（信号与信息处理专业论文）基于小波图像压缩的嵌入式以太网传输系统的设计与实现.pdf

i 海人学坝l j 学位论义 摘要 本文提出一种基于小波图像压缩的嵌入式以太网图像传输系统的具体实现 方案，它主要由嵌入式系统( 包含以太网传输部分) 、图像采集模块、图像压缩 模块等部分组成。该系统采用基于小波变换的图像压缩芯片a d v 6 1 1 实现图像的 硬件压缩，以嵌入式a r m 处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 为系统的控制核心，完成对系统的初 始化设置、对外围设备的控制以及以太网数据的传输 _ 孛! 制等。 本文对嵌入式系统的b o o t t o a d e r 设计、嵌入式操作系统uc l i b u x 环境f 没 备驱动程序与应用程序的设计等方面进行了论述，详细分析了小波压缩芯片 a d v 6 l l 的驱动实现。针剥系统中a d v 6 1 1 压缩流与网络速率不匹配、网络传输速 率不高以及嵌入式l i n u x 内核实时性不佳等问题，提出了相应的解决方案： a d v 6 l i 硬件减帧压缩、软件减帧压缩；降低内存操作时间、直接使用用户缓冲 区；改进l i n u x 内核等，以使系统满足要求。 针对嵌入式l i n u x 操作系统在实时性方面的缺陷，并结合本人在工程应用中 的体会，提出了儿种改善其实时性能的方案。本文首先总结- r 影响l i n u x 实时性 能的主要因素一一关中断机制、内核非抢占机制以及调度机制等等，分析了体现 l i n u x 操作系统实时性能的时间参数，引出了调度延时的概念。文献 1 2 1 2 7 3 2 3 4 提出了采用增强内核抢占性来提高嵌入式l i n u x 操作系统的 实时性能分别采用抢占方案和低延时方案或采用两者相结合的方案，本文对 此方案作了详细的分析研究：本文采用文献 1 1 提出的可分级l in u x 调度机制的 思想，并考虑到就绪进程很多的情况下系统调度延时急增的状况，提出了一种提 高l if l u x 系统实时性能的方案以优先级分级的可运行队列表格代替原来的 i _ 1 j 运行任务队列的方案，以改进l i n u x 内核调度机制；另外，本文进一步提出了 枸抢占方案j o 低延刚方案相结合后再与调度机制改进方案相结合的方案，进一步 改善系统负载很重、就绪任务很多而导致调度延时增加的状况。最后，本文刈各 种方案进行试验测试，结果证明了抢占方案与低延时方案相结合后再与调度机制 改进方案相结合的方案对提高嵌入式l i n u x 系统实时性能的可行性。 关键词：小波嵌入式以太网嵌入式l i n u ) ( 操作系统殳时调度延时 海大学硕j 学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fe m b e d d e de t h e m e tt r a n s m i t t i n g s y s t e mb a s e do nw a v e l e ti m a g ec o m p r e s s i o ni sp r e s e n t e di nd e t a i l t h es y s t e m c o n t a i n st h r e ep a r t s ，e m b e d d e ds y s t e mi n c l u d i n ge t h e r n e tt r a n s m i s s i o n ，i m a g ec a p t u r e m o d u l ea n di m a g ec o m p r e s s i o nm o d u l e i m a g ec o m p r e s s i o nc h i pa d v 6 11b a s e do n w a v e l e tt r a n s f o r mi su s e dt oi m p l e m e n th a r d w a r ec o m p r e s s i o no fi m a g e s e m b e d d e d a r m p r o c e s s o r $ 3 c 4 5 i o bi su s e da st h ec o n t r o lu n i to f t h es y s t e m ，w h i c hp e r f o r m s s u c hf u n c t i o n sa st h ei n i t i a l i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e m ，m a n i p u l a t i o no ft h ep e r i p h e r a l e q u i p m e n t sa n dc o n t r o lo fe t h e r n e td a t at r a n s n f i s s i o n t h ed e s i g no fb o o t l o a d e ri ne m b e d d e ds y s t e ma n dt h ed e s i g no fd e v i c e d r i v