（检测技术与自动化装置专业论文）具有图像记忆功能的汽车黑匣子的研究与设计.pdf

具有图像记忆功能的汽车黑匣子的研究和设计 摘要 本文以a d v 6 1 l 为基础，用t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 作为核心控制芯片，设计了汽车 视频图像实时存储系统。论文给出了系统的硬件结构，阐明了系统的工作原理， 并讨论了基于a d v 6 1 1 芯片的视频压缩系统的压缩性能。文中涉及了小波理论 和系统的软件设计。该系统将不同车速和车况下的视频图像进行实时采集、压缩、 和存储，实现了汽车运行视频图像的实时存储功能。 本文共分6 章：第1 、2 章分析了汽车黑匣子的历史和国内外的现状，概述 了一些图像理论知识第3 章概述了图像编码技术，小波变换理论及基于小波变 换的图像编码。第4 章介绍了系统所选用的关键芯片知识及系统硬件设计。第5 章介绍了系统的软件设计。第6 章总结了系统的优、缺点以及发展前景。 关键词：数字信号处理器( d s p ) ，黑匣子，汽车视频图像，编码，小波 r e s e a r c ha n dd e s i g na b o u tt h eb l a c kb o x o fv e h i c l e sw i t ht h ev i d e oi m a g e a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k ea d v 6 11a s af o u n d a t i o n ，w i t ht m s 3 2 0 c 6 2 0 5a st h ec o i - ec o n t r o lc h i p ，h a s d e s i g n e dar e a l - t i m em e m o r ys y s t e mo ft h ea u t o m o b i l ev i d e oi m a g e t h et h e s i s p r o v i d e st h es y s t e m a t i ch a r d w a r es t r u c t u r ea n dh a si n t r o d u c e di t so p e r a t i o np r i n c i p l e ， t h e nd i s c u s s e dt h ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c eo f t l l i sv i d e os y s t e mb a s e do na d v 6 1 1 i nt h ea r t i c l eh a si n v o i v e dt h ew a v e l e tt h e o r ya n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e m t i n i ss y s t e m g a t h e r s ，c o m p r e s s e s ，a n ds t o r e st h ev i d e oi m a g ei n r e a lt i m et od i f i e r e n ts p e e da n d v e h i c l ec o n d i t i o n s r e a l - t i m em e m o r yo fv i d e oi m a g eo fa u t o m o b i l eh a sb e e n r e a l i z e d t h i st h e s i si sd i v i d e di n t o6c h a p t e r s t h ef i r s ta n ds e c o n dc h a p t e r sh a v es h o w e dt h eh i s t o r y a n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g np r e s e n ts i t u a t i o n so ft h ea u t o m o b i l ev i d e oi m a g e ，a n dh a v e s u m m a r i z e ds o m ei m a g ek n o w l e d g e t h e3 r dc h a p t e rh a so u t l i n e dt h ei m a g ec o d i n g t e c h n o l o g y , t h ew a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n t h e o r y a n di m a g e c o d i