董 浩，王 帥，張 晶，周洪遠(yuǎn)

（河北省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，河北 石家莊 050081）

數(shù)字圖像處理技術(shù)的目的是為了提高圖像的視感質(zhì)量、提取圖像中所包含的某些特征或者對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行格式變換，目前已在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人視覺(jué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并逐漸深入人們的日常生活。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字圖像處理無(wú)論基于何種目的，都需要由計(jì)算機(jī)和專用的圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行加工處理。

Visual Basic（VB）是一種由微軟公司開(kāi)發(fā)的編程設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它具有簡(jiǎn)單易學(xué)、人機(jī)交互性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖像處理并不是Visual Basic最具優(yōu)勢(shì)的開(kāi)發(fā)方向，但是借助于其豐富的圖形控件和API函數(shù)，Visual Basic可以用簡(jiǎn)潔、高效的語(yǔ)言代碼對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并取得令人滿意的效果。

鐵路軌道檢測(cè)儀主要用于檢測(cè)鐵路軌道的高低、水平、軌向等參數(shù)，它主要由激光發(fā)射裝置和檢測(cè)接收系統(tǒng)組成。在檢測(cè)接收系統(tǒng)中，使用工業(yè)相機(jī)采集光斑圖像并對(duì)其進(jìn)行處理獲得檢測(cè)參數(shù)。對(duì)此，我們開(kāi)發(fā)了基于VB的實(shí)時(shí)圖像處理軟件，利用該軟件對(duì)光斑圖像進(jìn)行圖像捕捉、獲取像素、減噪處理、二值化等操作，處理后的光斑圖像經(jīng)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算，結(jié)合軌道檢測(cè)儀所攜帶的其他設(shè)備，可以為鐵路日常維護(hù)提供詳實(shí)、全面的數(shù)據(jù)，有效提高了工務(wù)段日常線路維護(hù)的效率和質(zhì)量。

1 圖像處理過(guò)程及相關(guān)代碼

1.1 圖像捕捉

要處理一幅圖像，首先要通過(guò)合適的手段捕捉圖像，Visual Basic提供了兩種控件用于圖像的顯示，分別是PictureBox控件和Image控件。Image控件沒(méi)有句柄，只能用于顯示圖片，不能作為其它控件的容器，也不支持PictureBox的高級(jí)方法。但是Image控件占用系統(tǒng)資源較少，繪圖速度快，而且其Strech屬性設(shè)置為ture時(shí)，圖形能自動(dòng)調(diào)整大小以適應(yīng)Image的尺寸。鑒于此，我們?cè)诓蹲綀D像時(shí)，采用PictureBox控件，在軟件人機(jī)顯示界面，采用Image控件。

1.2 像素獲取

每一幅圖像都是由一系列像素點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)陣。在彩色圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)都是由紅、綠、藍(lán)三個(gè)基色調(diào)調(diào)合而成的，如果獲取了每個(gè)像素點(diǎn)三種基色的數(shù)值，就可以對(duì)圖像進(jìn)行深層次的處理。

在Visual Basic中，主要有三種方法可以讀取像素值，前文提到的PictureBox控件可以打開(kāi)多種類型圖片，其本身提供的POINT方法可以讀取每一點(diǎn)的像素值，但是讀取速度較慢，占用內(nèi)存較大；GetPixel方法需要調(diào)用API函數(shù)，但其核心和POINT方法相同，仍然不是最佳選擇。目前較主流的方法是GetDIBits方法，使用GetDIBits方法獲取picturebox中各點(diǎn)的RGB值，比POINT方法或GetPixel函數(shù)逐像素獲取像素要快出一個(gè)數(shù)量級(jí)。使用GetDIBits方法獲取像素，首先要注意定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這是GetDIBits方法不可缺少的。然后需要定義變量，用來(lái)存儲(chǔ)圖形的寬度和高度，并定義三維數(shù)組，存放獲取原彩色圖像中各像素的RGB值，這里需要注意的是，GetDIBits方法只能用于從PictureBox控件獲取像素，并不能從Image控件獲取，因?yàn)镮mage控件沒(méi)有句柄，如果想把Image控件的快速性和GetDIBits結(jié)合起來(lái)，可以采用自定義控件的方法，為Image控件添加句柄，這樣可以充分利用GetDIBits方法和Image控件的優(yōu)勢(shì)，獲取更加快速的像素讀取速度。

以下是GetDIBits方法獲取像素的部分代碼：

Dim iWidth As Integer

Dim iHeight As Integer

Dim bits（）As Byte

iWidth＝form1.Picture1.ScaleWidth／Screen.TwipsPerPixelX

iHeight＝form1.Picture1.ScaleHeight／Screen.TwipsPerPixelY

Dim bi24BitInfo As BitMapInfo

With bi24BitInfo.bmiHeader

.biBitCount＝32

.biCompression＝0＆

.biPlanes＝1

.biSize＝ Len（bi24BitInfo.bmiHeader）

.biWidth＝iWidth

.biHeight＝form10.Picture1.ScaleHeight／Screen.TwipsPerPixelY

End With

ReDim bits（3，0To iWidth－1，0To iHeight）As Byte

ReDim bitsBW（3，0To iWidth－1，0To iHeight）As Byte

lrtn＝ GetDIBits（form1.Picture1.hdc，form1.Picture1.Picture.Handle，0＆，iHeight，bits（0，0，0），bi24BitInfo，0＆）