e r sa n da p p l i c a t i o np r o g r a m si ne m b e d d e do s u c l i n u xa r es t u d i e dt h e i m p l e m e n t a t i o no fa d v 6 11d r i v e ri sd e e p l y a n a l y z e d i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，w e e n c o u n t e rp r o b l e m sa sn o n m a t c h i n gb e t w e e nc o m p r e s s i n gd a t as t r e a m sa n di n t e r n e t t r a n s m i s s i o nr a t e s ，s l o we t h e r n e tt r a n s m i s s i o nr a t e sa n dn o n r e a l t i m ep e r f o r m a n c eo f e m b e d d e dl i n u xo s a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e sa n dr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ， s e v e r a ls o l u t i o n sa r ep r o p o s e d ，s u c ha sd e c r e a s i n g - f l a m e sb yh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， r e d u c t i o no fm e m o r yo p e r a t i n gt i m e ，d i r e c tu s eo fu s e rb u f f e ra r e a s ，a n di m p r o v e m e n t o fl i n u xk e r n e l t oi m p r o v et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fe m b e d d e dl i n u x ，s o l u t i o n sa r ep u t f o r w a r dt od e c r e a s ed i s a d v a n t a g e sb a s e do no u re x p e r i e n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fe m b e d d e dl i n u x t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed o m i n a t i n gf a c t o r st h a th a v ea n i m p a c t o nt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fl i n u x i n c l u d i n g i n t e r r u p tm e c h a n i s m ， p r e e m p t i o nm e c h a n i s ma n ds c h e d u l i n gm e c h a n i s m t h e n ，s o m et i m ep a r a m e t e r s m a k i n ga f u l li m p a c to nr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo f l i n u xo sa r ed e s c r i b e d ，f r o mw h i c h ， t h ec o n c e p t i o no fs c h e d u l i n gd e l a yi sd e r i v e d t h er e f e r e n c et h e s e s 1 2 】【2 7 3 2 3 4 】 p u tf o r w a r das o l u t i o no fc o m b i n i n gl o w l a t e n c ys c h e m ew i t hp r e e m p t i o ns c h e m et o s o l v et h en o n - p r e e m p t i v ek e r n e l t h es o l u t i o ni ss t u d i e dd e e p l y a c c o r d i n gt ot h ei d e a o fs c a l a b l el i n u xs c h e d u l i n gp r o v i d e di nr e f e r e n c et h e s e s 1 1 a n