（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式系统的图像跟踪技术的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机科学和自动控制技术的发展，越来越多的智能机器人出现在生产 生活中，视觉系统作为智能机器人系统中一个重要的子系统，也越来越受到人们 的重视。视觉系统是个非常复杂的系统，它既要做到图像的准确采集还要做到 对外界变化反应的实时性，同时还需要对外界运动的目标进行实时跟踪。因此， 视觉系统对硬件和软件系统都提出了较高的要求。 本文旨在提出一种基于t e 2 4 1 0 嵌入式硬件平台的嵌入式图像跟踪系统的软 件设计与实现。围绕图像处理系统的基本功能及特点，采用嵌入式系统的结构设 计方法，在归纳总结了基于a r m 的嵌入式系统的特点和当前最新发展动态，比 较了多种操作系统优缺点的基础上，合理选择了嵌入式l i n u x 做为平台的操作系 统，并将其移植到基于a r m 9 2 0 t 处理器的硬件平台上，构建了嵌入式l i n u x 的交 叉开发环境。针对l i n u x 驱动程序架构的特点，对在嵌入式l i n u x 下如何进行图像 采集和显示以及图像数据的存贮的原理和程序的编写进行了介绍，在此基础之 上，完成图像预处理模块，图像处理模块和图形显示界面的实现。图像预处理模 块主要实现基于u s b 摄像头的图像获取程序，显示程序和存储程序的设计与实 现。在图像处理模块，本文采用了适合本课题实时性要求的预处理方法。在图像 分割中，在固定的时刻采用大津阈值分割方法动态的求取阈值以应对环境变化的 影响，在时间f h j 隔内采用固定的阈值分割方法提高效率；然后对分割后的图像进 行b l o b 分析，给出目标在图像中的位置，目标的面积、周长、形心等一系列几何 特征。对序列图像每一帧中的目标进行链式标记，达到对运动目标跟踪的目的。 为了实现性能的优化，本文首先用o p e nc v 对图像处理模块的算法进行仿 真，对影响图像处理模块性能的部分进行改进，完成实时处理的要求。 关键字：机器人视觉系统图像跟踪o p e nc vb l o b a b s t r a c t a b s t r a c t i m a g ep r o c e s s i n gw i t he m b e d d e ds y s t e mi sac h a l l e n g et ot h et r a d i t i o n a li m a g e p r o c e s s i n gh a r d w a r e c o m b i n i n gi m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n ga n di m a g ed i s p l a y i no n es y s t e m ，i t si m p l e m e n t a t i o nw i l lo p e nan e ww a yf o ri m a g ep r o c e s s i n g ，a n dn e w f i e l df o rt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s m e a n w h i l e ，d u et oaw i d er a n g eo fi m a g e p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s ，t h es y s t e mi t s e l f h a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi m a g et r a c k i n g e m b e d d e ds o f t w a r e s y s t e m w i t ha ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do n t e 2 410 c o n s i d e r i n gt h eb a s i cf u n c t i o n so fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e md e s i g nm e t h o d ，s u m m e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f a r m b a s e de m b e d d e ds y s t e ma n dt h el a t e s td e v e l o p m e n t s ，w i t ht h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fm u l t i p l eo p e r a t i n gs y s t e m si nm i n d ，w ec h o o s e e m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma st h ep l a t f o r m w ep o r t e di t t ot h ea r m 9 2 0 tp r o c e s s o r - b a s e d h a r d w a r e p l a t f o r m ， c o n s t r u c t e d t h ee m b e d d e d l i n u xc r o s s d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i e sl i n u xd r i v e ra r c h i t e c t u r ei nc o n s i d e r a t i o n ，w e i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e sa n dp r o c e d u r e so fh