嵌入式图像监控系统（精选8篇）
嵌入式图像监控系统 篇1
嵌入式系统是一种先进的图像处理系统, 因具有低功耗、集成度高、成本低等优点而被广泛应用在多个领域。随着近几年嵌入式系统技术的发展, 其已经在网络通信设备、工业控制、医疗仪器等领域进行大范围的传播, 并有效提升了上述设备的运行能力。目前, 我国很多地区已开始了新型嵌入式系统的研发, 并取得了一定成绩。本文以AT91RM9200 32位RAM920T嵌入式处理器作为核心板, 建立嵌入式图像处理系统, 现分析如下。
1 嵌入式图像处理系统硬件开发设计
1.1 电源设计
核心板电源包括+1.8V与+3.3V, 其中+1.8V负责处理器内核供电。上述两个电源由底板两个LT1084稳压芯片对+5输入变化得到, 并通过插座实现与核心板的连接。在核心板上, 存在两个指示灯, 表示两个电源是否正常运行。
1.2 晶体振荡电路设计
核心板采用外接无源晶振、内部锁相环电路生成系统时钟的方法。
首先, 外接无源晶振频率为18.432MHz, 可通过特定的软件设置系统时钟频率, 最高时频率可达到180MHz。系统连接电源后, 工作频率一般不会达到180MHz, 且在AT91RM9200处理器中, 存在以实时时钟模块, 因此还应外接一个频率为32.768KHZ无源晶振。若该系统的服务对象不需要实时信息, 可选择其他频率, 并设置符合服务要求的定时器, 但其频率最高不能超过33K。
1.3 复位电路设计
在本系统中, 复位电路的主要功能是为系统的上电复位、电源电压监控、系统运行时的用户按键复位等功能提供服务。复位电路由RC电路构成, 本文在充分考虑成本的前提下, 采用IMP811。
IMP811是通过微控制器、数字系统、低功耗微处理器监视电源工作, 具备去抖动的手动复位输入功能。工作为温度范围为-40℃~105℃。当电源电压降至预制的复位门限以下时, 复位电路就会发送复位信号, 并在电源升高到此复位门限之后, 最少持续保持这一信号140ms。本次研究中复位电路的基本构造如图1所示。
1.4 FLASH存储器接口设计
FLASH存储器是可在系统进行电擦写, 掉电之后信息依然保存的信息存储器, 与传统的信息存储器相比, FLASH存储器的功耗低、容量大、擦写速度快等优点, 并支持在分扇区 (或整片) 进行系统编程, 并依靠内部嵌入算法对芯片进行操作。目前, 常见的FLASH储存器主要为8或16位的数据宽度, 编程电压为3.3V。本文所研究的嵌入式图像处理系统中的FLASH储存器主要为两种类型, 一种为ATMEL串行DATA FLASH, 存储容量8M字节;另一种为ATMEL16位并行F;ASH, 存储容量2M字节。
2 M单片储存器工作电压为2.65V~3.6V, 标准电压为 (3.0±0.2) V, 采用48脚TSOP封装, 数据宽度为16位, 支持8位字节模式、16位字模式的工作方式。一般情况下, 3V电压可满足系统编程与擦除, 操作人员可通过内部命令寄存器输入标准的命令序列, 并进行FLASH编程、整片擦拭等操作。本文所构建的FLASH存储系统, 主要用于存储程序代码, 系统在获取指令后开始执行。因此, 在系统设计中要注意将存有程序代码的FLASH模块快速配置到ROM模块中。
2 嵌入式图像处理系统软件设计
2.1 图像编码模块设计
2.1.1 离散余弦变换
在JPEG图像压缩算法中, 离散余弦转换是一种标准的有损压缩算法。DCT变化通过傅立叶变换性质, 采用图像边界褶翻, 以函数形式表达图像, 再对图像进行二维傅立叶变换。
在实际操作中可发现, 由于图像各部位细节的丰富程度存在一定差异, 因此在图像的整体处理上, 需要将图像划分为若干个模块, 以获得更好的图像处理效果。本文将图像编码模块划分为8*8、16*16两种模式, 再对图像进行二维DCT转换。操作者通过量化的DCT系数, 对特定范围内的余弦进行解码, 并对每个图像模块进行反转换。操作结束之后, 将所有数据连接在一起并构建成单一图像。对于一般图像, DCT系数无限接近0, 因此去掉这些系数之后不会对重建图像的质量产生明显影响。
2.1.2 DCT图像压缩编码的实现
DCT图像压缩编码的实现步骤为: (1) 从硬件设备采集图像, 并将数据输入到主控制芯片, 分块处理图像数据; (2) 将图像转换为8*8 (或16*16) 像素模块, 对每一像素模块进行DCT转换; (3) 获取每个像素模块的DC数据, 并对其变化系数进行量化处理; (4) 使用游程编码获取压缩后的数据。其基本操作流程见图2。
2.2 畸变校正模块的设计
目前, 嵌入式图像处理系统所应用领域的图像采集设备主要为网络摄像头, 即使采用了理想的摄像头, 所采集到的成像结果仍为直线, 再加之镜头成像存在一定的畸变, 最终导致成像结果发生变化, 畸变校正模块的主要作用就是校正畸变的图像。
2.2.1 基于最小二乘法的畸变校正算法
畸变校正算法主要分为两个步骤, 首先是标定摄像头景象畸变模型, 计算畸变系数;再重新确定畸变校正之后的各标点灰度值。
一般情况下, 标靶原始图像的具体参数为:线条间距为1cm, 镜头与标靶之间的距离为45cm, 镜头分辨率320*240像素。从标准情况下的原始图像中发现, 系统所获取的畸变系数的图像特征不明显。因此, 为获取有用的图像信息, 需要预处理原始图像 (见图3) , 包括图像灰度值控制、中值滤波消除噪声干扰等。
结合径向畸变数学模型, 可发现实际像素坐标与校正后的像素坐标之间存在非线性关系。选择N个样点, 其计算方程组为:
再通过最小二乘法, 即可得到径向畸变系数K1、K2的具体数值。
2.2.2 图像校正算法的实现
根据上述方程组, 计算出需要求解的方程组坐标, 再结合摄像机出厂时所确定的镜头参数, 对每一个图像采集设备进行统一标定, 计算出畸变参数与对应的校正参数, 并将校正参数以表格的形式罗列, 方便在后期制作中快速校正图像。
3 结语
本文分析了嵌入式图像处理系统的设计方法, 从嵌入式系统的硬件开发、软件开发两方面对其设计内容进行讨论。总体而言, 随着图像处理技术的不断成熟, 再加之图像数据自身的信息特点, 使得图像的处理算法对硬件、软件的要求不断提高。因此, 在未来的嵌入式图像处理系统的研发过程中, 必须要考虑多级任务处理的功能, 并在动态图像、视频图像的处理中进行研究, 以进一步提升嵌入式系统的工作能力。
参考文献
[1]郑鑫.面向异步视频的嵌入式图像处理系统设计[J].现代电子技术, 2012, 35 (22) :14-17.
