（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式视频采集系统的研究与实现.pdf

lad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c ee m b e d d e dv i d e oc o l l e c t i o ns y s t e mr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o nm a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gx i ns u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o rb a of a n gm a y 2 0 1 0f a c u l t yo f a u t o m a t i o ng u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yg u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a , 510 0 9 0m 5粥肌1舢y摘要摘要视频图像采集技术在军事、工农业生产、消费电子、医疗以及安全监控等领域有着极其广泛的应用。本文针对一定条件下的采集需要，如一些机械类仪表数据的图像采集，设计了一种基于嵌入式的视频图像采集系统。对仪表的数据以图像的形式显示，直观可靠，无需专人抄送，并且可以通过网络随时随地查看当前数据，系统稳定性好，体积小，成本低，具有一定的研究意义。本系统提出了基于a r m 9 2 0 t 处理器韵嵌入式图像视频采集系统的解决方案。该方案使用三星系列嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 c p u ，u s b 摄像头和l c d 显示模堤；系统使用嵌入式l i n u x2 6 1 3 内核。在p c 机l i n u x 平台下，完成对开发板的u s b - h 驱动、摄像头驱动以及l c d 驱动的开发，并完成了b o o t l o a d e r 的移植、内核的定制、根文件系统的制作以及采集程序的编写，并将其全部移植至u a r m 平台。在采集过程中，系统运用m m a p ( ) 函数将l c d 显示缓冲区映射到用户空间的内存区，直接对内存区进行读写来提高显示速度，并且在采集的时候使用了双缓冲设计，可以达到采集图像的同时将其显示在l c d 上。为了进一步快速的显示采集来的图像以及更有利于网络的传输，本文对嵌入式小波零树算法( e z w ) 新增了一轮对重要系数子孙的判断，并且新增了两个标志位。实验结果表明，设计的视频采集系统能比较清晰采集仪表的数据图像，并且能实时在l c d 上显示，能通过l c d 触摸屏控制系统的运行。在局域网内，能通过其他任何一台计算机控制采集系统的开启和关闭。对改进后的e z w 算法的仿真结果表明，新e z w 算法缩短了总的计算时间，在不影响视觉效果的前提下提高了图像的压缩比。关键词：嵌入式；e z w 算法；l i n u x 2 6 1 3 ；广东工业大学硕士学位论文a b s t r a c tv i d e oi m a g ea c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi nm i l i t a r ya n di n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，m e d i c a la n ds a f e t ym o n i t o r i n g ，e t ch a v ee x t r e m e l ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o n b a s e do ns o m es p e c i f i cc o n d i t i o n s ，s u c ha st h ec o l l e c t i o no ft h ec o m p l e xe n v i r o n m e n ti n s t r u m e n t a t i o nd a t ai m a g ec o l l e c t i o n ，d e s i g nak i n do fv i d e oi m a g ea c q u i s i t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t h ed a t ao fi n s t r u m e n tt od i s p l a yt h ei m a g e ，r e l i a b l e ，a n dm a yn e e ds p e c i a lc ca n y t i m et h r o u g ht h en e t w o r kt oc u r r e n td a t a ，t h es y s t e ms t a b i l i t yi sg o o d ，s m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ，h a sc e r t a i ns i g n i f i c a n c e t h i ss y s t e mw a sp r o p o s e db a s e do na r m 9 2 0 tv i d e oi m a g ec o l l e c t i o no fe m b e d d e dp r o c e s s o rs y s t e ms o l u t i o n s t h i ss c h e m eu s i n gs a m s u n gs e r i e s $ 3 c 2 4 4 0 c p ue m b e d d e dp r o c e s s o r s ，u s bc