n gb a s e do nt h ew a v e l e t t r a n s f o r m a t i o nt h e4 t hc h a p t e ri n t r o d u c e dt h ei m p o r t a n tc h i p su s e di nt h i ss y s t e ma n dh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e m t h ef i f t hc h a p t e rs h o ws o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma n dt h es i x t hc h a p t e r s u m m a r i z e dt h es y s t e m sm e r i ta n ds h o r t c o m i n ga sw e l la st h ep r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，b l a c kb o x ，t h ev i d e oi m a g eo ft h e a u t o m o b i l e ，c o d e ，w a v e l e t 表4 i 表4 2 表4 3 表格目录 中断控制寄存器表 h p i 控制寄存器各位的意义 v i d 0 和v i d l 的输入状态 2 7 2 8 3 0 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 插图目录 数字图像处理系统模型 系统原理结构示意图 二维图像小波分解过程 三次小波分解示意图 e z w 算法中定义的零树结构 小波矢量量化编码算法 车速波形 6 n 1 3 7 结构原理图 6 n 1 3 7 内部结构图 系统原理结构示意图 t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 功能框图 数据通道框图 h p i 控制寄存器 t p s 5 6 3 0 0 管脚分布图 t p s 5 6 3 0 0 与d s p 连接图 s a a 7 1 1 1 功能框图 s a a 7 1 1 1 管脚分布图一 s a a 7 1 1 l 接口电路示意图 e m i f 与四片8 位s r a m 接口示意图 a d v 6 1 l 结构框图 品质框效果图 a d v 6 1 l 编码过程图 a d v 6 1 1 接口示意图 d s p 主程序流程图 中断响应流程图 s a a 7 1 1 1 初始化流程图 采集速度子程序流程图 ，托h”m归加殂盟嬲m嬲加如弘巧札舵舵钙们船盼 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究3 2 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒自b 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位澈储缔屏络签字嘲粕年3 月a 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒e l 王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 日b 兰些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 原彩争 导师签名：学位论文作者签名： 府，彩 r 导师签名： 签字日期：亭。- 年5 月3 d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字吟6 年弓胗7 日 电话： 邮编： 缔游 d 凹一 a v 致谢 本文的研究工作是在导师陈荣保副教授的悉心指导下完成的。在近三年的研 究生学习期间，我一直深受导师的教诲。导师敏捷的思维，渊博的学识，严谨的 治学态度，勤奋求实、不断进取的工作精神给我留下了深刻的印象，为我今后的 工作和生活树立了榜样，使我终身受益，而且还给我提供了有利的学习环境和科 研条件。在此，向辛勤培育我的导师致以由衷的感谢和崇高的敬意。同时还要衷 心地感谢所有关心、帮助我的老师和同学，特别要感谢给予我很大帮助的师兄李 栋梁。 在此，还要特别感谢我的家人在生活上与学习上对我的关心和照顾，才使我 有了今天的成绩，衷心地感谢他们。 作者：余辉 2 0 0 6 年3 月 1 1 汽车黑匣子的历史和现状 第一章概述 111 国外汽车黑匣子应用概况 “汽车黑匣子”的真名叫“机动车行驶记录仪”，汽车行驶记录仪制造和应 用的发源地在欧洲。早在2 0 世纪2 0 年代，行驶记录仪便伴随着汽车坦程表诞 生，当时是和汽车速度、里程表结合在一起的。