dt h ei n c r e m e n to f s c h e d u l i n gd e l a yb r o u g h to u tb yt o om a n yr e a d yp r o c e s s e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa s o l u t i o no fr e p l a c i n gt h eo r i g i n a lr u n n i n gq u e u e sw i t ht h er u n n i n gq u e u e st a b l eb a s e d o ns c a l a b l ep r i o r i t i e st or e d u c et h ed e l a yo fs c h e d u l i n g s i n c eh e a v yl o a d sa n dm a n y r u u n i n gp r o c e s s e sw o u l dr e s u l ti na w o r s ep e r f o r m a n c e ，t h et w os o l u t i o n sa b o v ea r e c a r r i e do u tp r o p e r l yn o tn o l yt os o l v et h en o n p r e e m p t i v ep r o b l e m ，b u ta l s ot or e d u c e l 海人学坝j j 学位论文 t h e s c h e d u l i n gd e l a y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er e a l t i m e p e r f o r m a n c eo ft h e s u b s e q u e n tk e r n e li ss u p e r i o rt ot h eo r i g i n a lk e r n e la n dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so f e m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m k e y w o r d ：w a v e l e t ， e m b e d d e de t h e r n e t ，e m b e d d e dl i n u xo s ，r e a l t i m e s c h e d u l i n gd e l a y 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究：作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰1 j 过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贞献均已在论文中作_ 厂明确的说明并表示，谢意。 签名：越日 本论文使用授权说明 期埘t s 、旷 本人完全了解上海人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布沦文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：辑导师签名：盆垒兰苤 日期：一? 。v ，：c ，j - 疗 1 1 课题背景 第一章前言 在信息技术同新月异的今天，人们对图像传输的需求越来越迫切，要求越来 越高。随着数字信息技术和网络技术的发展，基于嵌入式系统的网络图像传输已 经广泛应用于工业控制、信息家电、通信技术等领域。带宽的拓宽，嵌入式系统 软、硬件的飞速发展都为图像的实时传输提供了方便。 嵌入式系统已经广泛地渗透到人们的f 常生活中，根摒美国嵌入式系统争业 杂志r t c 报道，2 l 世纪初的 j 年中，全球嵌入式系统需求量具有比p c 市场大1 0 至l 。o 倍的商机。嵌入式系统具有体积小、成本低、稳定性高、适用范围广等优 点，数字化图像传输的硬件系统已由p c 机发展到模块化的嵌入式系统。 随着以太网技术的成熟，i n t e r n e t 网络日益步入人们的生活，如何利用 i n l e r n e t 网络成为人们关注的热点。将以太网技术和嵌入式系统相结合是个 崭新的领域，人们可以利用i n t e r n e t 传输各类信息，实现对远程嵌入式系统的 信息采集和控制。据| ：i j 9 络专家预测，将来在i n t e r n e t 上传输的信息中，有7 0 来自小型嵌入式系统，因此，嵌入式系统与以太网技术的结合代表着嵌入式系统 和网络技术的真币未来。 因此，将以太网技术运用到嵌入式图像传输系统中，无论对于嵌入式技术的 应用研究还是对图像传输技术的研究开发，都具有重大的意义。本文钊对实时图 像1 # 输系统的特点，并结合嵌入式图像压缩处理系统的课题，提出了种基于小 波图像压缩的嵌入式以太网图像传输系统的解决方案，该系统可以用于对图像质 量要求较高的网络监控和视频会议等领域。 