基于嵌入式ARMS3C2440的裂紋實時測量系統(tǒng)的設計

引 言

在建筑業(yè)中，評價墻體裂紋，地面裂紋是評價房屋質量的一項重要指標。一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

本研究將問題劃分為以下兩個部分：

（1）裂紋寬度測量算法；

（2）將以上所開發(fā)軟件移植到ARM開發(fā)板，并優(yōu)化算法提高軟件運行速度。

1 裂紋寬度測量算法

計算裂縫寬度關鍵是要利用圖像分割技術得到裂縫的真正邊緣。雖然已有文獻介紹了多種分割方法，但是未見有針對裂縫測試儀采集到的裂縫圖像進行處理的方法。

1.1 圖像獲取

圖像獲取過程如圖1所示：被檢測的裂縫通過光學系統(tǒng)在CMOS圖像傳感器上成像，然后通過USB接口將裂縫圖像輸出到ARM上進行處理。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。

裂縫圖像如圖2所示。裂縫寬度分布范圍較廣，自幾十至幾百像素不等，但遠遠小于圖像的寬度值。裂縫周圍有部分噪聲，有的圖像含有大量污染區(qū)域，這成為裂縫位置鎖定的難點。

1.2 OTSU圖像分割

通過與已有圖像分割方法如：直方圖法、OTSU法、區(qū)域分割法等進行比較發(fā)現(xiàn)，OTSU在最后的效果上占有明顯的優(yōu)勢。

圖像分割的結果如圖3所示。觀察結果，很容易發(fā)現(xiàn)圖像的邊緣很大區(qū)域被錯分為與裂縫一樣。于是直接計算裂縫寬度時會導致將錯分的區(qū)域計算成裂縫。因此除了計算裂縫寬度外，對候選裂縫集合進行有效剔除是另一個重要任務。

分割完圖像后，計算所有可能成為裂縫的區(qū)域的寬度。采用從圖像給定行的起始位置開始計算裂縫寬度，當發(fā)現(xiàn)像素灰度由0變?yōu)?55，記為一個裂縫的左邊緣起始位置；當查找到像素灰度由255變?yōu)?，記為一個裂縫的右邊緣結束位置。通過這種方法可以獲取給定行的所有可能的裂縫寬度。但是在具體試驗中發(fā)現(xiàn)，計算對單行的裂縫進行寬度測量還是存在比較大的誤差。于是采用求取給定行上下5行共10行的平均值的方法。

1.3 Sobel邊緣檢測

以上小節(jié)得出了裂縫的候選集合，但是事實上這個候選集合含有大量的非裂縫區(qū)域。這一節(jié)中的主要內(nèi)容是設計算法剔除這些干擾裂縫，獲取更小的裂縫候選集合。在試驗中，由于裂縫具有明顯的邊緣，而干擾圖像區(qū)域有比較模糊的邊緣或者僅有一個邊緣等，通過分析，提出采用Sobel邊緣檢測的方法進行裂縫位置的鎖定。Sobel算子由兩個卷積核組成，如圖4所示。

通過對原始圖像采用Sobel邊緣檢測得到如圖5所示結果。

但是，這個結果很明顯存在很多微小的干擾，這些干擾必須予以剔除，否則將對鎖定裂縫邊緣沒有任何效果。通過對邊緣檢測結果圖像仔細分析發(fā)現(xiàn)，雖然存在微小干擾，但是他們的灰度值普遍偏小，針對這一發(fā)現(xiàn)，對緣檢測結果圖像做與上一節(jié)中一樣的圖像分割，這會將微小的干擾有效地剔除。如圖6所示。

同過對分割后的邊緣圖像進行觀察，圖像仍然存在一些微小的干擾，但這些干擾相對于未處理的緣檢測結果圖像已經(jīng)很少，將在后續(xù)的處理中對圖像裂縫添加附加約束，從而取出這些干擾的影響。