随着汽车工业的快速发展，记 录仪开始在汽车运营中得到自发性的广泛应用。1 9 3 4 年，德国发明了世界上第 一一台纸盘式行驶记录仪，至今已有7 0 年的历史。为了保障道路交通安全运输， 1 9 5 3 年，德国政府对载重超过7 吨的货车和客车强制推行纸盘式行驶记录仪。 自1 9 7 0 年起，当时的欧共体开始推广德国的经验，在德国、法国、意大利、比 利时等国强制推行行驶记录仪。目前，欧盟已制定颁布了分别规范驾驶员驾驶 时间、纸盘式记录仪技术性能、数字式记录仪技术性能、监督企业和实施路面 执法的5 个主要法规，l5 个成员国5 0 0 多万辆商用车安装了纸盘式行驶记录仪， 是世界上使用纸盘式行驶记录仪最多的地区。欧美国家使用行驶记录仪后，交 通事故显著下降。如德国1 9 7 0 年货车平均每5 0 万公里发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每行驶1 6 0 万公里发生一起事故，事故发生率降低了2 2 0 ：客车从 1 9 7 0 年的每4 0 万公里发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 0 0 万公里发生。起 事故，事故发生率下降了1 5 0 。 目前使用最普遍的是数字式记录仪，它不仅可以记录机动车运行全过程的 全部数据( 包括速度变化、行驶里程等) ，还可以通过配套的计算机管理软件， 实现对驾驶员甚至整个车队的管理和监督。 1 1 2 汽车黑匣子在国内的应用情况和存在的问题 自上世纪8 0 年代后期，我国开始在少数地区试用国内一些科研机构及企业 自主研制的数字式记录仪。到2 0 0 4 年7 月底，全国生产汽车行驶记录仪的企业 已达8 0 多家，已经公安部交通安全产品质量监督检测中心检测，通过国家标准 检测的有6 8 家。目前，全国各地交通运输企业营运车辆安装使用汽车行驶记录 仪工作仍处于起步阶段，且各地的工作进展不一。从目前我国汽车行驶记录仪 的应用情况分析，车辆安装汽车行驶记录仪有以下使用效果：一是汽车行驶记 录仪能真实、准确反映车辆运行中的实际状况，记录相关的监控数据。其存储 的数据为企业加强对车辆的使用、运行、调度和科学管理，为安全行车管理和 事故的分析，以及今后路面执法监督提供了可靠的依据。二是车辆超速行驶时 能发出报警声警告司机减速，督促司机安全行车，起到防止和减少交通事故的 作用。三是由于安装了汽车行驶记录仪，司机在行驶中能保持车辆中速行驶， 对延长车辆使用寿命、节约燃料、减轻轮胎耗损都起到了重要的作用，可以减 少企业经营管理成本。四是汽车行驶记录仪记录的数据，对交通事故的原因和 责任分析，有一定的作用，不仅可以提供事故前后的各种数据，而目可以通过 记录查看平常是否紧急加速、是否急刹车等行驶数据，以此分析并改善升i 良驾 驶习惯，起到预防事故作用。 目前，推进汽车行驶记录仪安装使用和监管工作存在以下主要问题：从社 会宏观层面上看，汽车实行记录仪安装使用和监管工作还缺乏法律、法规的依 据和支持。从企业微观层面k 看，汽车行驶记录仪的生产行为和使用范围不规 范，产品质量不稳定，功能不统一，故障率较高，安全防护性能差，售后维修 服务不完善等。 1 2 课题研究的背景与意义 随着交通的迅速发展，交通事故越来越多，对事故责任的鉴定越来越困难， 对车辆的有效管理也越来越重要。因此，许多国家相继推出了汽车黑匣子系统， 2 0 世纪8 0 年代后期，欧洲率先推出了汽车黑匣子技术，汽车黑匣子，又称汽 车实时数据采集器，是用于检测、记录、存储汽车在行驶中各种状态和数据的 智能装置( 如汽车的档位、刹车记录、酒精含量、速度以及其他汽车状态等信 息) ，为分析、判断汽车驾驶状态和处理交通事故提供了可靠准确的科学依据。 但是，目前的汽车黑匣子不具有图像记忆功能，因此市场迫切需要一种更准确、 更可靠的汽车黑匣子。正是基于这一想法，本文提出了全新的具有图像记忆功 能的汽车黑匣子技术。 汽车黑匣子中的数据包括二个部分，一部分为汽车实时数据( 存放汽车发生 事故前后的数据) ，另一部分为汽车历史数据( 存放汽车和司机的行驶状况) 。汽 车实时数据主要是用于分析事故发生的原因和事故的责任，汽车历史数据作为 事故分析的参考依据和对汽车和司机的运行状况考核，历史数据的存储时间比 当前汽车实时数据存储时间早一个时间段或早一个时间梯度。 目前的汽车黑匣子虽然在可靠性、体积方面取得了较大的改善，但不具有 图像存储的功能；它所存储的汽车信息，对于各种起因的突发事件不能有效、 准确的提供可分析和处理的科学依据。随着科学技术水平的不断进步，随着d s p 技术的不断提高以及相关图像处理方法的发展，尤其是数据存储能力的急速提 升，对汽车图像实时存储提供了有效的硬件基础。由于实时图像的数据容量较 大，在保证图像有效分辨率的前提下，一幅图像的内存容量，就已经超出了常 规汽车黑匣子所拥有的存储空l 司。