1 2 视频压缩的主要技术及发展趋势 在图像传输系统中，由于网络带宽所限，要实现视频图像的实时传输，必须 要有好的图像压缩算法对庞大的数字图像数据进行有效的压缩，因此在整个图像 传输系统中，图像压缩编码直接决定着系统接收端的图像质量和整个系统的可行 性和有效性，是整个系统中最为关键的技术之。 1 2 1 视频压缩的主要技术 图像编码技术主要分为两大类，即静止图像压缩和运动图像压缩，运动图像 压缩也称为视频压缩。 从视频压缩的历史来看，最先出现了d p c m ( 差分脉冲编码调制) ，接着是d c t 海人学坝l 学位论文 ( 离散余弦变换) 编码、矢量编码、子带小波编码、分形编码等。随着技术的 成熟，在：i s 0 ( 固际l 、准化组织) 和i t u ( 国际电信联盟) 等困际组织的协调l 、， 对图像编码的成果加以总结，相继公布了各种各样的编码国际标准。 类似j 静止图像的l 缩标准3 p e g ，视频图像压缩标准也相继出现，并被广 泛应用。按照出现的先后顺序，视频压缩标准有：应用于图像通讯系统的h 2 6 1 、 主要面向v c d 音视频数字存储的m p e g l ，面向高品质数字音视频传输与存储的 m p e g2 、面向低码率f 可视电话应用的h 2 6 3 和基于多媒体内容的m p e g 一4 。 除了m l ，e g 一4 标准之外，其他所有的编码标准都有几个共同点：第一，它 们编码的核心都是基于8 8 块的d c t 变换：第二，它们都是基于预n 变换编码 器结构；第三，它们处理的视频图像都是矩形帧形式( 如c i f 、o c i f ) 。这些共 同点造成了一些固有的缺陷和对视频处理的局限。 缺陷主要表现在，采用基于8 x 8 块的d c t 变换的编码，在中高比特率卜表 现还好，但在低比特率下( 低于2 5 6 k b p s ) 会出现“方块效应”，使得视觉效果 小理想。 因此，需要寻找。种呵以替代d c t 变换的新方法。近几年的研究很大部分 是围绕小波变换展丌的，小波变换没有将图像分块变换，它是针对整幅图像进行 变换，因此不会产生方块效应。 1 2 2 小波变换编码的优点 相对于d c t 变换，小波变换更适合于进行图像处理。从本质上讲，绝大多数 的图像信源都是高度非平稳的，并不能很好地使用高斯过程来刻画，并且图像中 的一些突变结构( 例如边缘信息) 远比图像平稳区域重要，使用余弦基作图像信 号的非线性逼近，其结果并不是最优的。而小波变换本身就是针对分析非平稳信 号而产生的，作为一种时频分解，其内在的多分辨率特性使之完全可以反映图像 在特定的字问范围和特定的频率范围内的信息。 总结以e 情况，相比于d c t 变换，小波变换在图像视频编码领域具有以下 的优点： ( 1 ) 小波变换具有熵保持特性，能有效地改变图像能量的分布且保持原有的 信息。 ( 2 ) 小波变换具有能量压缩特性，可以将能量集中于低频子带。 ( 3 ) 子带内的小波系数具有聚类特性，子带间的小波系数具有相似性，有利 f 获得很高的编码增益。 ( 4 ) 作用于整幅图像的小波变换，消除了图像的全局相关性，同时避免了力 块效应的产生。 ( 5 ) 内在的多尺度多分辨率特性，有利于产生渐进的具有伸缩性的图像编 l 海人学颀i 学位论文 ( 离散余弦变换) 编码、矢量编码、子带小波编码、分形编码等。随着技术的 成熟n ，1s ot 幽际杯准化组织) 和i t l ( 国际电信联盟) 等幽际组织晌- 调f ， 对图像编码的成果加以总结，相继公向了各种各样的编码国际标准。 类似j 静止幽像的l k 缩标准j p e g ，视频剀像压缩标准也相继出现，笋破广 泛府用。按照出现的先后顺序，视频压缩标准有：廊用于图像通讯系统的h2 6 i 、 主要面向v c d 音丰见频数字存储的m p e g 一1 面向高品质数字音视频传输与存储的 m p e g 一2 、面向低码率下可视电话应用的h 2 6 3 和基于多媒体内容的m p e g4 。 除了m p e g 一4 标准之外，其他所有的编码标准都有几个共同点。1 ：第，它 们编码的核心都是基于8 8 块的d c t 变换：第二，它们都是基于预n 变换编码 器结构；第三它们处理的视频图像都是矩形帧形式( 如c l f 、q c i f ) 。这些共 同点造成了些固有的缺陷和对视频处理的局限。 缺陷主要表现在，采用基于8 x 8 块的d c t 变换的编码，在中高比特率卜表 现还好，但在低比特率下( 低于2 5 6 k b p s ) 会出现“方块效应”，使得视觉效果 小理想。 囡此，需要寻找种可以替代d c t 变换的新方法。近几年的研究很大一部分 是酮绕小波变换展开的，小波变换没有将罔像分块变换，它是针对整幅图像进行 变换，凼此不会产生方块效应。 1 2 2 小波变换编码的优点 相对于d c t 变换，小波变换更遁台于进行图像处理。从本质上讲，绝大多数 的图像信源都足高度非平稳的，并不能很好地使用高斯过程来刻厕，并且图像巾 的一些突变结构( 例如边缘信息) 远比醋像平稳区域重要，使用余弦犟作i 鍪| 豫信 号的非线- 件逼近，其结果并不是最优的。而小波变换本身就是针对分析非平稳信 弓而产生的，作为种时频分解，其内在的多分辨率特性使之完全可蚍反映图像 舟特定的字i hj 范围和特定的频率范围内的信息。 