o wt oc o l l e c t ，d i s p l a ya n ds t o r et h ei m a g e d a t ai ne m b e d d e dl i n u xc i r c u m s t a n c e s ，c o m p l e t et h ei m a g ep r e p r o c e s s i n gm o d u l e ， i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e s ，a n dg r a p h i c a ld i s p l a yi n t e r f a c e s p r e p r o c e s s i n g m o d u l e m a i n l yr e a l i z e si m a g ea c q u i s i t i o np r o g r a mu s i n gu s b b a s e dc a m e r a , d i s p l a yp r o g r a m ， a n ds t o r a g ep r o c e d u r e s i nt h ei m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ，t h i sp a p e r i n v o l v e sp r e t r e a t m e n t w h i c hi ss u i t a b l ef o rr e a l t i m er e q u i r e m e n t so ft h i st a s k i ni m a g es e g m e n t a t i o n , w eu s e o t s ut h r e s h o l dm e t h o di naf i x e dt i m et oo b t a i nad y n a m i ct h r e s h o l di nr e s p o n s et o e n v i r o n m e n t a lc h a n g e i nt h et i m ei n t e r v a l ，af i x e dt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o nm e t h o di s u s e dt oi m p r o v ee f f i c i e n c y ；t h e nt h r o u g hb l o ba n a l y s i st h es e g m e n t e di m a g e ，t h el o c a t i o n o ft a r g e ti m a g e ，t a r g e ta r e a , p e r i m e t e r , c e n t r i ca n das e r i e so fg e o m e t r i c a lf e a t u r e sa r e g i v e n c o m p a r i n gt h e s eg e o m e t r i cf e a t u r e sw i t hg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h et a r g e t w er e a l i z et a r g e tr e c o g n i t i o n e a c hf r a m eo ft h ei m a g es e q u e n c ei nt h et a r g e tc h a i ni s t a g g e d ，w i t ht h ep u r p o s eo ft r a c k i n gt h em o v i n gt a r g e t i no r d e rt oa c h i e v eo p t i m a lp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e ru s i n go p e nc va l g o r i t h mf o r i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l es i m u l a t i o nt oi m p r o v et h ep a r tw h i c hh a s a l li m p a c to n p e r f o r m a n c e t om e e tt h ed e m a n do fr e a l - t i m ep r o c e s s i n g k e y w o r d ：r o b o t v i s i o ns y s t e m s i m a g et r a c k i n go p e nc v b l o b 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它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已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：立墨旦瞧 日期2 1 2 也：12l 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：曼塾目鸥 导师签名：丛日期 j f 口。、，口 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 人类感知客观世界有7 0 的信息是由视觉获取的，眼睛是人类最主要的感觉 器官，图像视觉信息是人类从客观世界获得信息的主要来源之一。因此计算机视 觉已成为人工智能领域最热门的竞争课题之一，它和专家系统、自然语言理解一 起成为人工智能最活跃的三大领域，是实现工业生产高度自动化、机器人智能 化、自主车导航、目标跟踪以及各种其它工业检测、医疗和军事应用的核心内容 之一，也是实现机器智能化的关键因素。