a m e r a sa n dl c dm o d u l e ，u s ee m b e d d e ds y s t e m2 6 13l i n u xk e r n e l i nt h ep cl i n u xp l a t f o r mf o rd e v e l o p m e n t ，t h eu s bp o r to fp l a t ec a m e r ad r i v i n ga n dd r i v i n ga n dd r i v i n gt h ed e v e l o p m e n t ，a n dl c db o o t l o a d e rc o m p l e t e dt h et r a n s p l a n t a t i o no fc u s t o m ，r o o t ，t h ek e r n e lf i l es y s t e mo fp r o d u c t i o na n dc o l l e c t i o np r o c e d u r e s ，a n da l lt h et r a n s p l a n t e dt oa r mp l a t f o r m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mc a nc l e a rv i d e oc o l l e c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t ，a n dt h er e a l - t i m ei m a g ei sd i s p l a y e do nl c ds c r e e n ，c a nc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o n i nan e t w o r k ，c a np a s so na n yc o m p u t e rc o n t r o la c q u i s i t i o ns y s t e mo fo p e n i n ga n dc l o s i n g t oi m p r o v et h ea l g o r i t h mo fe z ws i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mi ss h o r t e n e dt h et o t a lt i m e ，t h ev i s u a le f f e c tu n d e rt h ee s s i o nr a t i o ；e z wa l g o r i t h m ；l i n u x 2 6 13 ；h目录目录摘要ia b s t r a c t i i第一章绪论11 1 选题的背景和意义11 2 嵌入式技术发展现状31 3 研究目标和内容41 3 1 研究目标41 3 2 研究内容41 4 本章小结5第二章嵌入式系统概述62 1 嵌入式系统62 1 1 嵌入式系统发展历史62 1 2 嵌入式系统的特点82 2a r m 处理器开发平台92 2 1 嵌入式系统的体系结构92 2 2a r m 体系结构简介1 02 2 3a r m 9 体系结构1 02 3 嵌入式视频采集系统试验平台简介1 42 3 1 嵌入式系统的组成1 42 3 2 整个系统的硬件平台1 52 4 本章小结1 6第三章嵌入式l i n u x 采集系统总体方案l73 1 视频采集系统硬件方案实现1 73 2 硬件接口说明1 83 2 1 地址空间分配和片选信号定义1 83 2 2f l a s h 存储系统1 8i l l广东工业大学硕士学位论文3 2 3s d r a m 存储系统2 03 2 4u s b 接口2 03 2 5j t a g 接口2 23 2 6 电源系统及接口2 33 2 7 串口2 33 3 视频采集系统软件方案实现2 43 3 1 嵌入式操作系统的选择2 43 3 2 引导程序b o o t l o a d e r 的选用2 53 ：3 3 根文件系统2 73 4 本章小结2 8第四章嵌入式l i n u x 系统的设计与移植2 94 1 基于a r m l i n u x 的采集系统的总体设计2 94 2 嵌入式操作系统b o o t l o a d e r 的移植一3 04 2 1s u p e r v i v i 从h a n df l a s h 启动功能的实现3 l4 2 2n a n d 启动程序具体设计3 24 3 嵌入式操作系统内核精简与移植3 44 4 嵌入式操作系统的根文件系统的制作与移植3 74 5 本章小结3 9第五章嵌入式视频采集程序设计与实现4 05 1u s b 驱动开发与加载4 05 2v i d e 0 4 l i n u x 内核驱动4 45 2 1v i d e 0 4 l i n u x 简介4 45 2 2v i d e 0 4 l i n u x 设备驱动开发4 45 3 摄像头采集程序的实现4 65 3 1 视频采集程序中定义的数据结构4 65 3 2 视频采集编程流程4 75 4 本章小结5 4第六章嵌入式小波压缩算法的改进5 56 1 小波压缩编码的基本框架5 56 2 嵌入式零树编码( e z w ) 算法5 6i v目录6 3 嵌入式零树小波编码的改进算法6 16 4 本章小结6 6结论6 7参考文献6 9攻读硕士学位期间发表论文7 2独创性声明7 3致 射7 4附录7 5v广东工业大学j 女士学位论文c o n t e n ta b s t r a c t ( c h i n e s e ) 。