总结以上情况，相比fd c t 变换，小波变换在图像视频编码领域具育以r 的优点： ( 1 ) 小波变换具有熵保持特性，能有效地改变图像能量的分布且保持原有的 信息。 心) 小波变换具有能量压缩特性，可以将能量集中于低频子带。 ( 3 ) 子带内的小波系数具有聚类特性，子带间的小波系数具有相似性，有利 f 获得很高的编码增益。 ：t ) 作用于警幅图像的小波变换，消除了图像的伞局相关性，同叫避免了方 块效应的产生。 ( 5 ) 内在的多尺度多分辨率特性，有利于产生渐进的具有伸缩性的图像编 i 5 ) 内存的多尺度多分辨率特性，有利于产生渐进的具有伸缩性的图像编 l 谪大学硕士学位论史 码码流。 1 2 3 视频编码技术的发展趋势 目前，m p e g 标准算法在全世界范围得到广泛的应用，并取得了显著的效果。 虽然m p e g 采用了运动补偿和d c t 编码的算法，决定了其自身存在固有的缺陷， 但是m p e g 经过了多年的发展和实践，其中的各个细节与各项技术已经相当完善， 比如采用高效的运动补偿和内插技术，抵消了一些小足之处，这也是为什么目i u 要找到比m p e g 更好的算法的难点所在。 但是，这不足以晚明视频压缩技术已经发展到最高水平，国际标准的公夼， 并不标志图像编码算法研究的终结。实际上，图像编码算法的研究一直在进行中。 图像编码技术的研究主要分为两个方向，一是新算法的研究，目的是发现更有效 的编码技术和为下一代标准的制定提供依据；另一个方向是进一步完善现有算 法，改善其缺陷。小波变换在视频压缩中的研究就属于第一种，小波视频压缩可 以有效的消除m p e g 算法中固有的“方块效应”。 目前，小波变换在图像编码应用中已经取得了很大的成功，并纳入了 j p e g 2 0 0 0 标准中。早在9 0 年代术，美国a d 公司就将小波变换技术运用到实际 的视频压缩中，并研制成功基于小波变换的视频压缩芯片，如a 1 ) v 6 0 1 、 a d v 6 1 1 a d v 6 1 2 等，该芯片不但可以实现大压缩比的图像压缩，而且去除了“方 块效应”。最近，该公司宣布研制成功业界最早的基于j p e g 2 0 0 0 标准的图像压缩 芯片a d v 2 0 2 ，并成功的将小波技术应用到此芯片中。 1 3 基于小波图像压缩嵌入式以太网传输的主要关键技术 1 3 1 系统设计方案的选定 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 i 嵌入式以太网图像压缩传输系统从压缩方式来看，一般可以分为软件压缩和 硬件压缩两种方案。 软件压缩方案主要是利用d s p 提供的强大的计算能力束实现图像的压缩编 码，这种方案的好处是软件升级方便。 硬件爪缩方案则利用了专用a s i c ( 专用集成电路) 图像芯片束完成图像的 压缩编码，采用这种方案给系统的软硬件设计带来方便，压缩过程完伞是透明的， 无需用户干预。本章第一节提到的基于小波变换的图像压缩芯片a d v 6 1 1 a d v 6 1 2 就属于这种芯片，它采用了先进的小波技术，大大提高了图像压缩比和图像质量。 下面介绍这两种方案具体实现的优缺点，并从中确定本系统所采用的方案。 1 基于d s p 的嵌入式以太网图像压缩传输系统 卜拇人学坝t 。学位论文 基rd s p 的嵌入式以太网图像压缩传输系统利用d s p 的强人运算能力来实现 图像编码，完全采用软件实现图像的编码，有利于方案的升级，图1 1 是实现该 力案的种结构框图。从图中可以看出，a d 变换后输出的数字图像信号在时序 与逻辑控制电路的配合下输入到视频压缩编码d s p 中，在d s p 中完成图像的压缩 与编码。 时序和控制逻辑电路是为了协调a d 视频解码j 卷片和图像编码d s p 之间的工 作时序而设置的，它根据视频解码芯片的数据输出信号和同步输出信号产生符合 d s p 要求的总线接口时序，以实现d s p 对图像数据的实时存储与处理。 d s p 控制器的作用就是在图像压缩d s p 完成一帧图像的压缩后，按照t c p 】p 协议把图像数据封装成t c p i p 力、议包。由于这种方案有专门的芯片完成图像的 压缩编码工作，d s p 控制器的工作量大大减少，主要完成协议处理，将数据传送 到以太阀上。由于d s p 一般不提供网络接口与网络控制芯片相连，这里选用了 块c p l d ，c p l d 通过d s p 地址线译码，控制以太网芯片的片选并提供以太刚接u 部分的复位信号等。 图像数据存储器存储经过压缩编码后的图像数据，通信缓冲存储器则提供网 络通信用的缓冲区。d s p 提供了多种与存储器相连的接口，例如s r a i ，s d r a f f 等， 而且d s p 设置了d m a 管理器，能实现存储器内部的数掘之间传送而不需要d s p 的 干预，这些为图像的存储、数据包的传输提供了极大的方便。图像压缩编码d s p 扩展一片程序存储器( e e p r o m 或f l a s h ) 以方便系统的升级。 梗拟 摄慷头 时序与逻辑 控制电路 ( c p l d ) a 廊视频ll 视频压缩 解码芯片r ，1 编码d s p 程序存储 固像数据 存储器 d 1 器筹 l 坠奎!