[2]张婷曼, 王庆.基于云计算平台嵌入式传感器图像处理系统设计[J].计算机测量与控制:算法、设计与应用, 2014, 22 (7) :2216-2218.
[3]程琼, 广长林.基于ARM图像的采集与3G无线传输研究与设计[J].湖北工业大学学报, 2013, 28 (1) :43-45.
[4]孙德忠.基于嵌入式系统的图像处理装置的设计尖现[D].石家庄:河北科技大学, 2011 (12) :14-28.
[5]孙秉现, 吴开军.Huffinan算法的改进及其在图像缩中的应用[J].微计算机信息, 2011, 27 (1) :264-273.
嵌入式图像监控系统 篇2
1.1 32位嵌入式系统概述
嵌入式系统是后PC时代的主导，当低端的嵌入式系统无法满足信息化、智能化、网络化时代的更高要求时，32位嵌入式系统应运而生。32位嵌入式系统是电脑硬件与软件的有机结合。嵌入式设计的目的在于满足某种特殊的功能。嵌入式系统的大体构架可分为五部分：处理器、内存、输入与输出、操作系统与应用软件。32位嵌入式系统可分为硬件和软件两个平台。硬件平台的设计包括处理器电路、网络功能、无线通信及使用接口等的设计。嵌入式软件为信息、通信网络或消费性电子产品等系统中的必备软件，为硬件产品的驱动程序、控制处理和基本接口功能服务，以提高硬件产品的价值。嵌入式软件为该硬件产品不可缺少的重要组成部分。
1.2 32位嵌入式系统的应用现状
嵌入式系统把微处理器（CPU）或者微控制器（MCU）的系统电路与其专用的软件平台相结合，以此来达到系统操作的最高效率。目前的移动电话、手表、电子游戏机、PDA、电视、冰箱等民用电子与通信设备，电动汽车、电动机车等电动产品的控制核心，无不与32位嵌入式系统息息相关。32位嵌入式系统早已融入了人们的日常生活，嵌入式系统的产品主要集中在信息家电、通信产品、工业控制器、掌上电脑（PDA）领域。家电、玩具、汽车、新一代手机、数码相机等设备也都采用了32位嵌入式系统的核心技术。随着后PC时代的到来，有理由相位32位嵌入式系统会呈现出蓬勃发展的趋势。
2 实时图像采集的重要性和存在的问题
实时图像的采集和处理在现代多媒体技术中占有极其重要的.地位。日常生活中所见到的数码相机、可视电话、多媒体IP电话和电话会议等产品，实时图像采集是最核心的技术。图像采集的速度、质量直接影响到产品的整体效果。众所周知，视频图像数字化后数据量非常庞大，对如此大量高速的数据进行实时处理是计算机应用领域中技术难度最大的部分。例如，一幅大小为352×288、彩色深度为16的图像，其数据量为0.5MB。而依据人的视觉特性，25幅图像连续播放才能使人感到一幅动态的画面，这意味着必须要有5MB的原始数据量才能保证画面的连续。可见如何实现视频图像的高保真数字化并且采取科学合理的方法实现数据的高速传输是该领域必须解决首要问题。
目前大多数视频图像采集采用摄像头传感器，再通过视霸卡或实时图像采集（压缩）卡对视频图像进行采集（或压缩）后送入计算机进行处理。由于摄像机的输出已转换成模拟NTSC或PAL制式并以Svideo或混合视
嵌入式图像监控系统 篇3
近年来,以煤矿工业电视系统和综合业务数字网为代表的煤矿安全监测系统在煤矿得到了广泛的应用,利用该系统工作人员可以在地面实时掌握井下设备的运行情况,大大提高了安全监控水平。但由于煤矿井下环境具有照度低、粉尘多、电磁环境复杂等特点,监控设备获取的图像在传输过程中会受到噪声等污染,严重降低了图像质量[1,2]。为提高监控图像的清晰度,大多采用对图像进行去噪的处理方法。传统的监控图像去噪方法有均值滤波、中值滤波、同态滤波等,这些方法在实际应用中都取得了一定的效果,但也存在不足之处:对多种噪声共同干扰的图像去噪效果不理想;去噪的同时使图像的细节和边缘信息出现模糊的负面效应,导致图像清晰度降低,质量下降。而小波变换去噪方法可以聚焦到信号的任意细节并进行多分辨率的时频域分析,解决了传统滤波器单一尺度去噪所带来的问题,使得噪声得到抑制,且原始特征、尖峰点得到很好的保留。为此,本文采用小波阈值图像去噪算法,设计了基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置。
1 小波阈值图像去噪算法
监控图像信号与噪声经过不同尺度的分解后反映出不同的激励和特点,小波去噪的原理主要基于这一基础[2]。本文使用的小波阈值图像去噪算法基本步骤如下:
第1步:选择适当的小波基和分解尺度对原始图像进行小波分解。
设fk为信号f(t)的离散采样数据,fk=c0,k,则信号f(t)的正交小波变换分解公式为
式中:cj,k为尺度系数,j为分解层数,k=0,1,…,N-1,N为离散采样点数;dj,k为小波系数;n=2j;h,g为一对正交镜像滤波器组。
第2步:小波系数阈值量化。通过调用函数来判断是哪种阈值(硬阈值还是软阈值),接着采用硬阈值方法或软阈值方法对小波系数进行处理,从而得到适用于本图像的对应小波系数。
(1)硬阈值是令所有小波系数绝对值小于阈值的信号点的值为零,大于阈值的点保持不变。
(2)软阈值是令所有小波系数绝对值小于阈值的信号点的值为零,大于阈值的点变为该点值与阈值的差。
式中:为估计小波系数;t为预设阈值或门限值;sgn(*)为符号函数,即
第3步:使用经过阈值处理后的小波系数进行小波重构,就是将小波系数进行逆变换得到重构图像,相应的小波重构公式为
2 装置硬件设计
基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置总体结构如图1所示。
(1)DSP:处理器采用DSP芯片TMS320DM642。TMS320DM642的主要特点:3个可配置监控图像口(VP0,VP1,VP2)最多可以支持3路监控图像数据采集,具有网口、PCI接口、HPI接口、I2C接口、串行接口等多种接口。