ia b s t r a c t ( e n g l i s h ) i ic h a p t e r1i n t r u d u c t i o n 11 1r e s e a r c hb a c k g r o u da n d _ m e a n i n go ft h e s i s 11 2t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n 31 3r e s e a r c ht a r g e t sa n dc o n t e n t s 41 3 1r e s e a r c ht a r g e t s 41 3 2r e s e a r c hc o n t e n t 41 4t h i sc h a p t e rs u m m a r y 5c h a p t e r2t h eo v e r v i e wo ft h ee m b e d d e ds y s t e m 62 1t h ee m b e d d e ds y s t e m 6 2 1 1t h eh i s t o r yo f t h ee m b e d d e ds y s t e m 62 1 2t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m b e d d e ds y s t e m 82 2t h ea r mp r o c e s s o rd e v e l o p m e n tp l a t f o r m 92 2 1t h ee m b e d d e ds y s t e ms t r u c t u r e 92 2 2i n t r o d u c t i o no fa r ms y s t e ms t r u c t u r e 1 02 2 3t h ea r m 9s y s t e ms t r u c t u r e 102 3i n t r o d u c t i o no fp l a t f o r mo ne m b e d d e dv i d e oc o l l e c t i o ns y s t e m 1 42 3 1t h ec o m p o n e n to f t h ee m b e d d e ds y s t e m 1 42 3 2t h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m 1 52 4t h i sc h a p t e rs u m m a r y 16c h a p t e r3t h eo v e r a l lp l a no fl i n u xa c q u i s i t i o ns y s t e m 173 1h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fv i d e oc o l l e c t i o ns y s t e m 173 2h a r d w a r ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s 183 2 1t h ea d d r e s ss p a c ed i s t r i b u t i o na n dp i e c es e l e c t e ds i g n a ld e f i n i t i o n 1 83 2 2f l a s hs t o r a g es y s t e m 183 2 3s d r a ms t o r a g es y s t e m 2 03 2 4i i s bi n t e r f a c e 2 0v 1c o n t e n ti ii i3 2 5j t a gi n t e r f a c e 2 23 2 6p o w e rs y s t e ma n di t si n t e r f a c e 2 33 2 7s e r i a li n t e r f a c e 2 33 3s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fv i d e oc o l l e c t i o ns y s t e m 2 43 3 1t h ec h o o s eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 2 4：；3 2t h es e l e c t i o no fb o o tb o o t l o a d e r 2 53 3 3r o o tf i l e s y s t e m 2 73 4t h i sc h a p t e rs u m m a r y 2 8c h a p t e r4t h ed e s i g na n dt r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e dl i n u xs y s t e m 2 94 1t h eo v e r a l ld e s i g nb a s e do nt h ea r m - l i n u xa c q u i s i t i o ns y s t e 2 94 2t h et r a n s p l a n to fb o o t l o a d e r 3 ( )4 2 1t h er e a l i z a t i o no fs u p e r v i v is t a r t i n gf r o mt h en a n df l a s h 314 2 2t h ed e s i g no f n a n ds t a r tp r o g r a m s 3 24 3e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mk e r n e lw i t hc o n c i s e 3 44 4e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mr o o tf i l e s y s t e mp r o d u c t i o na n dt r a n s p l a n t a t i o n 3 74 5t h i sc h a p t e rs u m m a r y 3 9c h