而存储一幅图像所消耗的时间与汽车数据的 实时要求也存在着一定的矛盾，因此如何解决图像信息的压缩和存储是具有图 像记忆功能的汽车黑匣子的关键。 采用d s p 技术应用于具有图像记忆功能的汽车黑匣子的研究与设计几乎 没有任何报道。因此，本研究内容具有显著的工程意义。 2 1 论文相关知识 第二章论文研究内容及论文工作 2 1 1 图像和数字图像 图像对我们并不陌生，它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世 界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。 自然爨在人眼中呈现的图像一般是连续的模拟图像，连续的模拟图像可以 表示为： f ( x ，y ) = 厶( x ，y ) ，厶( x ，y ) ，厶( z ，y ) ) ( 2 - 1 ) 其中厶( y ) ，兀( 墨y ) ，厶( z ，y ) 分别表示红、绿、蓝( r g b ) 三种成分。 s ( x ，y 1 信号是一个容量比较大的二维数据，除了体现对象特征外，还包含 了较为丰富的色彩信息。 2 1 2 图像技术 图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总称。目前人们主要研究的 是数字图像，主要应的是计算机图像技术。这包括利用计算机和其他电子设备 进行和完成的一系列工作，例如图像的采集、获取、编码、存储和传输，图像 的合成和产生，图像的显示和输出，图像的变换，增强，恢复和重建等，另外， 图像技术还可包括为完成上述功能而进行的硬件设计及制作等方面的技术。 2 1 3 图像处理系统 实际的图像处理系统是一个非常复杂的、既包括硬件又包括软件的系统， 随着具体的应用不同，其构成也是大不相同的。但从他们的最基本的功能特征 出发，可以构建出图2 1 所示的数字图像处理系统的概念模型。 图2 1 数字图像处理系统模型 在这个基本系统中，包括了5 大部分图像处理功能：待处理的图像信号的 输入，即输入模块；已处理图像的输出，即输出模块；在处理过程中需要用到 的控制和存储模块；和用户打交道的存取、通信模块；最为关键的图像处理核 心模块，即主图像处理设备。下面简单地介绍这几个模块的组成和特点。 图像输入设备：根据不同的应用需求，图像的输入设备可以采用不同的方 式。如c c d 摄像机、数字照相机、红外、x 光摄像机等。 图像输出设备：目前，最常用的图像输出设备为c r t 荧光屏显示器，如电 视机、计算机的显示器，平板液晶显示器是近年来迅速发展的一种显示设备， 将很快取代相当一部分c r t 显示器。此外，还有彩色打印机、硬拷贝机、彩色 绘图仪等。 图像存储和控制设备：控制设备主要是用于在图像处理过程中对主图像处 理设备进行控制，如键盘、鼠标、控制杆、各种开关等；图像存储设备主要是 用于在图像处理的过程中，对图像信息本身和其它相关信息进行暂时或永久的 存储，如各种r a m 、r o m 、f l a s h 存储器、硬盘、光盘等。 用户存取、通信设备：在有些情况下，用户需要将已处理好的、或还要进 一步处理的图像信号取出或送入主图像处理设备，该模块可以满足用户的这一 需求。存取一般是指本地的操作，如光盘、硬盘或各种存取设备；而通信则是 相当于远端的存取操作，如基于局域网、数字通信网的通信设备等。 主图像处理设备：这部分是图像处理系统的核心。主图像设备可以大到分 布式计算机组、一台大型计算机，小到一台微机，甚至是一片d s p 芯片。除了 硬件外，更重的是它还包括用于图像处理的各种通用和专用软件，其规模可以 是一套图像处理系统软件，也可能只是一段图像处理指令。 2 1 4c m o s 数字成像技术 目前数字成像技术中有两种图像传感器：c c d 和c m o s 传感器。由于c c d 器件有光照灵敏度高、噪音低、像素中等优点，所以在过去l5 年罩它一直主宰 着图像传感器市场。与之相反，c m o s 图像传感器过去存在着像素大、信噪比 小、分辨率低这些缺点，一直无法和c c d 技术抗衡。但是随着大规模集成电路 技术的不断发展，过去c m o s 图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已 都找到相应的解决途径，从而大大改善了c m o s 图像传感器的图像质量。c m o s 半导体器件的体积小、功耗低、成本低的优势，使之近年来发展迅速，成为国 内外研究和应用的热点。 以c m o s 数字成像技术为基础的数字成像系统有别于现有的数字摄像机， 不仅具有传统摄像机的功能，并且可以利用高速、大规模集成的数字信号处理 芯片，将视频信号进行数字化和压缩编码处理，而不需要利用计算机或另外的 图像采集卡来处理图像数据，这样不仅降低了后期图像处理的难度，减轻了计 算机的运算量，而且可以将外围的控制功能也集成在一起，使前端监控设备简 化、集成化，增强稳定性和可靠性。 