(2)FLASH存储器:采用容量为4 MB的AM29LV033C-90EFLASH芯片存储DSP/BIOS嵌入式操作系统、硬件驱动程序,以及与图像清晰化相关的应用程序。
(3)SDRAM存储器:是操作系统与正在运行的应用程序的数据存储介质。SDRAM存储器采用MT48LC4M32B2-7芯片,其架构为1 024×32×4,每个bank的行地址数目为12,列地址数目为8。由于TMS320DM642的数据线为64线位宽,所以,在硬件设计时选用2个SDRAM存储器。
(4)通信接口:扩展CAN通信模块,用于图像清晰化装置与主机的数据通信,并配置RS232、RS485或RS422接口与PC机连接,用于调试。
(5)视频解码器、视频编码器:视频解码器采用TVP5150APBS,将视频信号采集装置采集的模拟视频信号转换为数字信号,并通过同步串行总线输入到TMS320DM642中;视频编码器采用SAA7121H,把图像清晰化装置输出的监控图像数据转换为PAL/NTSC制式的模拟视频信号。
3 装置软件设计
基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置软件设计采用CCS(Code Composer Studio)作为集成开发环境。CCS是针对TMS320系列DSP产品设计的集成化开发环境[3]。
本装置使用DSP/BIOS嵌入式操作系统,它为用户程序提供高效的资源管理功能。在操作系统的基础上,装置的应用程序采用了Reference Framework 5(RF5)的软件框架。RF5建立在DSP/BIOS和TMS320 DSP Algorithm Standard(XDAIS)之上,可提高程序的可靠性和可扩展性。装置的程序流程如图2所示。
本装置采用模块化的理念来完成软件设计[4]。整个装置的软件由初始化、监控图像采集、监控图像处理以及监控图像显示4个模块组成。
监控图像采集模块用于捕获外部视频模拟信号,并通过视频编码器将视频模拟信号转换成数字信号传送给TMS320DM642的VP0进行处理。
监控图像处理模块是运用小波阈值去噪算法将监控图像采集模块发送来的视频信号进行去噪处理。
监控图像显示模块用于显示经TMS320DM642处理后的视频图像。通过TMS320DM642的VP1口将视频信号送给视频解码器,视频解码器将数字信号转换成模拟信号再由终端显示器显示出来。
监控图像采集、监控图像处理和监控图像显示为RF5框架中的任务,3个模块之间的通信如图3所示。
4 结语
针对煤矿井下图像的特点,基于小波阈值图像去噪方法,设计了一种基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置。该装置去噪效果较好,在有效抑制噪声的同时保留了原始图像的细节特征、尖峰点,大大增强了监控图像的清晰度。
摘要：针对煤矿井下环境照度低、粉尘多、电磁环境复杂,监控设备获取的图像在传输过程中会受到噪声污染,严重降低了监控图像质量等问题,设计了一种基于嵌入式系统的井下监控图像清晰化装置。该装置利用小波阈值算法,基于DSP嵌入式系统,在有效抑制噪声的同时保留了原始图像的细节特征、尖峰点,大大增强了监控图像的清晰度。
关键词：煤矿监控图像,图像去噪,清晰化装置,小波阈值算法,DSP嵌入式系统
参考文献
[1]彭波,王一鸣.低照度图像去噪算法的研究与实现[J].计算机应用,2007,27(6):1455-1457.
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[3]彭启琼,管庆.DSP集成开发环境CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.
基于嵌入式系统的图像采集与压缩 篇4
1 构建开发平台
硬件平台采用Samsung公司的处理器S3C2410[1].通过在USB接口上外接一个摄像头,将采集到的视频图像数据放入输入缓冲区中,通过应用程序对图像数据进行处理;软件系统采用Linux操作系统,它是源码开放的嵌入式操作系统,可移植性强,支持多任务,具有完备的TCP/IP协议栈并支持多种文件系统.
根据系统应用需求定制Linux嵌入式操作系统,使其支持USB总线和COMS图像传感器,确保该OV511接口芯片在Linux下正常驱动,并得到主机系统USB控制器以及Linux内核中Video4Linux的支持;在宿主机上安装适合于目标处理器的交叉编译器、调试器.
2 图像采集
图像采集分2步实现:一是COMS图像传感器在内核中的底层驱动;二是编写上层应用程序以获取视频流数据.
2.1 图像传感器驱动
(1)在arm linux的kernel目录下make menuconfig;
(2)选择Multimedia device-〉下的Video for linux.加载video4linux模块,为视频采集设备提供编程接口;
(3)在usb support-〉目录下选择support for usb和usb camera ov511 support.这使得在内核中加入了对采用OV511接口芯片的COMS图像传感器的驱动支持.
(4)保存配置退出.
(5)make dep;make zImage就生成了带有ov511驱动的内核.
经编译后的Linux支持有USB接口的OV511图像传感器,系统启动后能够自动识别USB设备(在设备目录下为/dev/video0).可直接利用系统调用获取设备信息和数据,以方便应用程序的开发;COMS图像传感器驱动程序中提供基本的I/O操作接口函数open、read、write、close,以实现中断处理、内存映射以及对I/O通道的接口函数ioctl进行控制等功能.