利用GetDIBits方法可以快速獲取圖片各點(diǎn)像素值，便于后期對(duì)圖片進(jìn)行各種處理。

1.3 減噪處理

由于軌道檢測(cè)儀一般用于野外線路測(cè)量，檢測(cè)接收系統(tǒng)拍攝到的光斑圖像受日照影響較大，當(dāng)光線直射到接收屏?xí)r，甚至出現(xiàn)激光光斑湮沒(méi)在背景噪聲中的現(xiàn)象，另外，長(zhǎng)期野外測(cè)量，很容易使相機(jī)鏡頭帶有灰塵或者微小劃痕，這造成輸入的數(shù)碼圖像上帶有細(xì)微的雜色點(diǎn)或者細(xì)線，甚至出現(xiàn)背景波紋，如圖1、圖2所示。

圖1 激光光斑湮沒(méi)在背景噪聲中圖片

圖2 出現(xiàn)背景波紋的激光光斑圖片

為解決由光線和相機(jī)本身造成的噪聲污染，采集到的圖像必須經(jīng)過(guò)減噪處理，即采用濾波、調(diào)節(jié)對(duì)比度、調(diào)節(jié)亮度等手段，對(duì)圖像進(jìn)行減噪，以去除背景噪聲，提高圖像信噪比。借助于工業(yè)相機(jī)廠商提供的函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光照狀態(tài)下圖像對(duì)比度、亮度的調(diào)節(jié)。下面主要介紹一下濾波，由于灰塵或者劃痕帶來(lái)的噪聲點(diǎn)寬度較小，一般在1到數(shù)個(gè)像素之間，而且其亮度和周圍正常像素點(diǎn)差異較大，如果我們針對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)，取一個(gè)范圍，比如和他周圍最接近的8個(gè)像素點(diǎn)作比較，取出差異最小的n個(gè)像素求平均，代替當(dāng)前噪聲點(diǎn)，就可以達(dá)到去除噪聲點(diǎn)的效果，由于代碼過(guò)長(zhǎng)，下面僅給出算法，以供參考。

舉例如下：范圍為8，噪聲點(diǎn)為6，取最接近的點(diǎn)為4，4，4，5，5，7，8

4 5 5

7 6 8

3 4 4

均值為（4＋4＋4＋5＋5＋7＋8）／7＝5.28（四舍五入后為5）

處理后結(jié)果如下：

4 5 5

7 5 8

3 4 4

可以看出噪聲點(diǎn)已被去除。

經(jīng)過(guò)采用濾波、調(diào)節(jié)對(duì)比度、調(diào)節(jié)亮度三種方法綜合處理，可以將不同光照條件下產(chǎn)生的噪聲有效去除，獲得的圖像具有較高信噪比，以下是調(diào)整前后圖像對(duì)比。

圖3 處理前的激光光斑圖片

圖4 處理后的激光光斑圖片

1.4 二值化操作

經(jīng)過(guò)減噪處理的圖片，已經(jīng)基本去除了環(huán)境噪聲，可以對(duì)圖像進(jìn)行二值化操作，進(jìn)一步處理圖像，二值化屬于VB比較常見(jiàn)的圖像處理手段，目前主要有平均值法、加權(quán)平均值法、最大值法等算法，在本系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)GetDIBits方法提取出的像素點(diǎn)已經(jīng)被存儲(chǔ)在bits（）三維數(shù)組中，只需要對(duì)bits（）三維數(shù)組進(jìn)行直接操作，就可以得到二值化后的圖片，部分代碼如下：

If bits（0，ix，iy）＜90Then

bitsBW（0，ix，iy）＝0

bitsBW（1，ix，iy）＝0

bitsBW（2，ix，iy）＝0

Else

bitsBW（0，ix，iy）＝255

bitsBW（1，ix，iy）＝255

bitsBW（2，ix，iy）＝255

這里設(shè)定的閾值為90，可以根據(jù)具體測(cè)量條件設(shè)定為0－255之間的任意值。

2 結(jié)論

本文介紹了基于VB的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)的主要處理流程和算法，并給出了部分代碼，該系統(tǒng)已經(jīng)成功在鐵路軌道檢測(cè)儀上得到應(yīng)用，作為該儀器的前期數(shù)據(jù)處理核心，將采集到的光斑圖像處理為灰度圖像，便于后期數(shù)據(jù)計(jì)算。針對(duì)1024＊768分辨率的圖片，處理速度可以到達(dá)每秒2－3張，基本滿足了鐵路軌道檢測(cè)儀的檢測(cè)需要，結(jié)合其他傳感器提供的參數(shù)，可以得出全面的檢測(cè)數(shù)據(jù)，為工務(wù)段日常維護(hù)線路提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

［1］ 倪明田，吳良芝，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1999.

［2］ 劉獨(dú)玉，羅彬，基于 VB的圖像處理方法［J］.四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào).2000，13（4）：21－29.

［3］ 田巖.數(shù)字圖像處理與分析［M］.武漢 華中科技大學(xué)出版社，2009.