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)。

　 Hongh變換圓檢測算法的實現(xiàn)

　 1. Hough變換圓檢測算法的改進(jìn)

　　Hough變換的基本思想是將圖像從空間域變換到參數(shù)空間，用大多數(shù)邊界點滿足的某種參數(shù)形式來描述圖像中的曲線。假設(shè)在x-y平面檢測并確定一個圓的參數(shù)，圖像中待檢測圓周點的集合為{（xi，yi），i=1，2，3，…，n}，（x，y）為該集合中的一點，其在參數(shù)坐標(biāo)系（a，b，r）中解析式為：

　　該解析式對應(yīng)的曲面為三維錐面。圖像中任意確定的一點均有參數(shù)空間的一個三維錐面與之對應(yīng)。對于圓周上的任一點{(xi,yi)，i=1，2，3，…，n}，這些三維錐面構(gòu)成圓錐面簇，如圖2所示。

　　若集合中的點均在同一個圓周上，則這些圓錐面簇相交于參數(shù)空間上某一點，該點恰好對應(yīng)于圖像平面的圓心坐標(biāo)及圓的半徑。Hough變換在計算上將參數(shù)空間進(jìn)一步分割為累加器單元A（i，j，k），并先使累加器單元置零。根據(jù)式（1）對參數(shù)作相應(yīng)循環(huán)，如果一個a（i）值得到相應(yīng)的b（j），r（k），就令A(yù)（i,j,k）=A（i，j,k）+1。對每個累加器進(jìn)行比較，找到值累加器，該累加器所對應(yīng)的參數(shù)值（a,b,r），就是在平面上所要檢測圓的圓心及半徑。

　　標(biāo)準(zhǔn)Hough變換的計算非常復(fù)雜，在圓形檢測應(yīng)用中隨著取值范圍的不斷擴(kuò)大，在參數(shù)域的三維數(shù)組尺寸成正比例增加，需要占用大量計算機(jī)內(nèi)存，計算效率低下。因此，盡可能縮小參與Hough變換的參數(shù)域范圍是提高其效率的關(guān)鍵。對其改進(jìn)的步驟如下：

　　步：對圖像作canny邊緣檢測處理，得出圖像中待檢測圓的單像素寬的邊緣；

　　第二步：求出圖像中待檢測圓邊緣在上，下，左，右4個方向上的極點，然后根據(jù)圓的幾何對稱性，采用“外接矩形法”估算待檢測圓的圓心及半徑，生成相應(yīng)的子圖，并濾除圖像中的噪聲。“外接矩形法”估算圓參數(shù)方法如圖3所示，其中圓心O為

　　第三步：考慮到圖像可能存在缺陷和噪聲，對估算所得到的圓心及半徑進(jìn)行適量縮放，從而縮小參與Hough變換的參數(shù)域范圍。

　　第四步：在確定的圓心及半徑范圍內(nèi)，根據(jù)圓的參數(shù)方程進(jìn)行。Hough變換，從而檢測圓的參數(shù)。

　 2. 基于DSP／BIOS和RF5架構(gòu)的算法實現(xiàn)

　　算法的實現(xiàn)是基于CCS和DSP／BIOS及TI倡導(dǎo)的DSP軟件架構(gòu)RF5。該算法分為輸入任務(wù)、處理任務(wù)、輸出任務(wù)3個任務(wù)，軟件框架如圖4所示。

　　在初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入DSP／BIOS任務(wù)調(diào)度管理，3個任務(wù)通過RF5的SCOM模塊互相發(fā)送消息。

　　這3個任務(wù)完成的工作是：

　?。?）輸入任務(wù) 從輸入設(shè)備驅(qū)動程序獲得視頻圖像。它使用驅(qū)動程序提供的FVID_exchange調(diào)用從輸入設(shè)備獲得一幀新視頻圖像。輸入任務(wù)接著發(fā)送消息到處理任務(wù)，消息中包含圖像數(shù)據(jù)指針，接著等待輸出任務(wù)發(fā)送來的消息以繼續(xù)運行。

　　（2）處理任務(wù) 一直等到接收輸入任務(wù)，包含圖像數(shù)據(jù)指針消息，才開始激活運行。對接收到圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得出圖像中待檢測圓的細(xì)邊緣，然后調(diào)用改進(jìn)的Hough變換檢測圓的參數(shù)，接著發(fā)送消息到輸出任務(wù)，消息中包含經(jīng)Hough變換檢測后生成的圖像數(shù)據(jù)指針，然后等待輸入任務(wù)發(fā)送來的消息以繼續(xù)運行。