a p t e r5e m b e d d e dv i d e oa c q u i s i t i o np r o g r a m sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 4 05 1u s bd r i v e rd e v e l o p m e n ta n dl o a d i n g 4 05 2v i d e 0 4 l i n u xk e r n e l m o d ed r i v e r 4 45 2 1t h ei n t r o d u c t i o no fv i d e 0 4 l i n u x 4 45 2 2v i d e 0 4 l i n u xd e v i c ed r i v e rd e v e l o p m e n t 4 45 3t h er e a l i z a t i o no fc o l l e c t i o np r o c e d u r e s 4 65 3 1v i d e oc o l l e c t i o np r o c e s sd e f i n i t i o no f d a t as t r u c t u r e 4 65 3 2v i d e oc o l l e c t i o np r o g r a m m i n gp r o c e s s 4 75 4t h i sc h a p t e rs u m m a r y 5 4c h a p t e r6t h ei m p r o v e de m b e d d e dw a v e l e tc o m p r e s s i o na l g o r i t h m 5 56 1t h eb a s i cf r a m e w o r ko f t h ew a v e l e tc o m p r e s s i o n 5 56 2e m b e d d e dz e r o t r e ec o d i n g ( e z w la l g o r i t h m 5 66 3t h ei m p r o v e de m b e d d e dz e r o t r e ec o d i n ga l g o r i t h m 6 16 4t h i sc h a p t e rs u m m a r y 6 6v i ic o n c l u s i o n 6 7r e f e r e n c e s 6 9p u b l i c a t i o nd u r i n gs t u d y i n gf o rm a s t e r sd e g r e e 7 2o r i g i n a ls t a t e m e n to fa c a d e m i cd i s s e r t a t i o n 7 3a c k n o w l e d g e m e n t 7 4a p p e n d i x 7 5第一章绪论1 1 选题的背景和意义第一章绪论图像采集是构成嵌入式视频监控系统的安全防范技术体系中不可缺少的重要组成部分，随着微电子技术和软件技术的发展，嵌入式技术也有了长足的进步。因此，基于嵌入式技术的图像数据采集系统以其直观、方便、信息内容丰富的特点，广泛应用于许多场合。目前，在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。图像监控技术的发展经历了三个主要阶段【l 】：模拟图像监控技术，基于p c 的数字图像监控技术和基于嵌入式系统的数字图像监控技术。目前国内还较多地使用本地模拟图像监控系统，即采用由摄像机、视频矩阵、监视器和录像机组成的监控系统，使用视频线、控制线等电缆连接。虽然本地模拟图像监控系统能够保证采集得到的图像清晰、不失帧，这种方法易于实现，但成本较高，并且体积大，不方便携带。其中大多数的视频采集系统都使用的是w i n d o w s 平台下的软件架构，使得在使用的时候不得不依赖于计算机，这样就造成采集系统体积大，不方便移动，这样就不能在复杂恶劣的条件下进行采集。数字图像监控系统不仅可以克服模拟图像监控系统的局限性，而且能够很好地满足客观现状对图像监控系统的高要求。第一代数字图像监控系统是以p c 机为核心，以大容量硬盘作为存储介质，使用p c 机处理图像信号，利用计算机的数据处理能力与显示器的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采集到计算机中、并由显示器显示，大大提高了图像的质量，利用通信接口卡，可以通过通信网络实现信息在一个多个监控中心的共享，很好地体现了数字图像监控系统的优势。但由于模拟数字混合视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，要求介质专用，同时，这种监控系统通常只适合于小范围的区域监控，系统的扩展能力较差，无法广东工业大学硕士学位论文形成有效的报警联动。而且稳定性较差，整个系统的稳定性依赖于p c 机的性能，而且功耗相对较大。新一代的数字图像监控系统以嵌入式处理器为核心，开发以太网接口直接实现图像数据经现有网络传输，授权用户在任何地方都可以查看监控终端的图像，体积小，移动性好，工程费用大大降低，并且本驱动由于使用的是模块化驱动，可以在使用的时候自动加载，在不使用的时候自动卸载，管理方便并且能够节省内存和c p u 的消耗，而这点在w i n d o w s 平台下难以实现。而且系统可以长时间稳定运行，可以用于复杂环境下的图像采集。随着计算机技术的发展，嵌入式系统已逐渐成为后p c 时代的主导，特别是3 2 位嵌入式处理器的出现，使得一些基于p c 的应用也得以在嵌入式系统上实现。图像采集系统正从模拟采集向数字采集发展，其中的嵌入式图像采集系统由于其优越的性能越来越受到人们的关注【2 】。对于像家庭、停车场、小型超市等视频监控这样的应用，不需要那么多的功能，只要简单的视频采集、传输和显示就够了，体积也要尽可能的小。基于以太网的嵌入式视频监控系统，具有视频图像采集、压缩、传输和存储等功能，非常适宜图像的监控。