（计算机应用技术专业论文）嵌入式cmos图像监视器的设计.pdf

华东师范大学顾士学位论文 摘要 摘要 视频监控技术在工农业生产、军事、医学以及安全监控等领域有着极为广泛 的应用。传统的视频监控系统是由c c d 摄像头，采集卡和计算机所组成的，一 般功能较为齐全，但体积较大，价格高。随着嵌入式系统的出现和发展，视频监 控系统朝着微型化，网络化和智能化的方向发展。嵌入式视频监视系统是由微型 摄像头、图像处理与微处理芯片和存储器等构成的一种专用电路系统，具有体积 小，功能强，接口方便等特点，可作为一个智能部件广泛使用于传感器网络和大 型监控系统中。虽然目前嵌入式视频监视系统的图像处理能力还不是很完善，但 是随着微处理器性能的改进以及快速专用图像处理芯片的出现，嵌入式视频监控 系统的应用将会越来越广泛，大有后来居上的趋势。 到目前为止，图象传感器的类型主要分为两种：电荷耦合器件( c h a r g ec 0 u p l e d e v i c e ，简称c c d ) 和互补金属氧化物半导体器件( c o m p l e m e n t a r ym e t a io x i d e s e 曲c o n d u c t o r ，简称c m o s ) 。前者分辨率高，目前主要用于扫描仪，数码相机 和数码摄象机等对分辨率要求比较高的应用设备中；后者功耗低、价格便宜，主 要用于带摄像功能的手机，各种手持设备以及视频监控系统等对分辨率要求较低 的场合。随着半导体制造工艺的发展，c m 0 s 图像传感器的分辨率已经达到了 2 0 0 万像素以上，并且还在不断发展，大有取代价格昂贵的c c d 图像传感器的 趋势。 本论文研究如何使用低成本的c m o s 图像传感器构建一个嵌入式图像监视 系统的设计和解决方案。这种图像监视器带图像采集、压缩、显示、存储，以及 对运动对象的检测等功能，体积很小，可做在块电路板上。除了可以做为单独 的监控设备之外，也可以直接做为其它应用系统的一个智能集成部件使用，比如 做为大型安全网络警戒系统，智能机器人的视觉系统的一个部件等。 本论文的叙述过程为： 首先，探讨构建嵌入式c m o s 图像监视器系统的总体设计方案； 其次，通过对几种可以得到的c m o s 图像传感器进行应用试验与比较，选 择一款合适的c m o s 图像传感器； 然后，详细叙述了系统的硬件，软件系统的设计与实现方法； 最后，对实现方案所研制的样机中的部分功能模块进行性能测试和应用前景 分析。 本论文中作者的主要贡献是： 1 给出了一个基于c m o s 图像传感器的嵌入式图像监视器系统的具体设计、 解决方案，并在此基础上做成一个可供实验使用的样机，实验表明，该方案设计 华东师范大学硕士学位论文摘要 合理，效果良好。 2 分析和总结了c m o s 图像传感器的原理、结构和特点，介绍了几种c m o s 图像传感器的实际使用方法，可以供从事图像传感器应用的专业人员参考。 3 研究在8 位微处理器上( 实验使用的是台湾义统公司的e t 4 4 m 2 l o 芯片) 构建一个可实用的u 盘( 采用f a l t l 6 文件系统) ，在附录中给出了主要程序模块。 4 研究运动对象检测算法，对本设计中用到的基于时间差分的检测方法进 行了介绍，并给出了实验结果与分析。 关键字：视频监控，c m o s 图像传感器，嵌入式系统，有机发光显示o l e d 运动对象检测，u s bm a s ss t o r a g e 协议 i i 华东簿藏走举硕士学使论文a l 播l 糟e t a b s t r a c t v i d e om o n i t o 建n g 姥e h n o l o g yi se x t e n s i v e l y 毫p p i i e d 趣盎e 螽e l d ss 毽e 瓤a si n d u s 谨y ， a g 蠢e o t 黼op o d u e t i o n ，m i l i 镪搿a n d 瑚e d i e a | s c i o 髓c o ，e t c 。