　　（3）輸出任務(wù) 將圖像顯示在顯示設(shè)備上，使用驅(qū)動程序提供的FVID_exchange調(diào)用實現(xiàn)圖像的顯示，接著發(fā)送消息到輸入任務(wù)，然后等待處理任務(wù)發(fā)送來的消息以繼續(xù)運行。

　 實驗結(jié)果

　　采用某光纖插針內(nèi)孔參數(shù)檢測項目中所獲取的內(nèi)孔圓（如圖5a所示，實際圖像大小1 392×1 040像素，限于篇幅，縮小為原圖的10％）來檢驗算法效果。原圖的實際圓心坐標(biāo)為（678，503），半徑為462。圖5b為使用Canny算子檢測得到的邊緣圖像；圖5c為采用本文算法得到的檢測結(jié)果。表1、表2分別列出了基于PC平臺和TMS320DM642平臺采用本文算法與采用標(biāo)準(zhǔn)Hough算法分別對圖5a進(jìn)行圓參數(shù)檢測所得結(jié)果、占有內(nèi)存大小及耗時的對比。

　　從實驗結(jié)果看出，經(jīng)改進(jìn)后的Hough變換圓檢測算法，無論是基于PC平臺還是TMS320DM642平臺，與傳統(tǒng)的Hough變換算法相比，算法的運算量、內(nèi)存需求、耗時都有了大幅度的削減，因而有效地提高了圓的檢測效率，滿足實時性要求。

　 Hough應(yīng)用領(lǐng)域

　　理論與實踐向來是形影不離，相輔相成，Hough變換之所以有如此長足的發(fā)展，主要原因還是在于實踐應(yīng)用上的廣泛需求；而在實踐中所暴露出的不足又進(jìn)而促進(jìn)了它的發(fā)展，循環(huán)往復(fù)，就如同生命的演化?，F(xiàn)枚舉其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

　　1.生物醫(yī)學(xué)

　　Hough變換已被成功應(yīng)用于基于人工智能的診斷系統(tǒng)；X射線人體照片和CT圖像的處理和判讀；光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡中的細(xì)胞核自動分析系統(tǒng)；從超聲波診斷中提取三維動脈特征，等等。

　　2.自動化、機(jī)器人視覺

　　Hough變換已被用于產(chǎn)品部件的自動監(jiān)視、缺陷診斷、生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控、計算機(jī)輔助制造（CAM）等。例如基于Hough變換的機(jī)械零件檢測和定位系統(tǒng)；基于Hough變換采用直線、圓弧等作為基本特征的工業(yè)產(chǎn)品檢查系統(tǒng)。

　　3.空間技術(shù)、軍事防御

　　Hough變換已被用于運動目標(biāo)軌跡的檢測與識別，高空偵察機(jī)、間諜衛(wèi)星和軍事雷達(dá)等目標(biāo)自動識別系統(tǒng)的特征提取。例如應(yīng)用Hough變換對戰(zhàn)斗機(jī)的外形特征進(jìn)行提取和自動識別；應(yīng)用Hough變換輔以信號檢測理論解決并行多運動目標(biāo)的跟蹤問題。

　　4.辦公自動化

　　Hough變換在許多應(yīng)用系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。例如采用Hough變換進(jìn)行英文字符特征提取并自動識別，其對印刷體字符識別率為99.6%，對手寫體字符的平均識別率也達(dá)到了86.9%，并已成功應(yīng)用于郵政信件的自動分揀、文件處理等。 　　由以上分析可見，Hough變換有著廣泛的關(guān)注程度以及良好的應(yīng)用前景。在計算機(jī)視覺和自動目標(biāo)識別系統(tǒng)中，Hough變換是一個用于邊緣線條特征提取的強(qiáng)有力工具。

　 結(jié)束語

　　在以TMS320TMS320DM642為的實時圖像處理平臺上，通過對傳統(tǒng)的Hough變換檢測圓算法進(jìn)行改進(jìn)并運行驗證，證明了對于時間復(fù)雜度較大的圖像處理算法，在基于高端DSP的實時圖像處理系統(tǒng)上運行，圖像處理效果良好，能夠滿足實時性要求。