，一1 制芯片i 幽l1 基丁d s p 的嵌入式图像压缩传输系统 采用d s p 的视频压缩传输系统实现压缩编码的方法要比采用a s i c 芯片的方 法灵活性大，产品升级或算法更改方便，只需要下载新的程序代码就可以实现。 但是该方案也有缺点： 硬件方面，需要在电路上增加时序和控制逻辑电路( c p l d ) 和压缩编码d s i ， 为实现以太网传输也需增加一块c p l d ，用于提供网络控制芯片的片选和地址译 蠡g | 日一隅愁 f ：海大学颤卜学位论文 码。另外，山于该电路工作频率非常高，在电路板布线时需要考虑的方面也很多， 一般需要至少4 层电路板刊能满足要求。 软件j ：j 丽，山j 要自己丌发编码和解码的算法以及网络协议，因此盯发的周 期也比较长，而且需要较长的时间测试软件的可靠性和稳定性，效果比使用硬件 压缩的方法要筹。 2 基于a s i c 与嵌入式处理器的嵌入式以太网图像压缩传输系统 图像a s i c 芯片种类很多，有基于j p e g 编码的a s i c ，也有基丁m p e g 编码的 压缩编码芯片，也有基于小波压缩的编码芯片等。它们构成的系统结构有共同的 特点，图1 2 是基于a s i c 压缩编码芯片的嵌入式以太网图像压缩传输系统的结 构框图。 i _ a1 2 基ra s i c 剀像压缩芯片的嵌入式以太网幽像压缩传输系统结构框幽 比较基于d s p 图像压缩的方案与a s i c 图像压缩的方案，他们的主要差别在 于图像压缩模块和视频同步接口电路，前者采用了通用高性能d s p 实现软件压 缩，后者采用a s i c 图像压缩芯片实现图像的硬件压缩。另外a s i c 图像压缩芯片 奉身包括了视频同步信号的逻辑控制电路，这样使得视频接口电路得到了很大的 简化。有些图像压缩芯片提供了数据f i f o 接e l 用于缓存压缩过的图像数据，所 以嵌入式c p u 不需要太大的图像数据存储空削。目的，绝大多数嵌入式处理器都 支持嵌入式操作系统，而很多嵌入式操作系统都带有t c p i p 协议，因此基于嵌 入式操作系统上的系统软件丌发必将使系统软件设计的复杂度大大地简化。 鉴于系统稳定性、可靠性及简化系统软硬件设计方面的考虑，本文选择了第 一种方案，系统采用了小波图像压缩芯片a d v 6 1 1 与嵌入式a r m 处理器为核心的 处理器件来实现。 1 3 2 本系统的硬件设计方案盯盯。” 本系统采用小波图像压缩芯片a d v 6 1 1 + 嵌入式a r m 处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心 构成的嵌入式图像压缩传输系统，如图1 3 所示，该系统完成视频图像的实时采 海大学硕l 学位论文 集、压缩、存储和传输功能。 幽l3 系统硬件结构框图 厂磊乱 7 s a a 7 1 1 1 a 的作用是将模拟摄像头输出的p a l 视频信号转换成标准格式的数 字信号，它包含4 路模拟视频输入通道，通过i c 总线控制芯片司以方便的对它 实现初始化。在此过程中，s a a t l l l a 内部电路首先对输入的p a l 视频信号进行 a d 转换后产生数字色度信号和亮度信号，经过处理后的亮度信号路送剑色度 信号处理电路经过综合处理后产牛y 、u 、v 信号，在此将输出a d v 6 1 1 兼容的 c c i r 一6 5 6 ( 4 ：2 ：2 ) 格式的图像；另一路进入同步分离电路，经数字p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ，锁相环) 产生行、场同步信号。 a d v 6 11 完成图像的小波变换、量化和编码，其压缩过程受嵌入式处理器控制。 它小但具有良好的图像压缩比( 压缩比为4 ：1 的无损压缩到7 5 0 0 ：1 有损压缩) 而且具有其他压缩芯片所没有的码率调节功能。鉴于网络带宽的不确定性，数字 图像在以太网上传输，其带宽应根据网络的实际情况动态的改变。当网络比较捌 挤时，可以提高压缩比，减少数据流量；当网络带宽很宽松时，可以减少图像的 压缩比，加大数据流量，以获得更清晰的图像质量。 嵌入式a r m 处理器( 处理器为三星公司的基于a r m 7 t d m i 内核的$ 3 c 4 5 1 0 b ， 数据宽度为3 2 位，主频可达5 0 m h z ) 配备一定的外围器件，组成本系统的嵌入 式硬件开发平台。该平台采用了2 个8 m b 的s d r a m 、一个2 m b 的f l a s h 、 个以 太网控制芯片r t l 8 2 0 1 、两个串口、一个j t a g 口等，如图1 4 所示 l 以孟网控制甚片 同步动巷随 i 蚴1 ) r机存储内存 串行口 l r m 7 d m i s 拼u m $ 3 c 4 5 1 0 b ( h y ) w v 6 6 5 1 6 2 0 b l m a x 2 3 2 1 f l a s h 1j 嘲接口l( g n 2 9 l l r 3 1 0 d b ) 蚓i 4 嵌入式a r m 硬竹平台 卜海大学硕，j j 学位论文 嵌入式处理器是整个系统的控制核心，主要负责小波压缩数据的读取、压缩 比的控制、压缩数据的网络传输以及各个设备的初始化和故障处理等等。 本系统硬件设计与实现的具体方案将在第三章讨论。 