2 1 ，5 图像压缩技术 图像数据压缩技术总的来说就是利用图像数据固有的冗余性和相干性，将 一个大的数据文件转换成个较小的同性质的文件。两个文件的大小之比( 压缩 比1 确定了压缩的程度。通常以压缩后的文件能否准确恢复原文件为界，将压缩 编码技术分为无损和有损压缩编码技术。无损压缩方法仅仅删除图像数据中的 冗余信息，因此在解压缩时能精确地恢复图像；否则就是有损压缩。 无损压缩保证压缩数据压缩和还原过程中，图像信息没有任何的损失或失 真，但压缩效率较低；有损压缩则采用一些压缩算法，大幅度减少图像信息中 的冗余信息，其压缩效率远高于无损压缩。 有代表性的编码方法有霍夫曼( h u f f m a n ) 编码、算术编码、游程编码 r 时，将重复前面的过程；n 一( r 一1 ) s = r 时，就 结束编码过程。 f 5 ) 从结束处沿授码符号的路线向前返回，依次写出字符对应的码符号序 列，这就是h u f f m a n 码。 ( 6 ) 若n 一( r 一1 ) s l ，b o o 。这样就实现了小波函数在尺度和位移上的离散化， 相应的离散族为： ，= 2 p ( d 。”一n 6 0 ) ( 3 5 ) 实际工作中最常见的情况是取a o = 2 ，此时： ，。= 2 2p ( 2 一一h 6 0 ) ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 称为二进小波。其中a 取值为2 0 = 1 ，2 1 ，2 2 ，| 2 ，。当a = 2 时，沿 b 轴的采用间隔是2 “，即m 每增加1 ，采用间隔就扩大一倍。可见对应于大 的拢，。是扩展的，对于小的m ，。是压缩的。 3 1 2 3 图像的小波分解 由于二维正交小波的可分离性，二维正交小波等价于行方向和列方向分别 进行，一维的正交小波变换。因此在图像变换中，我们利用低通和高通滤波器 先对图像沿行方向进行一维分解，然后再沿列方向进行分解，其分解过程如图 3 1 所示。 原 困 表示隔二采样 图3 1 二维图像小波分解过秽 眦 乩 m u 小波变换讲图像数据按不同频带宽度，不同分辨率分成子带图像，每一层 小波分解成四个频带，垂直和水平方向均为低频的子带l l ，水平方向低频和垂 直方向高频的子带l h ，垂直方向低频和水平方向高频的子带h l ，以及处置和 水平方向均为高频的子带h h 。垂直和水平方向均为低频的予带信号称为分析 信号，其余三个子带信号称为细节信号，分析信号又可以进一步分解成阴个了 带，因此总的子带树为3 k + l ，其中k 为分解的层数。图3 2 为三次小波分解 的示意图。 l l 3 】 儿3 甩2 l h 3i h h 3 h l l l h 2唧2 唧1 图3 2 三次小波分解示意图 现在我们知道了小波变换是一种非平稳信号分析方法，它通过一个基本小 波函数p ( x ) 的平移和伸缩构成一小波系数族 h p i 兰肛，6 r ，由此得到 l “ j 的函数族离散化之后可构成r f 月1 空间的规范正交基，并以之去表示或逼近信 号。从逼近的观点上讲，只用很小的小波系数就可以得到很多不同图像的精确 逼近，因此小波是作为基底的一个很好选择。 但并非所有的小波基都适合于分解图像，小波基对应的滤波器的性质与图 像压缩有着重要的关系，尤其是对称性、正交性、双正交性、f 则性等对图像 编码的影响更大。所有选择台适的小波基是一个很重要的环节。 3 1 2 4 基于小波的图像压缩 小波应用于图像压缩后显示了良好的发展前景，随着研究的深入出现了很 多新的算法，下面将分别介绍两种常用的利用小波变换的图像编码方法。 3 1 2 4 1 嵌入式零树小波编码算法( e z w ) 这里的嵌入式编码是指编码器将待编码的比特流按重要性的不同进行排 序，根据目标码率或失真度大小要求随刚结束编码。e z w 算法利用小波系数的 特点较好地实现了图像编码的嵌入功能，主要包括以下三个过程：零树预测， 用零树结构编码重要图和逐次逼近量化。 ( 1 ) 零树预测： 一幅经过小波变换的图像按其频带从低到高形成一个树状结构，树根是最 低频子带的结点，它有三个子带分别位于三个次低频子带的相应位置，如图3 3 。 其余子带( 最高频子带除外) 的结点都有四个子带位于高一级子带的相应位置， 由于高频子带分辨率增加，所有一个低频子带结点对应有四个高频子带结点， 即相邻的2 * 2 矩阵，见图3 3 。 m k 且 马一一田 l u 1 2 1 3 il 埘3 i m 2 l 、 u 2 明2 i l 叭 | m l 图3 3e z w 算法中定义的零树结构 定义一个零树的数据结构：一个小波系数x ，对于一个给定的门限t ，如 果i x k t ，则称小波系数x 是不重要的，如果一个小波系数在一个粗的尺度上关 于给定的门限t 是不重要的，之后在较细的尺度上，在同样的空间位置中的所 有小波系数也关于门限t 是不重要的，则称这些小波系数形成了一个零树。