传统的视频监控系统是应用现有的计算机技术，系统庞大，软硬件资源得不到充分利用。由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前可以说是无处不在，具体的说嵌入式系统分为嵌入式硬件、嵌入式操作系统和嵌入式软件，该系统的研究主要基于一种应用最为广泛的嵌入式1 6 3 2 位a r m 处理器，嵌入式技术的核心思想就是最大限度地在硬件和软件上量身定做以提高效率和实时性【2 1 。鉴于以上原因，本文设计了一种新的视频采集处理系统：基于a r m 9 的嵌入式视频采集处理终端系统。该系统结合了电子技术、计算机科学、嵌入式系统等各个前沿领域的众多理论和成果，对采集到的视频图像信息进行实时处理，核心处理器选择1 6 3 2 位r i s c 体系的高性能、低成本、低功耗的嵌入式a r m 9 处理器，结合嵌入式操作系统技术，合理解决了以上种种问题，在家庭、停车场、重要医疗设备等视频监控场所具有广泛的应用前景。本课题属于自研课题，目的是基于三星高性能3 2 位嵌入式a r m 9 2 0 t 处理器以及一个u s b 摄像头，结合嵌入式l i n u x 操作系统，通过在u s b 接口上外接一个带u s b口的摄像头，将采集到的视频图像数据放人输入缓冲区中。然后，或者保存成文件的形式，或者运行移植到平台上的图像处理程序，对缓冲的图像数据直接进行相关处理，再保存并打成u d p 包。最后，也可通过网络接口将图像发送至o i n t e m e t 上。2第一章绪论本文主要讨论其中视频采集部分的具体实现。主要包括嵌入式视频采集处理方案和软硬件设计，并对图像的压缩编码算法以及图像的读取算法进行研究改进，进步提高系统的效率和实时显示效果。1 2 嵌入式技术发展现状随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术将全面展开，现在嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。总体来说，嵌入式系统分别在硬件和软件( 主要是嵌入式操作系统) 方面获得发展。从国内i t 市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和i n t e r n e t 衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。在占整个计算机行业9 0 的p c 产业中，8 0 的处理器采用i n t e l 的8 0 x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l ，a m d ，c y r i x 等几家公司在几乎是每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占领了8 0 9 0 的份额，凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由m i c r o s o f t 和i n t e l9 0 年代初建立的联盟所垄断的工业。嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。由于i i n u x 是开放源代码的，操作系统的一切对用户来说都是透明的；另一方面其模块化的设计，为用户提供了极大限度的可缩放功能。高端嵌入式系统要求许多高级功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也是高端的，一般人难以接受。现在人们需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必需特性的操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植正在被广泛采用，成为新兴的力量，所以众多厂家纷纷转向了嵌入式l i n u x 以i i n u x 为代表的自由软件开始占领比较大的市场，据统计，l i n u x 占北美p c j 艮务器2 5 左右的市场份额，打破了微软w i n d o w s - - 统天下的局面，著名的产品有美国加州的集成系统公司( i n t e g r a t e ds y s t e m si n c ) 推出的p s o s y s t e m ，占领了极大的市场份额【3 1 。国内九五期间，由中科院推广并产业化i 拘h o p e n 嵌入式系统，被列为国家科技攻关项目。基于l i n u x 技术的嵌入式操作系统也已经推出。根据美国v d c ( v e n t u r ed e v e l o p m e n tc o ) 统计数据显示，嵌入式l i n u x 的市场规模从2 0 0 1 年的5 5 2 0 万美元，至u 2 0 0 6 年增长到了3 4 6 亿美元，在未来两年将占嵌入式操作系统市场份额的5 0 。综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟而且种类丰富。据统计，仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有4 0 种左右，其中较为流行的主要有：w i n d o w sc e 、p a l mo s 、r e a l t i m el i n u x 、v x w o r k s 、p s o s 、p o w e r t v 以及m i c r o w a r e 公司的0 s 9 。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。随着与网络、i n t e r n e t 结合日益密切，嵌入式系统应用将日益广泛。1 。3 研究目标和内容1 3 1 研究目标本课题的目的是在研究和分析现有嵌入式体系的基础上，研究i i n u x 系统在嵌入式环境下的裁剪与移植，以及在嵌入式环境下的设备驱动开发方法；并通过在嵌入式平台上开发摄像头驱动程序，实现在嵌入式环境下视频采集的研究和实现，并对数据图像压缩编码和截取算法进行研究改进，使系统拥有更好的实时性和显示效果。