1.4 基于裂縫特征的附加約束

通過對大量的裂縫圖像進行分析，發(fā)現(xiàn)圖像裂縫有如下特點：

　?。?）裂縫灰度值低于墻體的灰度值。

　?。?）裂縫的寬度相對于整個圖像不超過圖像寬度的1／3。

　　（3）污染的墻體區(qū)域一般呈大的塊狀出現(xiàn)，且很多僅含有一個邊界，另一邊界延伸至圖像外面。

　?。?）墻體的一些微小的干擾呈小塊狀出現(xiàn)。

　　（5）裂縫一般為帶狀。

使用ARM處理器處理圖像，由于其速度慢且有實時性要求，故不能處理整張的圖像，換句話說，必須處理局部圖像。這就很明顯增加了剔除候選裂縫的難度。該系統(tǒng)顯然是無法使用特點（4）、特點（5）的。

通過添加以上約束，實驗效果有了明顯的提高。

圖7是PC機的結果，由于同時使用了5個約束效果比較好。圖8是ARM系統(tǒng)運行的截圖，由于在ARM上不方便分步計算出每一個步驟，故直接給出了帶有測量結果的截圖。

2 基于Linux的QT界面設計算法

前文討論的是主要的算法部分，完整的裂紋測量系統(tǒng)還包括用戶接口部分，即圖形界面接口。在ARM上采用QT進行界面設計已經(jīng)比較成熟，它具有以下主要特點：

（1）入門容易、學習成本低。了解基本概念后就可以邊查文檔邊寫程序。

（2）跨平臺效果好。本來是Linux下的工具庫，Linux是一類Unix計算機操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是“Linux”。Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開放源代碼發(fā)展中最著名的例子。嚴格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實際上人們已經(jīng)習慣了用Linux來形容整個基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)。Linux得名于計算機業(yè)余愛好者Linus Torvalds。

3 軟件移植與程序優(yōu)化

由于最終的程序是運行在ARM系統(tǒng)上，而由于ARM處理圖像時的速度慢與裂縫測量儀器的實時性要求，必須對程序進行優(yōu)化，并將算法移植到ARM系統(tǒng)上，使之可以正確運行。

程序的優(yōu)化是一個問題，雖然現(xiàn)在的ARM速度已經(jīng)提高了很多，但是在處理圖像時還是很吃力，加上算法中需要對原圖像兩次獨立處理，相當于加倍了ARM的負擔。通過對大量裂縫圖像的分析，針對前文中提出的裂縫特點以及結合ARM本身的運算速度條件，提出剔除處理全部圖像的算法。采用了只處理給定行位置上下10行的區(qū)域。通過只處理這20行圖像，極大地提高了程序的運行速度。以上方法并行，還采用多線程編程方法，通過將圖像采樣與圖像的處理分為兩個進程完成，有效地提高了程序的運行速度。

4 實驗結果分析

該程序分別在PC機和ARM開發(fā)板上運行，效果如圖7，圖8所示。

通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)該算法能較好地檢測出裂縫的分布和寬度。在算法中采用了結合OTSU圖像分割與Sobel邊緣檢測的混合算法進行裂紋檢測與寬度測量。這種算法能分別有效利用邊緣檢測與圖像分割兩種方法各自的優(yōu)點。

5 結 語

針對墻體裂紋測量，設計出了一套適用于裂縫寬度檢測的算法。該算法能較好地檢測出裂縫的分布和寬度。采用邊緣檢測與圖像分割混合的方法并通過對大量圖像進行分析，對算法添加了一系列符合圖像裂縫特征的約束條件，極大地提高了算法的準確性與健壯性。分別將程序運行于PC機系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)，并針對ARM系統(tǒng)的特點對算法進行了一系列優(yōu)化，引入了并行處理技術，在提高ARM運行速度的同時，使得ARM系統(tǒng)檢測出的結果達到與PC機系統(tǒng)幾乎同等的效果。