这 时，在粗尺度上的那个小波系数称为母体，它是树根，在较细尺度上相应位置 上的小波系数称为孩子。正是通过这种零树结构，使描述重要系数的位置信息 大为减少。 ( 2 ) 用零树结构编码重要图： 重要图包括三种要素：即重要系数、孤立零和零树根。其中，对于给定的 阀值t ，如果系数x 本身和它的所有的子孙都小于t ，则该点就称为零树根： 如果系数本身小于t ，但其子孙至少有一个大于或等于t ，则该点就称为孤立 零点，在编码时分别用三种符号与之对应。当编码到最高分辨率层的系数时， 由于他们没有子孙，零树根不再存在，只需其余两种符号即可。为了有利于内 嵌编码，将重要系数的符号与重要图一起编码，这样就要使用四种符号：零树 根、孤立零、讵重要系数和负重要系数。 ( 3 ) 逐次逼近量化( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o nq u a n t i z a t i o n ，s a q l 内嵌编码的核心在于采用了逐次逼近的量化方法( s a q ) 。s a q 按顺序使 甲 用了一系列阀值r o ，石，巧。来判决重要性，其中巧= _ l j - i ，4 j 始n nt o 按如下条 件选择：圳 i d r a m 为未初始化变量保留存储空间。主要指全局变量和静态变量 f a r i d r a m 为申明为f a r 的全局变量和静态变量保留空间 d a t a i d r a m 已初始化的数据 s t a c k s d r a mc o d e 为系统堆栈分配空间，系统堆栈主要用于函数参数和 局部变量 s y s m e m s d r a mc o d e 为动态内存分配保留空间，动态内存主要指函数 m a l l o c 等 ) m e m o r y 规定了各内存字段在d s p 中的开始地址及其长度，s e c t i o n s 4 5 规定了汇编4 - t i - 5 各字段所在的内存字段，其中l o a d 表示要烧写到f l a s h 的代 码，r i l l 3 表示运行在r a m 的代码。 5 2 d v 6 11 的软件设计 a d v 6 1 1 是负责压缩图像数掘，其程序设计相对比较复杂一些，主要包括 了a d v 6 1 1 的接口检测、芯片初始化、压缩数据的读取和统计数掘的读嫩等。 5 2 1 寄存器及其位定义 a d v 6 1 1 内部的控制寄存器包含三类。第一类用于设置a d v 6 1 l 的工作状 态，这些状态包括图像编码状态、图像编码状态以及图像处理制式等；第二类 寄存器能提供每帧图像的统计信息，它们都是只读寄存器，提供的统计信息包 括亮度的最大值、最小值、总和以及每帧图像的压缩数据量等；最后一类寄存 器式数据编码压缩的控制寄存器，a d v 6 “内部的f i f o 用于控制图像压缩数据 的读写操作，并能给出f i f o 全空、部分满和全满信号。 5 2 2 接口检测 a d v 6 11 的接口检测包括寄存器的检测和f i f o 数据口的检测，这个过程在 系统自检时完成。a d v 6 l l 的命令操作和数据存取都是通过1 6 位间接寄存器接 口来实现的，i a r ( 间接地址寄存器) 和i d r ( 间接数据寄存器) 。注意内部寄存器 中，只有0 x 8 0 开始的5 3 个寄存器是可读和可写的，所以通过在这些寄存器中 的数据写入和读取比较，来检测1 6 位寄存器接口是否工作正常。 a d v 6 1 1 的3 2 位f i f o 数据总线的检测比较复杂一些，主要分为下面几个 过程： ( 1 ) 软件复位a d v 6 l l 并将其设置为解码模式； ( 2 ) 向f i f o 数据口写入5 1 2 个3 2 位数据； ( 3 ) 复位a d v 6 1 l 并将其设置为编码模式； ( 4 ) 设置f i f o 控制寄存器的第9 位为1 ； f 5 ) 读取f i f o 数据； ( 6 ) 比较写入和读取的数据。 5 2 3a d v 6 1t 主程序设计 编码a d v 6 1 1 的主程序主要有初始化程序( 初始化模式控制寄存器和中断 屏蔽寄存器) ，问址寄存器配置程序，中断处理程序等。图像压缩数据访问申清、 每帧统计数据准备好和数据流出错在内的所有a d v 6 1 1 的处理申请信号，共用 一个中断请求h i r q 发给d s p 。图52 给出了图像采集时d s p 响应中断后的流 程图。d s p 首先读取a d v 6 1 i 内部的中断标志寄存器，迸一步分析中断产生的 原因，再加以处理，为了防止在图像数据处理期间a d v 6 1 1 新的处理申请被错 过，所有在读取编码数据并写入存储器之后，d s p 又读取了一次a d v 6 1 1 中断 标志寄存器。a d v 6 1 1 通过控制寄存器提供给用户三种控制图像效果的数据流 量手段。