强地t 糟d i t i o 朝蠢v 主o m o n i t o rs y s t e mc o n s i s t so fc c d i m a g es c n s o lv i d e oc a r da 1 1 dc o m p u t e ng e n e r a i i yi t h a sm t e 8 t e d 劬c t i o i l s ，b u ti t sb u l ki s 1 a r g ea n dm ep r i c e i sh i 曲w i t l lt h e d e v e l o p m e n ta i l da p p l i c a d o n o fe m b e d d e ds y s t e m ，v i d e om o n i t o “n gb e c o m e s m i n i a t i l r e ，i n t e l l 逗e n ta n dn e 钾r k e d 零a d u a l l y t h ee m b e d d e dv i d e om o n i t o rs y s t e m i sas p e c i 雒e 主r e 落ts y s t e me 8 鞋s i s 姆d 。f 显主壬蛙a 髓i m a 秘s e 珏s o ti m a g e p 羚e e s s 。tm u a n ds t o r 毽g ec h i p ，e t c c o m p a r e d 谢搬拄a d 矗i o n 酿v i d e om o n i t o r s y s t e m ，t h eo m b e d d e d v i d e om o n i t o rs y s t e mh a ss m a l lb l l l k ，s 订o n g 劬c t i o n s ，c o n v e n i e mi m e r f a c ea n de t c n c a nb ee x t e n s i v e l yu s e da sa i li n t e l l i g e n tc o m p o n e n ti ns e n s o rn e t w o r k ，l a r g cm o l l i t o r s y s 把ma n de t c a ss of a r ，a 1 馈o u g h 幔l ei m a g ep r o c e s so fe m b e d d e dv e d i om o 碰t o fi s ts 。e o 黻p l e t e ，b u 圭w i t l l 谯ed e v e l o p 瓤斌o fm c u sp e f f o j 圈a n e e 褫d 搬。曩p p e a r a n e e o fs c i 鑫 i m a 萨p c s se h i p ，穗ep e r 岛n 芏l a n e eo fe m b e d d c dv i d e om o 娃i t o rs y s 把mi s i m p r o v e dg r a d u a j l yi tw i l lt a k op i a c eo ft h e 仃a d i t i o l l a lv i d e om o n i t o rs y s t e mi n 也e 6 l t u r e a ss of h r ，t h e r ca r et o wk i n d so fi m a g es e n s o r s ：c h a r g ec o u p l ed e v i c e ( c c d ) 姐dc p l e m e n 纨ym e 掘l 呶i d es e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) n ef o 玎矬钟如sh 逗妇 矗i s 矗n g 鲔秘i l i 识i sm a i n l y 氆程法妇蠢e l d s 蛔奉h 逗bf 嘴酣i 勰强e n t 诹d i s l i n g u i s h 箍b i l i 移 s u e ha s s c a n n e ld 萌鲥c a m e 强d i g i t a iw 抵o na l l ds oo mn el a r h a sl o wp o w e rc o n s u m ea n d1 0 w p r i c e ，i sm 巅n l yu s e di nt h en e l d st h 纵m er e q u i r e m e n to fd i s t i n g u j s h a b i l i t yi sn o ts oh 蟾h ，s u c ha s m o b i l ep h o n e ，s o m ek i n d so f h a n d s e 协t h o s eh a v ec 柚e r a ，a n ds o m ev i d e om o n i t o rs y s t e mt h a th a s l 。