1 3 2 研究内容本文采用a r m 9 2 0 t 芯片作为嵌入式系统视频采集的处理器，将视频摄像采集到的数字输出信号通过u s b 端口传送至a r m 开发板，并将视频内容在l c d 上实时显示。主要研究内容包括：1 系统平台上的硬件系统( 1 ) 了解u s b 控制器和c m o s 传感器的结构和功能；( 2 ) 熟悉掌握a r m 9 体系结构及工作原理；( 3 ) 比较不同型号a r m 9 开发板的优缺点，结合本系统的要求进行选型：4第一章绪论2 系统平台中的软件系统( 1 ) 熟悉掌握l i n u x 内核机制，掌握针对具体的应用通过配置内核、裁减s h e l l和嵌入式c 库对系统定制，并掌握l i n u x 内核移植；( 2 ) 掌握y a f f s 文件系统的编制和移植；移植文件系统包括制作文件系统镜像，在f l a s h 上为文件系统分配存储空间以及文件系统与嵌入式操作系统的有效配合；( 3 ) 搭建交叉编译环境，在系统中编译安装开发工具链；3 视频采集的具体实现( 1 ) 在l i n u x 系统平台下实现u s b 口数码摄像头及各硬件设备的驱动；( 2 ) 研究v i d e 0 4 1 i n u x 应用程序接口，编写视频采集的应用程序；( 3 ) 研究视频图像截取方法；( 4 ) 研究改进嵌入式小波静态压缩算法；4 系统测试以及优化( 1 ) 通过q t 编译的图片查看器查看摄像头采集的图像；( 2 ) 运行系统进行调试；( 3 ) 比较算法改进前后的效果并进行总结，并对整个项目中遇到的问题进行总结。1 4 本章小结本章首先简要的介绍了视频采集系统的概念，描述了其发展历程及在各个发展阶段的特点，从模拟到数字，从大系统到小系统的视频监控，并列举了几个例子说明了当今视频采集系统的多样性应用，接下来简要的阐述了嵌入式视频采集系统所有做的主要工作及内容。广东工业大学硕士学位论文第二章嵌入式系统概述嵌入式领域是一个高起点的技术领域，它需要开发者精通计算机体系结构、操作系统、多种芯片的原理结构、嵌入式l i n u x 系统开发、嵌入式l i n u x 内核等多种制式体系。嵌入式系统是继i t 网络技术之后的有一个十分具有前景的技术发展方向，成为后p c 时代最热门的研究领域之一。目前也广泛应用于军事国防、网络通信、工业控制、消费电子等诸多领域。2 1 嵌入式系统尼葛洛庞帝2 0 0 1 年访华时曾预言“4 5 年后，嵌入式智能电脑将是继p c 和i n t e r n e t 后的最伟大的发明。如今，嵌入式系统已经成为当今最为热门的领域之一，它迅猛的发展势头成为社会各方面人士的关注。嵌入式系统是指【4 】以应用为中心，以计算机为基础，软件硬件课裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要有嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。2 1 1 嵌入式系统发展历史嵌入式系统经历了3 0 多年的发展历程，主要经历了4 个阶段4 】【5 】。无操作系统阶段：是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低、因此以前在国内工业领域应用较为普遍，但是现在已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的要求。简单操作系统阶段：2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，i c 制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、i o 接口、串行接口以及r a m 、r o m 等部件统统集成到一片v l s i 中，制造出面向i o 设计的微控制器，并一举成为嵌入6第二章嵌入式系统概述式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的”操作系统”开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式c p u ( 如p o w e rp c 等) ，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。实时操作系统阶段：2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的d s p 产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展【6 】。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统( r t o s ) ，并开始成为嵌入式系统的主流。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面( g u i ) 等功能，并提供了大量的应用程序接口( a p i ) ，从而使得应用软件的开发变得更加简单。面向i n t e r n e t 阶段：2 1 世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t之外，随着i n t e m e t 的进一步发展，以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合才是嵌入式技术的真正未来。信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式系统厂商提出了新的挑战。目前，嵌入式技术与i n t e m e t 技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化：新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式数据库、移动代理、实时c o r b a 等，嵌入式软件平台得到进一步完善。