2.2 Video4Linux编程
Video4Linux是Linux中针对视频设备应用程序编程所提供的一系列接口函数,通过使用video4linux的API函数从视频设备中把图像数据读取出来.具体过程如下:
(1)打开视频
int v4lopen(char *dev, v4ldevice *vd)
{
if (!dev)
dev = ”/dev/video0”;
if ((vd -〉fd = open(dev, ORDWR)) <0)
{ perror("v4lopen:");
return -1;
}
if (v4lgetcapability(vd))
return -1;
if (v4lgetpicture(vd))
return -1;
return 0;
}
(2)读videocapability中信息
int v4lgetcapability(v4ldevice *vd)
{
if (ioctl(vd -〉fd, VIDIOCGCAP, &(vd-〉capability)) <0)
{ perror("v4lgetcapability:");
return -1;
}
return 0;
}
该函数成功返回后将这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间的vd-〉capability各成员分量中,使用printf函数就可得到各成员分量信息.例如printf(“maxheight=%d”,vd-〉capability.maxheight)获得最大垂直分辨率的大小.
(3)读videopicture中信息
int v4lgetpicture(v4ldevice *vd)
{
if (ioctl(vd-〉fd,VIDIOCGPICT,&(vd-〉picture))<0) {
perror("v4lgetpicture:");
return -1;
}
return 0;
}
在用户空间可以改变videopicture中分量的值,先给分量赋新值,再调用VIDIOCSPICTioctl函数,例如
vd-〉picture.palette = pal; //调色板
vd-〉picture.depth = dep; //像素深度
if (ioctl(vd-〉fd,VIDIOCSPICT,&(vd-〉picture))<0)
{
perror("v4lsetpalette");
return (NULL);
}
2.3 图像数据采集
视频图像截取方法有2种[2]:(1)read( )直接读取,(2)mmap( )内存映射.设计中采用了mmap( )内存映射方式获取图像,mmap( )系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存.普通文件被映射到进程地址空间后,进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问,不必再调用read( ),write( )等操作.
使用函数ioctl(vd-〉fd,VIDIOCGMBUF,&(vd-〉mbuf))获得图像传感器存储缓冲区的帧信息,用vd-〉map=mmap(0,mbuf.size, PROTREAD|PROTWRITE,MAPSHARED,vd-〉fd,0)把图像传感器对应的设备文件映射到内存区,该映射内容区可读可写且不同进程间可共享.该函数成功时返回图像数据的指针,失败时返回值为-1.
实现单帧采集:设置vd-〉mbuf.frame=0,即采集其中的第一帧,使用ioctl(vd-〉fd,VIDIOCMCAPTURE,&vd-〉mbuf)函数,若调用成功则以非阻塞方式激活设备真正开始一帧图像的截取.通过ioctl(vd-〉fd,VIDIOCSYNC,&frame)函数判断该帧图像是否截取完毕,如成功返回表示截取完毕,之后可把图像数据保存成文件的形式.
3 图像压缩
采集到的原始图像数据量大,不利于在网络上传输,这就要求图像采集平台对原始数据进行压缩处理,这里采用JPEG压缩方式.JPEG静止图像压缩标准是一种广泛认可的标准,一般操作系统和应用都支持.JPEG标准是在变换编码的基础上,综合应用了DCT和哈夫曼编码两种手段达到了很好的图像压缩效果.
3.1 压缩算法
在JPEG算法中通常是先将图像分成一个个8×8的图像子块,对每一个图像子块进行离散余弦变换,所使用的二维离散余弦变换公式如下[3]
undefined
其逆变换如下
undefined
式中,当u=ν=0时,undefined;当u,ν为其他值时,k(u)=k(ν)=1.f(x,y)经DCT变换后,F(0,0)是直流系数,其他为交流系数.
在离散余弦变换中,设法使变换后的图像子块的能量下降速度加快,则可以减少块效应并能使细节部分清晰.正是基于这一点,通过收敛性良好的Chebychev多项式来拟合离散余弦变换,使得变换后的图像子块的能量下降速度加快,从而提高图像数据的压缩比,同时还能够改善图像的块效应[4].
3.2 安装jpeg库
ARMlinux中没有jpeg函数库,经下载jpegsrc.v6b.tar. gz[5]后,在/usr/local/arm/3.2/解压安装:
# tar -zxvf jpegsrc.v6b.tar.gz
# cd jpeg-6b
# export CC=arm-linux-gcc
# ./configure --prefix=/usr/local/arm/3.2/arm-linux/ --enable-shared --enable-static
# make
安装前需要在arm-linux下建个目录
# mkdir -p /usr/local/arm/3.2/arm-linux/man/man1
# make install
这样,ARMLinux就支持jpeg函数库,此处注意用编译器编译连接时带有-ljpeg选项才能生效.
4 实验结果
图1是同一背景2张大小均为320×240的照片.其中图1a是未压缩图像,数据量为255 K.图1b是在JPEG压缩质量为80时存储的图片,其数据量为9.52 K字节.结果表明图像的数据量大大减少,压缩效果良好.
5 结束语
基于嵌入式Linux系统介绍了图像的采集与压缩.对于32位的嵌入式系统,在应用于图像采集,特别是远程的图像采集时,因处理器足以完成复杂的运算,可以使用JPEG压缩算法,以获取更高的图像压缩比,从而提高图像数据在网络上的传输速度.
参考文献
[1] Samsung Electronics Co.Ltd.S3C2410A user’s manual.revision1.0[EB/OL].http://www.samsung.com.Yongin-City,Gyeonggi-Do,Korea[2004-03].
[2] 李侃,廖启征.基于S3C2410平台与嵌入式Linux的图像采集应用[J].微计算机信息,2006, 22(2-3):125-127.
[3] 杨济安.图像通信与图像处理[M].重庆:重庆大学出版社,2003:73.
[4] 苏日建,宋胜利.嵌入式图像采集系统的JPEG算法改进[J].重庆工学院学报,2006,20(11):75-76.
[5] ftp://ftp.uu.net/graphics/jpeg/jpegsrc.v6b.tar.gz
摘要：首先简要介绍了嵌入式监控系统开发平台,接着阐述了在该平台上如何实现图像的采集与压缩,重点讲述了Video4 Linux编程实现和JPEG压缩算法,最后讲解了如何在Linux系统下实现JPEG压缩,实验结果令人满意.
关键词：嵌入式Linux,图像采集,V4L,JPEG压缩
参考文献
[1]Samsung Electronics Co.Ltd.S3C2410A user’s manual.revision1.0[EB/OL].http://www.samsung.com.Yon-gin-City,Gyeonggi-Do,Korea[2004-03].
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[4]苏日建,宋胜利.嵌入式图像采集系统的JPEG算法改进[J].重庆工学院学报,2006,20(11):75-76.