w 他q u i r e m e n to f d i s t i n g u i s h a b 】i 啊w 馈l h ed e v e i o p m e n to f s e m i c o n d u e t o fm a n u f 如t u r i n t h e d i s 鞋n 弘i 酶确鞋磅o f c m o sl m 8 静s e n s 。r wc a na c 羲 e v e2 确l o 拉s i 愆l s 曲。张，黼d ，sg w i 建g a l “h es 粼孰歉h a st h e 勰d c yt 0l a ( ep l a c e 。f c e di m a g es e n s o rt h a ti se x p e n s i v e t h ep a p e rs t u d i e sas o l u t i o nt od e s j g na i l di m p l e m e n ta 1 1 。m b e d d e di m a g er n o n i t o rs y s t e m t h a lu s e sc m o si m a g es e n s o rw i t hl o wp r i c e t h i si m a 黔m o n i t o rs y s t e mc a n p e r f b r r ni m a g e g a t h e r i n 岛 m a g 罄e o m p r c s s ，d e c o m p r e s s ，i m a g es t o r a g 岛a n dm o v i n go b j e c td e t e c t i o n t h es y s t e m c 戤b e 撤p l e 攥e 蹴d no n 。c 主r c 鞋呈毫b o 嚣矗b e e 秘s e 。fl t ss m a l lb u k 。l te 8 nb 搴h s 醴罄熬 i 柏盎p e n d e n tm 。n i t o rd “i e e e 聪e 衅f o rt h 虢i ta l s oe 勰b eu s e da sa ni n t e 弼g e n tc 。m p o n e n t n s o m eo t h e ra p p l i c a t i o ns y s t e m ，s ha sl a 唱en e t 、v o r ks y s t e mo f s e c u r i t ym o n j t o r 勘dt h ev i s u a l s y s t e mo fi 柏协i j i g e n tr o b o t t h ep r o s so f d e p i c t i o ni nt h i sp a p e r ： l l i 华东师范大学硕上学位论文 a b s t r a c t f l r s t ly ，d j s c u s s e dt h et o t a is o l u t l o no fd e s l g n m ga ne m b e d d e dl m a g em o n l t o rs y s t e mu s e d c m o si m a g es e n s o n s e c o n d l y b yd o i n gs o m ee x p e r i m e m a “o no fs o m ek i n d so fc m o si m a g es e n s o r st h a tt h e a u t h o rc a ng e t ，c l o s eas u “a b i eo n et ou s e t h e n ，d e p i c t e dm ed e s i g na i l dh n p l e m e m a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo f t 1 1 es y g t e mi nd e t a i l f i n a l ly ，t e s t e dm ep a r t i a l 血n c t i o n so ft h es a m p l ed e v i c eb a s e do nt 1 es o l u t i o n s t u d i e dm 虹1 i sp 印e r ，a 1 1 dt l l e na 1 1 a l y z ei t s 印p l i c a t i o np r o s p e c t