1 3 3 本系统软件的设计方案 本系统软件设计最大的特色在于采用了嵌入式l i n u x 操作系统一uc l i n u x 作为软件开发平台，系统软件开发都是在此嵌入式操作系统上完成的。软件部分 的设计主要包括嵌入式a r m 平台b o o t l o a d e r 的设计、c 1 i n u x 操作系统在嵌入 式平台上的移植以及本系统uc 1 i n u x 下设备驱动程序和应用程序的开发。 图1 5 给出了本系统软件开发的具体流程。 ， 图i 5 系统软件开发流程 论文第四章将对这部分作具体讨论。 i 3 4 嵌入式l i n u x 实时性能改进策略的研究儿”儿” 嵌入式系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性要求严格，而嵌入 式操作系统一般就装在容量有限的存储器( r o m 或f l a s h ) 中。嵌入式操作系统 最大的特点在于对实时性的要求。鉴于工程应用中，嵌入式l i n u x 操作系统在实 时性应用方面的不足，结合本文在工程应用中遇到的问题，本文对嵌入式l i n u x 操作系统的实时性能进行分析，并提出了提高其实时性能的改进策略，以此作为 本文理论研究的重点。 本文理论研究的思想方法是，参考当前主流的提高l i n u x 操作系统实时性能 海人学硕l 学位论文 的解决方案，以此分析比较，并加以利用，然后提出本文的嵌入式l i n u x 实时性 能解决方案。 首先，本文对当日“l i n u x 的实时性能进行分析，提出了影日向l i n u x 实时性能 的主要因素：1 ) l i n u x 关中断的机制使得高优先级任务得不到及时响应；2 ) m x 内核非抢占性特性：3 ) l i n u x 进程调度策略不能保证实时进程按时完成， 等等。 然后，本文论述了体现l i n u x 操作系统实时性能状况的时间参数：任务响应 时间，它包括四个时间参数，即中断延时、中断处理时间、调度延时和e 下文切 换时间。其中，调度延时占据了任务响应时问的绝大部分比例，因而是本文研究 的重点。 目前主流的改善l i n u x 内核实时性的方法可分为两种：一是l i n u x 内核的外 部实时扩展，也即双内核机制，就是在原来内核的基础上再添加一个用于专门处 理实时进程的内核，如r t a i ，r t l i n u x 等；二是l i n u x 内核的内部改造，就是在 原来内核的基础上，钊对影h 向h i n u x 实时性能的几个方面进行修改。 本文主要讨论了在原有l in u x 内核基础上进行内部改造提高其实时性能的 方法，县体方案是：1 ) 增强l i n u x 内核的抢占性，采用将抢占方案和低延时方 案相结合的方法来改善l i n u x 内核的非抢占机制：2 ) 改进l i n u x 的稠度机制， 提出了改进其进程调度的算法，主要是以优先级分绒的叮运行队列表格代替原来 的可运行任务队列的方案改进l i n u x 内核的调度机制；3 ) 上述两种方案相结合， 使【。j n u x 在高负载条件下，其实时性能发挥更佳效果。 最后，本文对各种方案的实施效果做了试验分析，并给出分析结果。 1 4 本论文的主要研究工作及章节安排 1 4 1 主要工作 本文在工程上主要实现了一个基于小波图像压缩的嵌入式以太网传输系统， 在此基础l ，因理论研究的需要，就如何改善嵌入式k i n u x 操作系统的实时性能 作了理论上的探讨和研究。 本文的丰要贡献： 1 ) 从工程上实现了基于小波图像压缩的嵌入式以太网传输系统的硬件系 统。该系统将由模拟摄像头采集到的模拟视频数据经过数字化送到 a d f 6 l 中，由其压缩成适合在i n t e r n e t h 传输的图像数据，最后把压缩 数据通过以太网口传输出去。该系统支持p a l 和n t s c 制的模拟视频输入， 数字化后的视频数据符合c c i r 一6 5 6 标准，压缩后的图像数据可以达到数 目k b p s 的比特率传输，支持2 场秒到6 0 场秒的场率调整。该系统解 海人学坝 。学位论文 决了数字图像通信中的信源压缩问题，在保证一定的图像质量的前提下， 使压缩后的图像数据满足因特网传输的要求。 2 ) 本系统中软件结构的最大特色在于嵌入式l i n u x 操作系统一u c if l u x 的采 用，由此而带来的工程上的相关设计，即嵌入式l i1 7 u x 操作系统上a d v 6 设备驱动程序设计及各处理芯片应用程序设计。操作系统的采用使系统 软件各部分分工明确，协调工作，但也从一定程度上消耗了系统的资源， 着眼于本系统的特点，在软件设计中，采用多种设计技巧：针对a d v 6 l l 压缩流和网络速率不匹配的问题，提出了如下解决方案，即a d v 6 1 1 量化 控制系数的合理配置、硬件减帧压缩、软件减帧压缩；针对如何提高网 络传输速度，提出了降低内存操作时问、直接使用用j 1 缓冲区等力案： 针对嵌入式l i n u x 内核实时性不佳，提出了改造l i n u x 内核的方案。 3 ) 在实践应用的基础上，嵌入式l i n u x 操作系统实时性能的研究是本文理 沦研究的重点。文献 1 2 2 7 3 2 3 4 提出了增强内核抢。