嵌入式图像监控系统 篇5
随着我国科技进步和社会的发展, 数字视频图像的采集、存储、处理及传输技术在最近几年得到了广泛的应用和发展, 各类图像采集及处理系统已经逐渐深入到人们生活的各个方面。与视频采集卡等传统图像采集系统相比, 嵌入式图像采集系统具有体积小、成本低、可靠性高等优点, 在智能交通、远距离监控、计算机视觉等领域应用广泛。本文介绍了一种应用ARM 微处理芯片和WinCE操作系统的图像采集解决方案。
1 系统总体设计
该设计主要由3大部分组成, USB摄像头通过USB接口与AMR开发板 (下位机) 相连, PC机 (上位机) 通过网络接口 (网卡) 和以太网线与ARM开发板相连。摄像头负责对图像数据的采集, 然后将数据传送到运行在WinCE上的服务端程序, 服务端程序负责将采集到的图像数据进行处理, 然后再将其传送到运行在PC机上客户端程序并显示出来。系统总体框图如图1所示。
2 系统硬件组成
利用ARM9 S3C2440A开发板以及一只中星微芯片ZC030x系列的USB摄像头作为硬件环境, 在开发板上烧写一个WinCE 5.0的操作系统, 并编写一个服务端程序。这个服务端程序运行在WinCE 5.0上, 主要完成调用摄像头进行图像采集功能, 然后将采集到的图像数据通过以太网传送到PC机上。这就实现了一个基于嵌入式平台的图像采集与传输系统的简单架构。日后可根据实际需要, 在这个架构的基础上进行改进以及增加需要的功能。
目前用于摄像头的DSP主要有中国中星微公司的DSP芯片 (ZC030X) 和美国OV公司的OV511+芯片。在国内市场上, USB摄像头基本上采用中星微公司的DSP芯片, 而 OVS11+芯片的摄像头则比较难找到。考虑到中星微的市场普及率, 本系统采用了ZC030x的DSP芯片。
3 系统软件的开发
3.1 WinCE 驱动架构
在WinCE下的驱动开发, 需要面向上下2个界面, 即:WinCE的驱动结构和具体硬件的Datasheet, 所以必须首先深入了解一下WinCE整个系统驱动架构。在WinCE下驱动模型分为本机驱动模型和流接口驱动模型。本机驱动程序用于低级、内置设备, 提供一组微软定制的接口, 可以通过移植和定制微软提供的驱动样例来实现。
3.2 图像采集模块
图像数据是通过摄像头来采集的, 服务端如何调用摄像头已成为问题的关键。硬件与软件之间的联系, 必须通过驱动程序来实现。摄像头的驱动已经封装成动态链接库DLL文件了, 而且还提供了所有的功能接口函数。因此, 只要直接调用其接口函数就能够实现相应的功能。具体的步骤是打开摄像头设备, 初始化摄像头设备, 初始化视频信息, 获取视频帧与JPEG图像, 关闭视频设备。其中, 获取视频帧与JPEG图像最关键, 获取视频帧与JPEG图像的主要代码如下:
3.3 建立与PC操作系统与WinCE系统文件同步
要建立ARM板上的WinCE与PC机上的操作系统同步, 必须安装微软提供的同步软件ActiveSync。安装该软件的主要作用是通过USB接口把PC机上编译的应用程序或者驱动文件下载到WinCE上, 其界面如图2所示。
4 系统测试
联机总体调试, 也就是将应用程序下载到实际ARM开发板中进行测试。通过上文所述步骤, 基本上已将测试环境部署好了, 接下来还有一些部署工作需要完成。具体步骤如下:
(1) 用交叉网线将ARM板的网络接口与PC机的网络接口连接起来。
(2) 利用同步软件ActiveSync将驱动文件ZC030x.dll和应用服务端程序下载到WinCE系统。将ZC030x.dll放到Windows文件夹下。
(3) 插入USB摄像头, 此时操作系统会提示输入检测到的设备驱动名称, 然后输入“ZC030x”。
(4) 在WinCE上运行服务端程序, 运行界面如图3所示。
(5) 在PC机上运行客户端程序, 成功接收到JPEG图像, 运行界面如图4所示。
5 结 语
设计了采用USB摄像头与S3C2440处理器组成的嵌入式图像采集系统, 经在PC机上运行客户端程序, 成功地接收到了JPEG图像。试验表明, 该系统具有体积小, 稳定性高和快速开发的优点。
摘要：介绍了一种基于嵌入式图像采集与传输的方案, 完成了基本的硬件设计和软件开发。硬件方面采用了USB摄像头与S3C2440处理器组成嵌入式图像采集装置, 并通过以太网连接宿主机;软件方面分为系统软件的移植和应用软件的开发。系统软件包含ARM平台的BOOTLOADER和嵌入式WinCE系统的定制和移植, 以及摄像球驱动的开发;应用软件包括图像采集模块设计和图像传输模块设计。经测试, 该系统具有体积小, 稳定性高和快速开发的优点。
关键词：图像采集,嵌入式系统,图像传输,WinCE
参考文献
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嵌入式图像监控系统 篇6
1.1数字信号处理芯片DM642
TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中最新的定点DSP, 其核心是C6416型高性能数字信号处理器, 具有极强的处理性能, 高度的灵活性和可编程性, 其采用第二代高性能、先进的超长指令字veloci T1.2结构的DSP核及增强的并行机制, 当工作在720M赫兹的时钟频率下, 其处理性能最高可达5760MI/s, 同时外围集成了非常完整的音频、视频和网络通信等设备及接口, 特别适用于机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播以及基于数字视频/图像处理的消费类电子产品等高速DSP应用领域。
1.2硬件总体设计
数据采集处理系统接口电路硬件框图如图1所示, 整个系统在框架结构上可以大体分为3个相对独立的部分:图像采集部分、图像压缩处理部分、USB传输部分。