计算机视觉的目的，是使用计算机代替 人眼及大脑对景物环境进行感知、解释和理解。众所周知，视觉是一种感知周围 环境最复杂的手段，也是最有效的手段，随着科学技术的发展，计算机视觉的应 用范围日益扩大，无论是生物视觉系统，其最终的目的都是要帮助较大的系统来 完成它的职责或生命的生存，这是非常重要的任务。因此视觉系统必须能够从景 物图像中提取对完成这些任务十分有用的信息。 运动目标跟踪技术是计算机视觉系统的核心，是一项融合图像处理。模式识 别。人工智能、自动控制等不同领域先进成果的高技术课题，是实现智能机器人 和智能化武器的关键技术之一，在军事、航天、监控、生物医学和机器人技术等 多种领域都有广泛应用。运动目标跟踪是通过对传感器拍摄到的图像序列进行分 析，计算出目标在每帧图像上的位置给出目标速度的估计f 2 】。 运动目标跟踪在军事，科学，机器人科学，医学，人身财产安全方面都有着 广泛的应用。在军事上，主要应用于包括自动驾驶飞行器、导弹自动目标跟踪、 军事机器人视觉。国外从七十年代就开始将目标跟踪技术应用于军事，从1 9 8 3 年 起，美国将计算机视觉列入到战略防御计划中，并分别于8 7 年、8 8 年、9 0 年完 成了在开阔地面上孤立目标的运动物体探测、复杂环境中的多目标实时跟踪与识 别。而且美国计划研究一种成为“智能卵石 的眼睛，能远距离探测和跟踪目标。 此外发达国家开始在一些武器上安装高分辨率电视摄像机、微光电视和红外摄像 机以保证昼夜都可以提高探测和跟踪目标的概率。特别是随着太空武器竞赛狼烟 四起，已经出现了反卫星、杀伤卫星和侦察卫星等多种太空武器，在这些卫星上 大都装有视频监控系统。由于现代高技术作战的需要，尽快发展我国的智能化武 器，对保卫国防和人民生命财产的安全有着不可忽视的重要战略意义。 同时对人身财产安全要求的不断提高，促进了人们对视频监控系统的需求。 从社区和重要设施的保安监控到城市和高速公路上的交通监控，再到保密系统等 重要场所的安全监控，视频监控的应用己经深入到社会的方方面面。美国9 1 1 事 2 基丁嵌入式系统的图像跟踪技术的设计 件更使监控显得r 益迫切，而目标跟踪技术作为视频监控系统中的核心已被世界 各国列入重要研究计划。机器人技术作为2 0 世纪人类最伟大的发明之一，己经成 为制造业中不可少的核心装备。中国工程院前院长宋健指出：“机器人学的进步和 应用是2 0 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化 。智能移 动机器人是我校“2 1 1 工程建设的重点项目之一。其中视觉系统和移动机器人导 航系统是智能移动机器人的关键技术，也是目前该领域的研究热点。 目标跟踪技术作为移动机器人视觉中一个不可缺少的内容是我们研究的一个 重要课题。此外，随着互联网技术的迅猛发展，视频会议以其方便、快捷、经 济的特点越来越受到人们的重视，因此通过控制摄像机的运动来实现对与会发言 者运动的跟踪有着重要的现实意义。生物医学上，运动目标跟踪技术还可用于分 析心脏、肾、微血管的运动。 1 2 论文选题的目的及意义 机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。目前机器视觉具有非 接触性、连续性、成本效率高、灵活性及具有较宽的光谱响应范围等优点，同时 还由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计 信息以及加工控制信息集成，因此目前机器视觉也是实现计算机集成制造的基础 技术。 虽然当今的机器视觉技术还不是特别的发达，但目前机器视觉已经成为一门 内容丰富的综合性学科，它在现代工业、国防、医学、空间技术等领域都有着广 泛的运用前景。未来机器视觉不论在图像的采集设备上，还是在图像处理算法上 都将会有革命性的突破，同时机器视觉的运用将不仅仅局限于工业领域，而将渗 透到人类生活的方方面面。跟踪作为机器视觉的一个重要方面，其发展将会促进 机器视觉的发展。 1 3 本文的主要工作 本文以嵌入式系统技术中的图像处理应用为例，详细讨论了嵌入式系统的开 发方法，l i n u x 操作系统的移植以及l i n u x 操作系统下的软件设计方法，全面地介 绍了目前国内外有关的研究现状。还介绍了在嵌入式平台下采用数字图像处理的 方法来完成目标跟踪的功能。 本文按如下方式组织： 第二章，嵌入式图像处理系统的硬件平台。第三章，嵌入式l i n u x 及其应用 程序开发。介绍了l i n u x 在硬件平台上的移植以及嵌入式l i n u x 下应用程序的开 第一章绪论 3 发。第四章，数字图像的采集与显示。介绍了在嵌入式l i n u x 操作系统下如何进 行数字图像的采集及显示，并将采集到的数据转存为计算机文件供后续工作使 用。第五章，数字图像处理技术及运动目标跟踪。第六章，总结与改进思路。 第二章嵌入式视觉处理系统硬件平台5 第二章嵌入式视觉处理系统硬件平台 通用视觉系统可以分为图像输入( 获取) 、图像处理、图像理解和图像输出几个 部分，如图2 1 所示。实际的系统可以根据不同的情况选择其中的若干部件。 图 像 输 个 i i i 丫 i i 昌 像 输 出 图2 1 通用视觉系统的组成 嵌入式视觉处理系统一般进行比较简单的视觉处理任务，往往是通用视觉系 统的简化。本文采用的图像处理系统主要包括图像获取模块，图像预处理模块， 图像分析和处理模块，图像信息输出模块和图像存储模块。视觉处理系统结构原 理图如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式图像处理系统结构图 6 基于嵌入式系统的图像跟踪技术的设计 2 1 嵌入式处理器介绍【1 8 】 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产不同型号的芯片。目前使用较广的几种嵌入式处理器有： p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器种类很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方 面。 