t h ea u 吐l o r sc o n 埘b m i o i l si nt t l i sp 叩e ra r c ： 1 p u tf b n v a r dap 删i c u l a rs o l 面o nt od e s 硒a n di n l p l e m e ma ne m b e d d e di h l a g e m o n i t o rs y s 把mu s e dc m o s i m a g es e n s o la 1 1 dc o m p i e t eaw o r k a b l es 跚p l ed e v i c e t h ee x p e 曲e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es o l 埘o nh a sr e a s o n a b l ed e s i 驴a n dg o o d m o n i t o re f i j c t 2 a 1 1 a l y z e da i l ds u m m 撕z e dt h ep r i n c i p l e ，s 协l c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c m o si m a g es e i l s o r t h e ni m r o d u c e dm ea p p l i c a t i o no fs o m ek i n d so fc m o si m a g e s e n s o r si ne m b e d d e ds y s t e m t h a tc a nb ear e f h e n c et om ep e o p l ew h os 七u d yt 1 1 e 印p l i c a t i o no fc m o si m a g es e n s o r 3 s t u d i e dh o wt oi m p l e m e n tau s bm a s ss t o r a g ed i s k ( u s ef a t l6 ) i na8 b i t m c u ( u s ee t 4 4 m 2 1 0o fe t o m se l e c t r o i l 主cc o r p ) ，a n dg a v em ep r o 伊锄c o d eo f 龇 m a i n 觚c t i o nb l o c k si n 也e 印p e r l d i x 4 s m d i e dt h ea r i t t l l n e t i co f m o v i n go b j e c td e t e c t i o n t h e ni n t r o d u c e dm ed e t e c t i o n a r i 1 1 n e t i cb a s e do nt e m p o r a jd i r e n c eu s e di nt h i sp a p e r ，a 1 1 dg a v em er e s u i ta 1 1 d t h ea 1 1 a l y s i so f t l l ec x p e r i m e n t k e y w o r d s ：v i d e om o n j t o r ，c m o si m a g es e n s o r ，e m b e d d e ds y s t e m ，0 r g a n i c l i g 灿e m i t t i n gd i s p l a y ( o l e d ) ，u s bm a s ss t o r a g e 学位论文独创性声明 本人所建交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取缮鲰襞突成果。撂我熙知，除文孛已经注爨萼| 用羲蠹容掺，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贾靛的令入和集体，麓已在文中乎# 了饔确说臻并表示落意。 作者签名：盔蕉望 日期：纽殛：! ：苎f 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定视构遥交论文的电 子版和纸质版。右权将学位论文用于非赢利嚣的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数搬库进 雩亍梭索。蠢权将学位论文戆标题雾藕簧汇编塞舨。