图像采集部分采用130万象素的CMOS摄象头0V9640作为图像传感器来输出YUV图像数字信号以及视频同步信号。这部分主要的设计任务是在分析该摄像芯片时序特征的基础上设计硬件电路, 保证主芯片获得的图象数字与视频同步信号的匹配。同时, 还需要通过设置该摄像芯片中相关的寄存器, 使得该摄像芯片工作在系统要求的图像采集工作状态;该设置任务由主芯片通过I2C方式来实现。 图像压缩处理部分是整个系统的核心部分, 采用TI的TMS320DM642芯片作为主芯片工作。DSP要做的工作主要有两个部分:其主要工作是将OV9640输出的图像数据进行快速压缩, 然后根据图像传感器芯片提供的视频同步信号对在图像压缩数据中插入帧标记。其次, DSP芯片还要处理一些系统的数据传输控制方面工作, 在获得图像数据过程中使用EDMA将采集到的数据直接存入SDRAM, 并采用乒乓模式设置存储地址, 使CPU能够在接收图像数据同时进行图像压缩;同时, DSP还通过EMIF接口 (CE2) 将数据送出给USB芯片的FIFO并通过I2C总线接收PC传输下来的压缩参数, 对图像压缩算法进行调整。另外, 系统框图的中FLASH芯片用于装载DSP的运行程序, 在系统上电后实现BootLoader。
USB传输部分采用Cpyress公司的EZ-USB-FX2为USB传输控制芯片。该部分主要任务是作为DSP与PC的通信纽带, 将DSP压缩后的图像数据传入PC机;同时USB控制芯片还接收PC下传的控制命令, 然后通过I2C总线控制图像传感器采集的图像质量以及控制DSP芯片的图像压缩的压缩比例等。
1.3系统工作流程图
本图像采集与处理系统工作流程如图2所示, 由以下几个步骤组成:①系统独立电源上电, 对DSP部分电路 (包括FLASH、SDRAM) 上电复。DSP芯片根据相关引脚电平进行BootLoader, 即从FLASH存储芯片中获取DSP的运行程序, 之后根据获取到的程序运行对SDRAM存储芯片、针对与USB通信接口的EMIF (CE2) 进行初始化设置等;②USB接口芯片与图像传感器部分电路通过USB总线从PC机取电复位。对于采用USB接口设计的硬件系统, 操作系统会把它当成计算机外设进行添加。USB设备在连接到PC上时, 操作系统首先会对USB设备进行枚举。枚举成功, 根据EZ-USB芯片的软特性, 可以通过USB接口从主机下载8051程序与数据存储在内部RAM中。在代码描述表从主机下载到EZ-USB的RAM后, 8051脱离复位状态, 开始执行设备程序。此时, EZ-USB再次进行枚举, 即重枚举;③重枚举结束后, EZ-USB根据下载所得程序运行对自身初始化, 设置芯片状态, 端点类型以及FIFO接口参数;同时, EZ-USB芯片还通过I2C总线初始化图像传感器芯片0V9640。至此, 系统初始化过程结束, 系统处于等待状态;④等待PC机应用程序发出系统指令并通过USB总线下发后, 系统UZ-USB部分开始运行。首先判断是否调整OV9640图像参数, 如果是则进行相应调整工作。然后转入等待下一系统指令;⑤判断是否要求DSP接收PC下传指令。当明确要求上传图像指令后, DSP开始循环接收图像传感器图像数据并进行压缩处理, 然后通过USB接口传输给PC主机。每次循环都要判断系统是否停止图像需求。系统调整参数的时候都需要先暂停图像需求;⑥DSP也可能接收到PC要求调整图像压缩参数命令, 则根据相应的命令进行处理。然后转入等待下一系统指令。
2图像采集与处理系统驱动程序设计
USB2.0接口图像采集与处理系统的微型驱动程序的流程部分框图如图3所示, 框图中没有包含USB驱动程序所都包含的即插即用例程DispatchPnp、系统报告历程DispatchWmi、电源管理历程DispatchPower等 (整个驱动可以根据CPRESS提供的驱动例程改编, 故只介绍改动比较大的) 。当PNP检测器检测到插入USB设备的动作后, 就装载根据驱动引导文件 (INF文件) 找到的相应微型驱动程序, 执行DriverEntry ( ) 入口函数, 注册设备运行需要的驱动程序对象。接着PnP管理器为每个设备实例调用AddDevice函数, 在该函数中创建设备对象并做一些相应的初始化设备工作, 如创建设备扩展对象dx来存取指向FDO的指针;当驱动程序接收到应用程序DeviceIoControl函数发出的相应IOCTL命令, 创建相应IRP并对其进行检测。如果要求图像数据则进入获取设备图像数据过程, 创建一个URB作为IRP的一个参数发给USB总线驱动程序接口USBDI (USB Driver Interface) 。获取数据结束则将数据放入指定缓冲区, 启动下一次数据传输。当缓冲区标记表示一帧图像数据传输完毕, 则把数据整理成完整的一帧图像数据。并在ReadData函数中对压缩数据进行解码, 将图像数据处理成BMP的格式, 交给应用程序显示处理。
3结束语
本文从工程应用的角度出发, 阐述了基于嵌入式系统的高分辨率动态图像采集处理系统的实际开发过程。本系统有两个主要特点:①图像数据处理迅速, DM642芯片强大的数据处理能力保证的图像数据压缩的高效性;②传输速率高, USB2.0的高速传输方式保证了动态数据实时传输的要求。且该系统经过实际测试效果良好, 实现了预期设计要求。
参考文献
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嵌入式图像监控系统 篇7
1 系统结构
1.1 硬件设备
根据数字图像测量系统的实际要求, 对包括核心处理器、图像采集设备、数据输出设备为主的硬件设备进行甄选, 参考系统的具体设计标准选择S3C2440ARM微处理器为主要处理器结构, 图像采集设备主要应用USB摄像头, 数据输出设备应用LED显示屏, 核心设备经过双向数据链连接后基本构成了数字图像测量系统的硬件结构。