x 8 6 x 8 6 起源与i n t e l 架构的8 0 8 0 ，在发展初为2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 。知道现在的 p e n t u i m 4 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是 第一款主流的处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可以 保证兼容性，但是同时也限制了c p u 性能的提高。 a r m a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司一直以i p 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入 芯片的生产销售，加上其设计的芯片内核具有功耗低，成本低等显著优点，因此 获得众多的半导体厂家和整机厂家的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨 大的成功，目前已经占有了7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场。 由于本文主要论述基于a r m 核处理器架构的视觉处理平台，因此主要以对 a r m 处理器的介绍为主。 2 1 1 $ 3 c 2 4 1 0 处理介绍 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，采用 0 1 8 u m 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和 1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路 u a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o 口，r t c ，8 路1 0 位a d c ，t o u c h s c r e e n 接口，i i c - b u s 接口，i i s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。 核心板的尺寸仅相当于名片的2 3 大小，尺寸如此小巧的嵌入式核心板是国 内首创。开发商可以充分发挥想象力，设计制造出小体积，高性能的嵌入式应用 产品。 第二章嵌入式视觉处理系统硬件平台 7 ( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 芯片集成了大量的功能单元，包括： 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部i 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h e ，1 6 k b 指令 c a c h e ，m m u 。 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 l c d 控制器，一个专门用于l c d 显示的d m a 。 4 个带外部请求线的d m a 。 3 个通用异步串行端口( i r d a l 0 ，1 6 - b y t et xf i f oa n d1 6 一b y t er x f i f o ) ，2 通道s p i 。 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器。 s d 主接口版本1 o 和多媒体卡协议版本2 1 l 兼容。 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 4 个p w m 定时器和一个内部定时器。 看门狗定时器。 11 7 个通用i o 。 5 6 个中断源。 2 4 个外部中断。 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口。 带日历功能的实时时钟。 芯片内置p l l 。 设计用于手持设备和通用嵌入式系统。 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集。 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 。 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了对 主存储器带宽和性能的影响。 a r m 9 2 0 tc p u 核支持a r m 调试的体系结构。 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b _ a p b ) 。 ( 2 ) 系统管理 小端大端支持。 地址空间：每个b a n k l 2 8 m b ( 全部为1 g b ) 。 每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线。 b a n k 0 到b a n k 6 为固定起始地址。 b a n k 7 可编程b a n k 起始地址和大小。 一共8 个存储器b a n k 。 前6 个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 和其它。 8 基丁嵌入式系统的图像跟踪技术的设计 两个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 、和s d r a m ( 同步随机存储器) 。 支持等待信号用以扩展总线周期。 支持s d r a m 掉电模式下的自刷新。 支持不同类型的r o m 用于启动( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 和其它) 。 由于$ 3 c 2 4 1 0 具有强大的处理能力，可以满足实时视觉跟踪系统的需要，故 选用$ 3 c 2 4 1 0 完成图像核心处理的功能。 2 1 2 图像处理系统硬件设计 图像处理系统的硬件平台式整个系统赖以生存的基础，他的设计合理性直接 关系着整个嵌入式图像系统的成败。