忖来提【f 汉 入式l i n u x 操作系统实时性能分别采用抢占方案和低延时方案或采 用两种方案相结合的方案，本文对此方案作了详细的分析研究：本文采 用文献 1 1 提出的可分级l if l u x 调度机制的思想，在此基础上考虑到就 绪进程很多情况下系统调度延时急增的状况，提出了一种提高l i n u x 系 统实时性能的方案以优先级分级的可运行队列表格代替原来的可运 行任务队列的方案改进l i n u x 内核的调度机制；论文进步提出了将抢 占方案与低延时方案相结合后再与调度机制改进方案相结合的方案，进 。步改善系统负载很重、就绪任务很多而导致调度延时增加的状况。论 文并对各种方案进行试验测试，测试结果证明了抢占方案与低延时方案 纬合后与再调度机制改进方案相结合的方案对提高嵌入式l ji t l x 系统实 时性能的可行性。 1 4 2 章节安排 第一章为前言，介绍了当前视频压缩的主要技术，引出小波变换，并概 述了本论文所涉及到的主要技术及主要研究工作。 第二章，介绍了小波变换在图像压缩中的应用，并研究了a d v 6 l l 中所 涉及到的小波变换技术。 第三章，系统硬件的设计。它主要由嵌入式系统( 包含以太阚传输部分) 、 图像采集模块、图像压缩模块等部分组成。 第四章，系统的软件实现部分，论述了嵌入式a r m 平台b o o t i ，( ) a d 隙设 汁、本系统嵌入式l i n u x 下设备驱动程序和应用程序设计，详细分析r 嵌入 式l i 【1 u xp 如何编写驱动程序的问题，并实现了小波图像挑缩芯片t ! i d v 6 ll 海人学坝| 。学位论史 的驱动设计。鉴于系统硬件与软件的特殊性，就系统设计中遇到的问题作了 工程卜的探讨，并给出了一套切实可行的方案：就a d v 6 1 1 压缩流与网络速 率不匹配、网络传输速率不高以及嵌入式l i n u x 内核实时性不佳等问题，提 山了相应的解决方案：a d v 6 1 l 硬件减帧压缩、软件减帧压缩；降低内存操作 时间、直接使用用户缓冲区；改进l i n u x 内核，以使系统满足要求。 第血章，作为本论文理论研究的重点，结合前面嵌入式l i n u x 操作系统 在工程应用中的体会，针对嵌入式l i n u x 在实时性方面的缺陷，从理论角度 总结了影响l i f l u x 实时性能的主要因素关中断机制、内核非抢占机制以 及惆度机制，等等，分析了体现l i n u x 操作系统实时性能的时间参数，引出 了调度延时的概念。文献 1 2 2 7 3 2 3 4 提出了增强内核抢占性来提高嵌 入式i u x 操作系统实时性能分别采用抢占方案和低延时方案或采用两 种方案相结合的方案，本文对此方案作了详细的分析研究：本文采用文献 1 1j 提出的可分级l jn u x 调度机制的思想，在此基础上考虑到就绪进程很多情况 下系统调度延时急增的状况，提出了种提高i ，i n k l x 系统实时性能的方案一 以优先级分级的可运行队列表格代替原来的可运行任务队列的方案改进 l i f l u x 内核的调度机制；论文进一步提出了将抢占方案与低延时方案相结合 后再与调度机制改进方案相结合的方案，进一步改善系统负载很重、就绪任 务很多而导致调度延时增加的状况。论文还具体分析了针对l i n u x 系统的实 时性测试方法，并对各种方案进行试验测试，测试结果证明了抢占方案与低 延时方案相结合后再与调度机制改进方案相结合的方案对提高嵌入式l i n u x 系统实时性能的可行性。 第六章，本论文的总结与展望。 卜坶人学坷! ，f 学位论史 第二章小波变换 作为多个学科共同研究的结果，小波分析理论以其在信号分析中所表现出来 的优良特性，成为学术界和工程界多个学科和领域中强有力的研究i 具。 小波分析弥补了傅盘叶分析的不足。在经典的信号分析中，傅立叶变换兀法 同时得到信号的时域和频域特性，而小波变换采用可变的时一频窗口可以对信号 进行局部性分析，其特性优于傅立叶分析。由于小波分析在时域和频域同时具有 良好的局部化性质，而且可以对高频成分采用逐渐精细的时域和频域取样步长， 可以“聚焦”到剥象的任意细节，从而被誉为“数学显微镜”。 2 1 小波和小波分析 同傅立叶变换相同，小波分析的基本思想也是用一组函数去表示或逼近原信 号函数，这一函数族称为小波( 基函数) ，它是通过一个从基本小波函数的不同 尺度的平移和伸缩构成。对小波的定义如下： 定义l ：发0 ( r ) ) 魁个i 叮测的、平方可积的。维矢量函数跏u ，j 为史数 集。小波是由满足f 、y ( z ) d x = 0 的函数y ( x ) 通过平移和缩放而产生的一个函数簇 p 。 ) ： i f f a ( x ) = 【珂p ( 竺旦) ，日，r ，日(211),b b0 杪，。( x ) 称为分析小波或连续小波，当且仅当母小波函数缈( x ) 的傅立叶变换( x ) 满足以下可容性条件： c ，= + 畔d w co 。( 21 2 ) 这单称a 为伸缩因子，b 为平移因子。由上式可知，母函数( x ) 是个振荡且能 量有限的函数，在时域上快速衰减且均值为零。 定义2 ：在小波定义的基础上，定义函数f ( x ) 在上2 ( r ) 上连续小波变换如l i ： 形。( d ，6 ) = = l 口i 2 陟( x ) 妒( 兰兰) d x ( 2