1.2 软件体系
在数字图像测量系统的硬件结构基础上, 进行软件结构的设计, 软件系统的整体与传统的设计结构基本相同, 主要区别和突出的特点就是搭载了嵌入式结构, 这种结构的出现让数字图像测量系统的软件系统结构有进一步的提升。嵌入式软件结构的出现让软件系统具备了基本的嵌入式操作能力, 不仅能够提供通用操作系统的主要功能, 而且能够形成与PC机相同的文件和目录管理能力、多任务线程管理、网络应用等多种使用功能, 这种功能结构不仅为系统的操作人员提供了更加强大的技术支持, 而且为上层开发人员提供了覆盖更加全面的数据接口, 系统开发人员能够直接在系统上层进行应用程序的开发。
2 视频驱动
视频驱动是数字图像测量系统功能实现的关键部分, 在嵌入式Linux系统结构下的驱动设备运行与传统系统结构内的设备驱动存在较大区别, 在嵌入式linux系统中驱动设备的驱动内容直接编译到系统的内核之中, 系统启动以后会按照相应的编译内容对设备进行驱动, 这种设备驱动形式能够让开发人员直接越过设备的复杂硬件实现环节, 而直接在系统内部形成对设备驱动内容和形式的设置。在嵌入式linux系统结构下的驱动设备运行控制极大简化, 驱动设备基本上可以按照普通文件的操作形式进行打开、关闭、读写数据等控制操作。
3 Qt图像处理平台
3.1 Qt平台的关键技术
Qt系统是C++面向对象OOP跨平台系统, 与传统的技术相比其突出的特点是运行的基本机制是信号/槽机制, 这是一种直线对应的软件形式, 当其内部的对象发生改变后, 改变所对应的信号就会被激发, 而这种信号在下层结构会引起相应的类及子类的改变, 进而实现对象内部信息变化与下层结构之间的对应交互机制。在数字图像测量系统的具体应用中, 因为其可调用的函数比较少, 基本上每一个信号发生以后, 都有一个专门的函数被调用执行。
3.2 Qt图像处理平台
在数字图像测量系统中USB摄像头是主要的图像信息采集设备, 经过采集后的图像信息在保存后, 可以利用Qt数字图像处理平台进行算法处理, 当前嵌入式Linux系统结构下主要存在File、Edit、Geometry等算法结构, 其中File和Edit是基本算法, 主要处理的是摄像头的图像信息读取, Geometry选项是采集图像的主要几何算法, Charater是采集图像信息的特征算法, 包括目标图像的转化灰度、颜色变换、亮度变换等, Pixel选项是采集图像信息的强化算法, 是在图像信息技术上对图像信息进行调整强化的重要选项, 能够实现图像的边缘提取、锐化、浮雕等等高级处理需求。
4 Qt数字图像处理算法设计
4.1 数字图像快速傅里叶变换
数字图像快速傅里叶变换是在数字图像傅里叶变换的基础上形成的强化变换形式, 相较于旧版本, 新版本极大的强化了运行效率, 缩短了傅里叶变换的时间, 其在处理效率上的突破主要是依靠库利-图基算法实现的, 以基本的时间抽选法实现了傅里叶的快速离散。在具体的处理过程中软件的处理流程主要有八个步骤, 首先将信息输入设备获得的信息送入到处理算法流程当中, 以N=2m, 极数为M的形式对其进行初步加工, 之后的程序主要采取倒序排列的形式来进行, 蝶形数据会优先于计算旋转因子进行计算, 在计算完成后根据基本数值的取值变化将计算结果归入到不同的算法中, 最终参数达到预设标准的要求则输出为结果。
4.2 数字图像小波变换
在数字图像测量系统运行过程中, 小波变换是基本的数据变化形式, 对数字图像小波变换的处理是系统的基本功能。通常情况下会应用Daubechies表示法对数字图像的小波变换现象。在系统内部采集的图像数据主要以二维的离散数据形式出现, 这种数据本身的离散性波动比较大, 在实际的应用中数字图像小波变换活动主要依据图像数据的离散程度来决定。i级的小波系数及尺度系数能够求得精度高一级j-1的尺度系数。
4.3 数字图像边缘提取
图像边缘提取是现代数字图像测量系统的主要功能之一, 对图像信息的测量具有鲜明的现实意义, 边缘提取主要是是依靠图像数据中的数据离散值来进行, 通常情况下数字化的图像数据会呈现出变化幅度较大的离散值数据, 这种离散值数据的突出变化区就是图像数据信息的边缘位置, 通过对图像数据信息离散数值变化幅度的平均取值, 可以实现图像边缘与图像的分离, 在此基础上对图像边缘的极值信息进行图像还原, 可以在输出系统屏幕上显示出目标图像的边缘化。
4.4 数字图像浮雕算法
数字图像浮雕算法是数字图像测量系统中的核心功能之一, 能够将目标图像中的主景象内容凸显出来, 起到对主要景物内容的强调作用, 在实际的测量活动中能够发挥对主要图像内容面积的测量和计算。为能够将目标图像中的主要图像内容凸显出来, 主要的处理功能是基于边缘提取技术实现的, 以边缘提取技术将目标图像的边缘信息提取出来以后, 浮雕算法会对其中的封闭边缘进行选定, 原则上认为目标图像封闭边缘的中间内容是浮雕算法要突出的主要内容, 这种处理内容的认定同时也接受人工调整, 操作人员可以手动对浮雕处理内容进行调整, 在内容认定完成以后, 会以卷积核的形式对图像数据进行计算, 可以较为便利的获得二维计算结果。
5 结语
基于嵌入式Linux系统的数字图像测量算法是嵌入式系统与现代数据图像处理技术的结合形式, 形成的数字图像测量算法同时具备嵌入式系统和图像处理技术的优势, 能够在图像测量活动中发挥更加积极的作用, 因此对基于嵌入式Linux系统的数字图像测量算法实现的研究具有鲜明的现实意义。笔者从系统结构、视频驱动、Qt技术、Qt平台、Qt算法等多个方面对这一问题进行了简要分析, 以期为基于嵌入式Linux系统的数字图像测量算法实现水平提升提供支持和借鉴。
参考文献
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[2]郭剑.基于嵌入式系统的数字图像处理技术的研究[D].西安电子科技大学, 2006.