本文采用的硬件系统原理框图如图2 3 所 示。 其中，摄像头是图像的输入部分，这里采用的是u s b 摄像头。l t v 3 5 0 0q v 是图像的显示部分，采用6 5 5 3 6 色t f t 液晶显示屏。f l a s h 存贮器用于固化程 序，主要包括操作系统以及图形用户界面以及图像的算法程序。s d r a m 用于系 统运行时程序的存取。r s 2 3 2 主要用于l i n u x 的宿主机开发。在本节之后将详细 说明各部分。 图2 3 硬件平台结构框图 2 2 图像输入模块 图像输入模块作为整个系统的双眼，它的好坏和功能的强弱直接影响后续图 像处理的复杂程度。本文选取w e b e y e 2 0 0 0 作为图像输入模块主要有以下几点原 因： 第二章嵌入式视觉处理系统硬件平台9 w e b e y e 2 0 0 0 可以满足系统的需求，是比较成熟的产品，稳定和可靠性有 足够的保证。价格比较便宜。 $ 3 c 2 4 1 0 有u s b 控制器，可以在硬件上和w e b e y e 2 0 0 0 直接相连，只需 完成软件的开发，就可以完成图像的采集。大大简化了系统的复杂度。 本文采用嵌入式l i n u x 系统作为整个系统的软件平台，l i n u x 系统包含 w e b e y e 的驱动芯片o v 5 1l 的驱动，可以在很大程度上简化系统软件开发的任务。 w e b e y e2 0 0 0 和$ 3 c 2 4 1 0 通过u s b 直接相连，三星公司$ 3 c 2 4 1 0 的a r m 9 2 0 t 处理器内部集成一个u s bh o s t 设备以及一个d e v i c e 设备，符合u s b l 1 协议。 利用h o s t 口可直接连接u 盘等移动存储设备，同时可作为主控制器操作各种 u s b 设备。本系统在设计时利用其h o s t 端口连接u s b 摄像头，实现系统的现场 图像采集，选用的摄像头为普通商业c m o s 摄像头，利用u s b 获得视频信息，经 过处理后在显示设备上进行动态重现。本系统中u s bh o s t 和u s bd e v i c e 接口 由2 4 1 0c p u 直接驱动，h o s t 口带有自恢复保险。u s b 主从设备的电路图如图 2 4 所示。 图2 4 $ 3 c 2 4 1 0u s b 结构原理图 2 3 图像显示和用户交互模块 2 3 1l c d 用户显示模块1 5 l l c d 选用l t v 3 5 0 0 _ q v 模块，$ 3 c 2 4 1 0 只需提供电源，信号和控制型号即 可。$ 3 c 2 4 1 0 和l t v 3 5 0 0 - q v 的接口如图2 5 所示。 1 0 基于嵌入式系统的图像跟踪技术的设计 2 3 2 用户交互模块【1 5 1 图2 5s 3 c 2 4 1 0 和l t v 3 5 0 0 _ q v 的接口框图 用户交互模块主要有通过u s b 鼠标和触摸屏进行，由于u s b 进行图像的获 取，用户的交互主要通过触摸屏实现。这里首先介绍所使用的触摸屏驱动芯片 a d s 7 8 4 3 。a d s 7 8 4 3 是香港b u r r b r o w n 公司出的一款1 2 位a d 转换芯片。它适 合用在4 线制触摸屏，它通过标准s p i 协议和c p u 通信，操作简单，精度高，当 触摸屏被按下时( 即有触摸事件发生) 则a d s 7 8 4 3 向c p u 发中断请求，c p u 接 到请求后，应延时一下再响应其请求，目的是为了消除抖动使得采样更准确。 a d s 7 8 4 3 的工作电压在2 7 5 v ，参考电压v r e f 在i 一v c c 之间，它带有独特的在 线低阻开关，它允许由未选中的输入通道为外部线路提供电源和地，靠这样的输 入结构和参考电压设定，它可以极大的消除内部开发电阻带来的转换误差，而这 种误差是这类转换器的主要误差来源。其参考电压可设置为两种模式：s e r ( s i n g l e e n d e dr e f e r e n c e ) 模式和d f r ( d i f f e r e m i a lr e f e r e n c e ) 模式。s e r 模式需 要低噪声、低波动的稳定电源，转换器内x + ，x 和y + ，y 的低阻开关对转换精 度有一定影响。d f r 模式不管内部开关电阻如何变化，其转换结果总是与外部电 阻成比例，它完全克服了内部开关的影响，但是当转换器的转换频率很高时增加 了功耗。图2 6 是a d s 7 8 4 3 与l c d 的连接图。 第二章嵌入式视觉处理系统硬什平台 图2 6 触摸屏驱动芯片a d s 7 8 4 3 与l c d 的连接图 2 4 本章总结 本章介绍了通用机器视觉处理平台的架构和嵌入式处理平台的结构。并对运 动目标跟踪需要使用到的模块进行了详细的介绍，为下面应用程序的开发和驱动 程序的开发打下良好的基础。 第三章嵌入式l i n u x 及其应用程序开发 1 3 第三章嵌入式l i n u x 及其应用程序开发 数字图像处理目前得到了越来越广泛的应用，其应用场合几乎遍及国民生活 的各个领域，己成为2 1 世纪信息时代的- i - 重要的高新科学技术，而嵌入式系统 又是面向用户、面向产品、面向应用的。因此，在嵌入式系统上进行数字图像处 理，不仅仅是要完成图像的处理工作，还要同时考虑到不同的应用场合，系统将 会面临多个任务及其调度，多种资源及其管理，而这些依靠算法程序是远远不够 的。因此在软件的开发工作中，就很有必要引入嵌入式操作系统。 什么是嵌入式操作系统? 嵌入式操作系统就是在嵌入式系统中运行的一种系 统软件。它能够以尽量有效合理的方式组织和管理系统的软硬件资源，合理的控 制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使整个系统高效地运行。在这里，我 们所采用的是近年来嵌入式操作系统的一个新热点l i n u ) 【( 版本为2 6 1 4 ) ，本 章从实时操作系统的基本概念开始，详细讲解在基于$ 3 c 2 4 1 0 的硬件平台上移植 l i n u x 的过程，并且对嵌入式l i n u x 下的程序开发进行了说明。 