广东_ t - 业大学硕士学位论文各类嵌入式l i n u x 操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与w i n d o w sc e 、p a l mo s 等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。网络化、信息化的要求随着i n t e m e t 技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。2 1 2 嵌入式系统的特点按照嵌入式的定义，嵌入式系统有3 个基本特点，即“嵌入性”、“内含计算机”与“专用性 。嵌入性：由早期的微型计算机时代的嵌入式计算机应用发展而来，专指计算机嵌入到特定的对象体系中，实现对象体系的智能控制【7 1 。当嵌入式系统变成了一个独立应用产品时，可以将嵌入性理解为内部嵌有微型处理器或计算机。内含计算机：是对象系统智能化控制的根本保证。随着单片机想m c u 、s o c发展，片内计算机外围电路、接口电路、控制单元日益增多，专用计算机系统“演变成为 内含微处理器的现代电子系统。专用性：是指在满足对象控制要求及环境的要求下的软件可裁剪性。嵌入式系统的软、硬件配置必须依据嵌入式对的具体要求，设计成为特定的嵌入式应用系统。总体说来嵌入式系统具有以下几大特点：( 1 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的只是集成系统。( 2 ) 面向特定应用特定。嵌入式系统与通用型系统的最大区别就在于嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，因此它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求。8第二章嵌入式系统概述( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效的设计，量体裁衣，去除冗余，力争在同样的芯片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更有竞争力。( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片和单片机本身中，而不是存储在磁盘里。( 5 ) 嵌入式开发的软件代码要求尤为高质量、高可靠性、由于嵌入式设备所处的环境是无人值守或条件本身恶劣的情况下，因此，其代码必须有更高的要求。嵌入式系统本身不具备二次开发能力，即设计完成后用户正常情况不能对其中的程序进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行再次开发。2 2a r m 处理器开发平台2 2 1 嵌入式系统的体系结构a r , m 是一类嵌入式微处理器，同时也是一家公司的名字。公司于1 9 9 0 年1 1月成立于英国剑桥，他是一个专门从事1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计的供应商。a r m 公司本身不直接从事a r m 芯片的生产，而是从事授权a r m 内核，再给生产和销售半导体的合作伙伴，同时也提供基于a r m 架构的开发设计技术。世界各大半导体生产商从a r m 公司那里购买它设计的a r m 处理器核，根据各自不同的应用领域家人适当的外围的电路设计，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。a r m 公司从成立至今，在短短几十年的时间就占据了7 5 的市场份，如今，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。采用a r m 技术的微处理器现在已经遍及各类电子产品，汽车、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等市场。至l j 2 0 0 1 年就几乎已经垄断了全球r i s c 芯片市场，成为业界实际的r i s c 芯片标准。a r m 的成功，一方面得益于它独特的公司运作模式，另一方面，当然来自于a r m 处理器自身的优良性能。a r m 处理器有如下特点【引。( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能。( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。9广东工业大学硕士学位论文( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快。( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成。( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高。( 6 ) 指令长度固定。2 2 2a r m 体系结构简介1 a r m 微处理器的工作状态一般有两种，并且可以再两种状态之间切换【9 1 。( 1 ) 第一种为a r m 状态，此时处理器执行3 2 位的字节对齐的a r m 指令。( 3 ) 第二种为t h i s i q b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字节对齐的t h u m b指令。2 a r m 体系结构的存储格式( 1 ) 大端格式：在这种格式中，子数据的高字节存储在低地址中，而子数据的低字节则存储在高地址中。( 2 ) 小端格式：与大端存储格式刚好相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是子数据的低字节，高字节存放在高地址中。3 a r m 处理器支持七种运行模式，分别为如下所述。( 1 ) 用户模式( u s r ) ：a r m 处理器正常的程序执行