保密麴学位论文在 解密后适用本规定。 学位论吝作粼：舞群零嬲：名熏 譬巅：鲨：! ：兰! 嚣繁： ! ! ：2 | 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式c m o s 图像监视器的设汁 1 1 研究背景 第一章绪论 当前，随着网络、通信技术以及电子制造工艺水平的快速发展，人们对视频 监控的要求越来越高。视频监控产品正由模拟向数字化、网络化的方向发展，在 科学研究、工农业生产、交通运输、资源的遥感探测、医疗卫生、空间探测、航 天探测等领域得到了越来越广泛的应用 “】。在这些实际的工程应用中，对系统 的信号处理速度以及可靠性有着较高的要求。目前应用的视频监控系统大多是模 拟信号系统，在视频信号处理的实时性和可靠性方面还存在着不足，对一些要求 较高的安全监控应用中存有隐患，因此，研制新一代的完全数字化的视频监控系 统就成了当务之急。超大规模集成电路和嵌入式技术的迅猛发展，为新一代嵌入 式结构的数字视频监控系统的发展提供了契机。 嵌入式结构的视频监控系统是基于特定应用场合而设计的一种完全数字化 设备，在硬件组成它能够做到最简，在系统功能相对较为单一，并且具有处理速 度快，稳定性和可靠性高的特点。此外，它的体积可以做到很小，适合于“嵌入” 到其他应用系统中作为一个独立部件使用。 1 2 视频监控系统的发展与现状 追溯最近2 0 多年来的有关文献，视频监控技术的发展主要经历以下三个阶 段：模拟视频监控技术、基于p c 的多媒体监控技术和基于w e b 服务器的远程网络 数字视频监控技术。 模拟视频监控技术：在九十年代初以前，主要是闭路电视为主要设备的模拟 监控系统，称为第一代模拟监控系统。图像信息采用视频电缆的模拟方式传输， 一般传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，监控图像一般只能在控制 中心查看p ，。j 。 基于p c 的多媒体监控技术：九十年代中期，基于p c 的多媒体监控技术随着数 字视频压缩编码技术的发展而产生。系统在远端有若干个摄像机、各种检测和报 警探头与数据设备，获取图像和其他各种信息。信息通过各自的传输线路汇接到 多媒体监控终端，然后再通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。 这类监控系统仍然采用模拟信号传送，系统整体功能较强，但稳定性不够好，结 构复杂、功耗高、维护费用高，需要有多人值守，同时，软件的开放性也不好， 传输距离受到限制1 5 t 6 j 。 华表师范丈学硕士学位论文 嵌入式c m o s 图像监视器 j 尊设计 蒸于释e 8 服务器的远程网络数警糖频监控技术：丸十年代末，薹予嵌入式# 醴 服务器技术的远程网络数字视频般控随着网络技术的发展而产生。数字视频监控 系统无时不膏，突破了模拟信号在传输距离上的限制，拦重要的是除了能够实现 多媒体信息处联如压缩、传输、存储和播放等基本功能之外，还能够实现融幼异 零报警、智能存德和抉速捡素等嘉缀功能，实理摸拟激控无法实现躲真恶意义上 戆“整控”功缝f 7 $ 】。垂予鼗字式潮终整控系统功能强大、残本低、使瘸方式灵 活，因此应用广泛，蕴含巨大商帆，受到了学术界、产业界和管理部门的漪度重 视，计算机视徽和应用研究学者也适时地提出了视觉j | 矗控的概念【9 “。 图像传感器作为视频监控系统的一个核心部件，对视频监控系统的性能、集 箴度、体积以及功耗方面有羞较大的影响。近年来，翻外在嵌入式图像传感器方 瑟舞萋秀突骞穰大戆迸震。透寒，黧蘩馋感器彝图像处懋蘩统等毫貉共嚣 薮在一壤 芯片上，构成所谓嵌入式图像传黪器。嵌入式图像传感嚣舆有可靠性高、逮艘快、 成本低、体积小、功耗低和环境适应性强等优点，可使用于各个不同场合，如自 主机器人系统 1 2 】，图像监控系统盼m 等。嵌入式视频聚集处理系统实现方法有 多种多样，有的基于嵌入式工控执，有鲍基于f p g a ，霄的基于专用或通用数字信 号楚理爨，骞翁蒸予荤冀骞毛【l 。蒸予嵌入式工控捉戆横叛采集处理系统开发容 易，僵成本较嵩，体积大，功耗离。f p g a 方式周硬传察魏图像采集稻处理，处理 速度快，但实现复杂 2 仉。采用d s p 方式时系统的处理比较灵活，但是价格相对较 贵。单片机系统由于处理速度上的原因，很难满足一热对图象处理速度要求比较 高的系统，但奠成本在各种方案中最低，对于速度要求低，分辨率低，图像处理 算法楚单豹系绫爨畜实爰傍墓。曩霆魁隧羞技零熬进步，纂片机在处理速度帮功憨 上越来越强，程嵌入式图像采集和簸理系统中将褥裂燮广泛静应蘑。 