3 1 嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种用途广泛的系统软 件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全部软、 硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特 征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比 较成功的e o s 产品系列。随着i n t e m e t 技术的发展、信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌 入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用 性等方面具有较为突出的特点。e o s 是相对于一般操作系统而方的，它除具备了 一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等 外，还有以下特点： 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供 t c p u d p i p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留 接口。 1 4 基丁嵌入式系统的图像跟踪技术的设计 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干 预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口 一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入 式系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式 操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有4 0 种左右。现在，市场上非常流行 的e o s 产品，包括3 c o r n 公司下属子公司的p a l mo s ，全球占有份额达5 0 ， m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 不过2 9 。在美国市场，p a l mo s 更以8 0 的占有 率远超w i n d o w sc e 。开源的l i n u x 很适于做信息家电的开发。比如：中科红旗软 件技术有限公司开发的红旗嵌入式l i n u x 和美商网虎公司开发的基于x l i n u x 的嵌 入式操作系统“夸克。“夸克 是目前全世界最小的l i n u x ，它有两具很突出的 特点，就是体积小和使用g c s 编码。 3 2 常见嵌入式操作系统介绍 3 2 1p a l mo s p a l m 是3 c o m 公司的产品，其操作系统为p a l mo s 。p a l mo s 是一种3 2 位的 嵌入式操作系统。p a l m 提供了串行通信接口和红外线传输接口，利用它可以方便 地与其它外部设备通信、传输数据；拥有开放的o s 应用程序接口，开发商可根 据需要自行开发所需的应用程序。p a l mo s 是一套具有术强开放性的系统，现在 有大约数千种专用为p a l mo s 编写的应用程序，从程序内容上看，小到个人管 理、游戏，大到行业解决方案，p a l mo s 无所不包。在丰富的软件支持下，基于 p a l mo s 的掌上电脑功能得以不断扩展。 p a l mo s 是一套专门为掌上电脑开发的o s 。在编写程序时，p a l mo s 充分考 虑了掌上电脑内存相对较小的情况，因此它只占有非常小的内存。由于基于p a l m o s 编写的应用程序占用的空间也非常小( 通常只有几十k b ) ，所以，基于p a l m o s 的掌上电脑( 虽然只有几m b 的r a m ) 可以运行众多应用程序。 由于p a l m 产品的最大特点是使用简便、机体轻巧，因此决定了p a l mo s 应具 有以下特点。 操作系统的节能功能。由上掌上电脑要求使用电源尽可能小，因此在 p a l mo s 的应用程序中，如果没有事件运行，则系统设备进入半休眠( d o z e ) 的状 态；如果应用程序停止活动一段时间，则系统自动进入休眠( s l e e p ) 状态。 第三章嵌入式l i n u x 及其应用程序开发 1 5 合理的内存管理。p a l m 的存储器全部是可读写的快速r a m ，动态r a m ( d y n a m i cr a m ) 类似于p c 机上的r a m ，它为全局变量和其它不需永久保存的 数据提供临时的存储空间；存储r a m ( s t o r a g er a m ) 类似于p c 机上的硬盘，可 以永久保存应用程序和数据。 p a l mo s 的数据是以数据库( d a t a b a s e ) 的格式来存储的。数据库是由一组 记录( r e c o r d s ) 和一些数据库头信息组成的。为保证程序处理速度和存储器空间， 在处理数据的时候，p a l mo s 不是把数据从存储堆( s t o r a g eh e a p ) 拷贝到动态堆 ( d y n a m i ch e a p ) 后再进行处理，而是在存储堆中直接处理。为避免错误地调用 存储器地址，p a l mo s 规定，这一切都必须调用其内存管理器里的a p i 来实现。 3 2 2w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是 基于掌上型电脑类的电子设备操作。它是精简的w i n d o w s9 5 。w i n d o w sc e 的图 形用户界面相当出色。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消费( c o n s u m e r ) 、 通信能力( c o n n e c t i v i t y ) 和伴侣( c o m p a n i o n ) ；e 代表电子产品( e l e c t r o n i c s ) 。 