第一种设置量化系数，即通过改变小波分解后各个不同频带数据的量 化权重，达到数据压缩目的。第二种压缩手段是减帧，a d v 6 1 l 可以从5 0 帧 秒减到2 帧秒。最后一种压缩手段是品质框控制，能够在一帧图像中再设置。 个显示区，并将该区之外的图像衰减，从丽利用这神减小有效画幅尺寸的方法 压缩数据。这个显示区域大小的设定是通过调节a d v 6 “内部品质框寄存器实 现的。 5 3 s a a 7 111 驱动程序的设计 图5 2 中断响应流程图 s a a 7 1 1 1 的初始化包括：输入通道选择、输出数据格式选择、亮度和色度 设置、同步信号设置等。除了初始化s a a 7 1 1 1 外，还需要检测s a a 7 1 1 1 的状 态寄存器，以判断当前是否有模拟视频信号输入。 53 1 寄存器及其位定义 s a a 7 1 1 1 是基于微处理器的v i e ( 视频输入处理器) ，其所有的可编程功能 是通过i 2 c 总线对内部的3 2 个寄存器相应的控制位写相应的数值来完成的。通 过i 2 c 总线的s c l 、s d a 的适当配合，即可由微处理器向s a a 7 1 1 1 的寄存器 写入数据，也可由微处理器从其寄存器读出数据。 5 3 2 软件模拟i2 0 总线 由于d s p 6 2 0 5 没有专门的1 2 c 总线，所有必须借助于其它总线接口。本系 统采用h p i 口来模拟1 2 c 总线接口。首先，必须禁用h p i 的功能，这可以通过 设置h p i 相应的寄存器来实现，当h p i 工作在通用i o 端口方式时，通过通用 i o 控制寄存器和通用i o 状态寄存器可以控制h p i 的数据引脚。g p i o c r 的 d i r x 位为低电平表示h d x 引脚为输入，高电平表明h d x 为输出。g p i o s r 的 d o x 位则反映了引脚h d x 的逻辑值，d o x 为低电平表明h d x 输入输出为0 ， d o x 为高电平表明h d x 输入输出为1 ，可以任意选择一个h d x 作为s d a ， 再用另外一个h d x 作为s c l 以实现1 2 c 总线接口的模拟。 s a a 7 1 1 1 的初始化流程如图5 3 所示。 图5 3s a a 7 1 1 1 初始化流程图 5 4 图像采集速度子程序设计 采集速度予程序流程图如图5 4 所示。 图5 4 采集速度子程序流程图 d s p 会根据速度传感器采集到的数据，计算处速度的变化率，然后根据软 件设置的不同采集速度采集图像。具体是在程序中设置一个标志变量，把车速 变化率保存在该变量中，主程序通过读取该变量的值以实现不同存储速度地变 化。当然，在实际运行过程中，可能还有一些突发情况发生，这些可以在实用 地基础上再不断改进。 4 9 第六章总结 本文在简述了汽车黑匣子的现状和历史后，阐述了图像黑匣子的关键技术、 小波理论和系统的软硬件设计。在设计过程中尽量使得系统的性能达到最佳状 态，但是系统还是在一些方面存在不足和需要改进之处。 6 1 不足之处 6 1 1 软压缩和硬压缩 本系统采用的是硬件图像压缩，所谓硬压缩就是采用专用压缩芯片进行图 像压缩，而软压缩则是用软件进行图像压缩。 一般情况下，硬压缩的处理速度较快，在一些对实时性要求很高的场合是 有优势的，但是它的缺点是成本较高，随着硬压缩芯片的发展提高，只能靠淘 汰来实现升级，不够灵活。 而软压缩通过软件编码和计算，可以用时间做代价来保证更好的视频效果。 随着c p u 主频的不断提高，软压缩在实时性方面也取得了较好的成绩。相对于 硬压缩，软压缩还有成本低的优势，不需要淘汰产品，可以通过升级软件达到 升级的目的，使用灵活。 6 ，1 2 存储器的选择 本系统选用存储器是内置电池的s d r a m ，存储空间较小，所能保存的图 像数据较少。在未来可以使用电脑硬盘进行存储，存储容量大，以满足发展的 需要。 在系统中，还存在着其它的不足之处，随着研究的深入会不断地改进提高。 6 2 发展前景 随着社会地发展和人民生活水平地提高，汽车在人们的生活中扮演的角色 越来越重要。但随之而来的交通问题也越来越多，交通事故发生率逐年升高。 为了有效控制驾驶员的行为，为交通事故的判定提供合法、有效的依据，已有 国家规定汽车在出厂时必须安装有黑匣子。 随着黑匣子记录的数据种类越来越多，黑匣子在未来地使用中也会越来越 普及。勿庸置疑的将成为汽车必备的标准设备。 