嵌入式图像监控系统 篇8
关键词：田间管理,图像监控,ARM,GPRS
0 引言
图像技术在农业领域应用越来越广泛,无论在农副产品质量检测与鉴定,还是在病虫害的防控[1,2]以及田间管理都非常普遍[3,4]。传统的图像监控系统大多通过架设专用的有线媒介或者租用电信运营商的通信线路传输图像信号。前者工期长,前期投入大,其传输距离有限;后者受周边环境影响较大,可扩展性较差,造成在偏远地区和地形复杂地区的应用受到限制[5,6],而且传统的图像监控系统基本都是定点监控,不具备移动性,受制于硬件及传输线路的连接[7]。
简单的电缆连接,安装方便,更好地满足了对图像监控系统点多面广及与现有网络集成的要求[8,9]。为此,根据目前大面积田间管理存在的不足,设计了基于ARM田间无线图像嵌入式系统,完成了相应的硬件电路和软件程序设计,实现了用户对现场的实时图像监控。
1 系统概述方法
基于ARM田间无线图像嵌入式系统(如图1所示)分为两个部分:图像采集终端和图像监控计算机。图像采集终端的主控制器根据图像监控计算机的指令,控制图像采集模块采集图像数据,对图像数据进行压缩后,将数据传送至GPRS通信模块;然后,通过GPRS网络传送至图像监控计算机[10];最后,由图像监控计算机实现图像接收、解压缩和显示。
2 系统硬件结构设计
图像采集终端主控制器模块以ARM微处理器为核心,包括电源模块、时钟电路、复位电路、程序存储器和数据存储器,系统硬件组成结构如图2所示。
主控制器模块通过RS-232串口分别与图像采集模块和GPRS通信模块连接,实现图像的采集、处理与传输,并可通过JTAG接口与计算机通信,实现仿真调试。下面具体介绍主控制器模块、 GPRS通信模块及图像采集模块硬件电路设计[11]。
2.1 主控制器模块硬件电路
微控制器采用了PHILIPS公司基于ARM7处理器核的LPC2210。ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本和高性能的特点。由于LPC2210芯片片内无程序存储器,为了方便程序调试及最终代码的固化应用,本系统扩展了2MB NOR FLASH(SST39VF160)和256K SRAM(IS61LV25616AL)。使用LPC2210外部存储器接口的Bank0和Bank1地址空间,通过跳线将片选信号CS0与CS1分别分配给SRAM和FLASH。LPC2210需要使用两组电源,I/O口供电电源为3.3V,内核及片内外设供电电源为1.8V。所以,电源模块要设计成供电3.3V,输入5V电压,使用LDO芯片稳压到3.3V和1.8V电压输出。
2.2 GPRS通信模块硬件电路
通信模块采用MOTOROLA公司生产的GSM/GPRS 模块G24。该模块是一种GSM/GPRS无线调制解调器,与同类 GPRS模块相比,具有体积小、质量轻、性价比高等特点,支持语音、数据传输和短消息等传输业务,最大数据传输速率为85.6kbps。 该模块内部带有TCP/IP协议栈,可以很方便地进行上网前的设置,无需自己进行TCP/IP封装,非常适用于网络远程监控。另外,该模块带有RS-232接口,支持RS232全双工通信,可通过RS-232接口与外部进行数据传输,支持多种传输速率。GPRS通信模块硬件组成结构如图3所示。
GPRS通信模块以G24模块为核心,扩展了电源电路、串口转换电路和SIM卡座。电源电路将5V的输入电压稳压至3.6V,给G24模块供电;G24模块通过串口转换电路与主控制器模块的串口连接,进行全双工数据通信;SIM卡座与G24模块连接后,将SIM卡安放在SIM卡座上,当G24模块上电时,系统开始检测SIM卡里的具体信息,SIM卡开始运行;此时,传输状态指示电路可以显示GPRS通信模块当前的数据传输状态。
2.3 图像采集模块硬件电路
图像采集模块的核心为图像传感器,负责对模拟图像信号进行A/D转换,其数字输出信号通过串口传输到主控制器模块,并由主控制器模块对其进行后续处理[12]。
数码相机模块选择JPEG300,这是一个具备图像捕捉功能的摄像机,采用30万像素的CMOS图像传感器,具备自动增益、自动曝光时间调整和自动白平衡等功能,输出标准JPG格式彩色图像文件;图像分辨率320×240和640×480;电路板尺寸50mm×70mm,体积小巧;采用单电源5V供电,供电电流约100mA,满足嵌入式系统低功耗的需要[13]。
3 系统软件设计
图像采集终端和图像监控计算机软件的设计,包括图像采集终端与监控计算机建立GPRS连接、图像采集与传输以及图像接收与显示。
图4为图像采集终端与监控计算机建立GPRS连接程序流程图。
首先,系统初始化,监控计算机接入Internet,获得主机IP和本地端口号;然后,ARM微控制器通过AT指令控制GPRS模块,通过GGSN进行链路协商,获取动态IP;打开一个端口(Socket),与监控计算机建立TCP/IP连接。
图5为图像采集与传输程序流程图。图像采集终端与监控计算机建立连接后,即可接收监控计算机指令,控制图像采集模块采集图像,由主控制器模块对图像数据进行压缩等处理;然后,通过GPRS通信模块发送图像数据到监控计算机[14];数据发送成功后,等待下一次图像采集指令。监控计算机使用C++ Builder软件编程,实现图像接收与显示[15]。
监控计算机程序的功能按钮“开始发送图像”,用来向图像采集终端发送图像采集指令;像素选择组合框中的“320×240”和“640×480”两个单选按钮,用来选择采集图像的分辨率;Image控件用来显示接收到的图像;若选中“自动保存图像”复选框,则可以将接收到的图像自动保存到监控计算机指定的硬盘位置;若选中“连续发送图像”复选框,则可以实现图像的连续发送。
监控计算机程序中加入了Socket控件,即可实现互联网间的数据传输功能。用Socket建立的连接是建立在TCP/IP协议基础上的,根据连接发起的方式以及本地Socket要连接的目标,Socket之间的连接可以分为3种类型,即客户端连接、监听连接和服务器端连接。本系统采用的连接类型是监听连接,即服务器端Socket并不定位具体的客户端Socket,而是处于等待连接的状态,当服务器端Socket监听到,或者接收到客户端Socket的连接请求时,它就响应客户端Socket的请求,建立一个新的Socket句柄并与客户端连接。服务器端Socket处于监听状态,这样就可以继续监听其他客户端Socket的连接请求,方便系统根据实际需要扩展图像采集终端的个数。
图6为监控计算机接收和显示图像程序流程图。监控计算机接收到GPRS通信模块发送来的JPG图像数据后,先要判断图像的分辨率大小,准备相应大小的解压缩缓冲区,调用"wondjdec.dll"动态链接库函数将其解压缩;然后,利用API函数SetDIBitsToDevice显示解压缩后的图像[16]。用户可以根据需要将图像保存到监控计算机,还可选择连续采集图像,实现对现场的实时图像监控。
4 结束语