与w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w sn t 不同的是，w i n d o w sc e 是所有源代码全部由微 软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽来源于w i n d o w s9 5 9 8 ，但 w i n d o w sc e 是基于w i l l 3 2a p i 重新开发的、新型的信息设备平台。w i n d o w sc e 具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 w i n d o w sc e 不仅继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且在w i n d o w sc e 平台上可 以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、使用同样 的函数、使用同样的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就 可以在w i n d o w sc e 平台上继续使用。 w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强 大，支持多种c p u 。它的设计可以满足多种设备的需要，这些设备包括了工业控 制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，还有像照相机、电话和家用娱 乐器材之类的消费产品。一个典型的基于w i n d o w sc e 的嵌入系统通常为某个特 定用途而设计，并在不联机的情况下工作。它要求所使用的操作系统体积较小， 内建有对中断的响应功能。 w i n d o w sc e 的特点有： 具有灵活的电源管理功能，包括瞬眠唤醒模式。 使用了对象存储( o b j e c ts t o r e ) 技术，包括文件系统、注册表及数据库。 它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交 叉处理同步、支持大容量堆( h e a p ) 等。 1 6 基于嵌入式系统的图像跟踪技术的设计 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接 以及拨号连接，并提供与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接，还提供与w i n d o w s 9 ) 【n t 的最佳集成和通信。 支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低 级别的i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 更好的线程响应能力。对高级别i s t ( 中断服务线程) 的响应时间上限的 要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体 时间，并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用 程序。 2 5 6 个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更 大的灵活性。 w i n d o w sc e 的a p i 是w i n 3 2a p i 的一个子集，支持近1 5 0 0 个w i n 3 2 a p i 。有了这些a p i ，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在w i n d o w sc e 系 统中，所提供的a p i 也可以随具体应用的需求而定。 3 2 3i 。i n u x l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统。它起源于芬兰一个名为l i n u st o r v a l d s 的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。l i n u x 从 1 9 9 1 年问世到现在，短短1 0 年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操 作系统，伴随网络技术进步而发展起来的l i n u xo s 已成为m i c r o s o f t 公司的d o s 和w i n d o w s9 5 9 8 的强劲对手。l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在嵌入式 系统方面大放光芒，在各种嵌入式l i n u xo s 迅速发展的状况下，l i n u xo s 逐渐形 成了可与w i n d o w sc e 等e o s 进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中， 4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 现已成为嵌入式操作的理想选 择。 中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式l i n u x 正在成为许多嵌入式设 备厂商的首选。在不到一年的时间内，红旗公司先后推出了p d a 、机项盒、瘦客 户机、交换机用的嵌入式l i n u x 系统，并且投入了实际应用。现以红旗嵌入式 l i n u x 为例来讲解嵌入式l i n u xo s 的特点： 精简的内核，性能高、稳定，多任务。 适用于不同的c p u ，支持多种体系结构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、