参考文献 【l 】 徐科军，陈荣保，张崇巍 自动检测和仪表中的共性技术清华大学 出版社，2 0 0 0 2 阎石数字电子技术基础 高等教育出版社， 1 9 8 9 3 】 康华光电子技术基础模拟部分 高等教育出版社， 1 9 8 9 4 谭浩强c 程序设计 清华大学出版社， 1 9 9 8 5 宁改娣，杨拴科d s p 控制器原理及应用科学出版社， 2 0 0 2 【6 黄贤武，王加俊等数字图像处理与压缩编码技术电子科技大学出 版社，2 0 0 0 1 2 ( 7 朱秀昌，刘峰等数字图像处理与图像通信 北京邮电大学出版社， 2 0 0 2 2 8 】 傅得胜， 寿益禾图形图像处理学东南大学出版社， 2 0 0 2 【9 】赵训威基于t m s 3 2 0 c 6 2 0 0 系列d s p 芯片的应用与开发人民邮电 出版，社2 0 0 2 10 】f e l i x c af e r n a n d e s ，r u t g e rl - c v a na n d p a e n d o n c k ，c s i d n e y b u r r u s “m u l t i d i m e n s i o n a l ，m a p p i n g - b a s e dc o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r m s ，”i e e e t r a n s a c t i o n so ni m a g ep r o c e s s i n g v 0 1 1 4 n o 1 p p 1 1 0 - 1 2 4 j a n u a r y2 0 0 5 1 1 】t e x a si n s t r u m e n t s ，t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 f i x e d p o i n t d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s 1 2 a n a l o gd i v e c e s ，c l o s e dc i r c u i tt vd i g i t a lv i d e oc o d e ca d v 6 11 6 1 2 1 3 成都国腾微电子有限公司，g m 2 1 0 7 数据手册，2 0 0 3 1 1 1 4 】刘丽鹃，邹雪城等基于小波变换图像压缩芯片的实现，半导体技术 v 0 1 2 8 ，2 0 0 3 ，n o 1 15 陈荣保，余辉具有图像汜忆功能的汽车黑匣子的研究与设计，微电子学 与计算机，2 0 0 6 8 ( 已录用，待发表) 1 6 】t h e1 2 c b u ss p e c i f i c a t i o n d a t as h e e t ，p h i l i p s ，2 0 0 0 【17 s a a 7 1 11p r o d u c es p e c i f i c a t i o n d a t as h e e t ，p h i l i p s ，2 0 0 0 18 熊川，实时图像处理系统的设计，桂林电子工业学院学报，2 0 0 2 ，n o 2 2 1 9 】徐科军，全书海，王建华 信号处理技术武汉理工大学出版社， 2 0 0 1 1 1 2 0 】朱宏擎，乔昕，基于小波变换的视频编解码芯片a d v 6 1 1 的原理和应用， 应用科技，v 0 1 2 9 ，2 0 0 2 ，n o ，1 1 ( 2 1 】王文进，刘代志，王超等d m a 在实时图像处理中的应用， 2 1i c 中国 电子网 2 2 t m s 3 2 0 c 6 2 0 0 s y s t e m c l o c kc i r c u i t e x a m p l e t e x a s i n s t r u m e n t s i n c o r p o r a t e d19 9 8 2 3 】t m s 3 2 0 c 6 2 0 xd m aa n dc p u i n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d2 0 0 0 2 4 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0p e r i p h e r a l s r e f e r e n c eg u i d e t e x a s i n s t r u m e n t s i n c o r p o r a t e d2 0 0 0 2 5 t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 f i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r2 0 0 0 2 6 】张远鹏，董海计算机图像处理技术基础北京大学出版社， 1 9 9 6 2 7 许开宇基于小波变换的图像压缩编码研究，上海海运学院学报， v b l 2 1 ，2 0 0 0 ，n o 3 【2 8 张辉 实时视频图像压缩存储系统，电子产品世界， 2 0 0 l ，1 1 2 9 】潘月秋，卞喜玉，戴振宇图像数据压缩技术的原理及方法，齐齐哈尔大 学学报， v 0 1