目前，视频艇控系统的市场产晶主要有两种：数字控制的模拟视频监羧和数 字视频监控。前者技术发展已经棚幽成熟，性能稳定，并在实际工程中得到了广 泛的应用，特别是在大、中型视频雌控工程中的应用尤为广泛。数字视频监控系 统是毅近溺越熬黻诗葬祝技术及图像裰频压缭技术为核心蕊耨型视频监控系统， 通常又可鼓分为鞭类：一类是鏊予愆爨缀合翁诗冀橇多媒俸工终方式兹；筠一 类是基于微处瑷器芯片的嵌入式数字监控录像方式的。滏前，视频监控系统正处 在由数控模拟系统与数字系统混台应用逐渐向全数字系统过渡的阶段，并凰随着 视频监控的数字化，使得信息可以不受距离限制地在网络上进行稳定的传输实现 视频监控的嬲络化。嚣前，赠络视频菠控技术正方兴未艾，在工厂安全麓羧，送 疗安全釜控殴疑锻零亍安全鍪控等场合应雳教多。 2 华东师范大学磷= e 学位论文 嵌入式c m o s 图像监视嚣的设计 1 3 视频监控系统的发展趋势 目前，视频监控系统公认的发展趋势有以下几点： 1 前端一体化； 2 。视频数搴健： 3 蓝攘湖终纯： 4 系统纂成化； 5 控制锻能化。 前端一体化：前端一体化是指多种技术的整合、嵌入式的硬件构架、以及不 阉探测设备的攘合输出。蓠端一体诧为系统集成化奠定了基础。 撬赣数掌纯：数字纯绩惠处璎数字诧意臻羞蘧惑浚瓣数字纯、编谒嚣缝、开 放式的协议，熬有微内核技术的蜜时多任务、多用户、分布式操作系统，以实现 抢先任务调度算法的快速响应，硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计， 系统设备的配麓具有通用性强、开放性好、系统组态鼹活、控制功能完饕、数据 处理方便、人机器西友好以及系统安装、调试和维修簿单化，系统运行互为热备 爨，骞镶可靠簿功麓。 监控网络化：网络纯视频监控累统的网络化意味麓系统的结构将由条惑式向 集散式系统发展，集散式系统采用多层分级的结构形式，将使整个网络系统硬件 和软件资源以及任务和负载得以共享，这也是系统黛成与整合的重要基础。 系统集成化：由于构建系统的各子系统均实现了嘲络化和数字化，特剐楚使 援频整控系绫与弱毫系统中葵它务予系统阉实瑰无缝逶接，扶嚣实瑰了褒绫一熬 操作平台上遴行管理和控制。 控制智能化：采用计算机为中心，通过系统软件实现控制界面的可视化，控 制环境的多媒体化，可以方便的窳现对视频切换、音频切换、镜头云台控制、报 警输入、行动输出录像的智能化控制，进而达到对事件的分析、统计、处理、实 现援颧整控瓣餐藐纯驻1 出j 。 综上赞述。随着计算祝技术及黼络援l 末的发最，褫频监控产监赛将掀怒一段 强大的数字化、网络化浪潮，视频监控最终的趋势必然是全面数字化，即视频在 前端进行数字化、网络化，利用网络进行传输，采用分布式存储系统，模块化的 结构，完成衡熊化的视频监控任务。 华东师范大学硕士举艇论文 嵌入式c m o s 图像监视瓣抟设计 l 。4 研究内容与意义 1 4 1 研究内容 本论文鹣黟 究嚣戆：搽讨一穆赣型实薅憨嵌入式c 醒蕊图缘篮粳器嚣设计方 案，并涮作一个萄供实验使露酶榉税。该蕊o s 图像篮横嚣能够实现蕊像数糖的采 集、压缩解聪缩和简单的图像处璎，同时还带有0 l e d 鼹示，存储和u s b 接网通信 等功能。针对监控的实际应用情况，可以进行基于时间麓分的运动对象检测算法 的试验。 篮飒器样辍静主要整分有：徽羧篱8 嚣，e 挞蕊图像馋獭器、显示羼，存德系统 戬及运囊对象稔溯算法等。萁审，徽楚理器主要竞戏j c 重备个硬侮模块懿控镬、协 调，以及运动对象检测算法的实溉。图像传感器主要负责完成图像数据的采集， 处理以及输出；显示屏完成对采集图像的显示，便于对监视环境的察看以及监视 点的选择；存储系统主要完成对聚集图像的存储，图像数据是以j p e g 格式文件存 德到系统内安残驰f a t l 6 文件系统中的。 率论文鹣圭簧矮究瘫骞分霹尧啜下咒个部分： 1 研究嵌入式c m o s 图像监视嚣系统的总体设计方案。 系统的总体设计主要包括硬件系统和软件系统的设计。其中，硬件系统的设 计主要包括硬件系统的结构、器件选择以及相互间的接翻设计；软件系统的设计 主要包括系统软 孛模块豹捌分，备个模块闯的相互关系以及各个模块的具体功能 戆设定等等。 2 研究e m o s 图像传感器与嵌入式微控制器的控制按瞄的设计和实现，以及嵌 入式c m o s 图像赡视器硬件具体电路的设计。 论文通过比较c m o s 与c c d 的性能，以决定采用何种图像传感器作为系统的国 像采集部件。懑过对c s 图像传感嚣的结构介绍及分析，以及对不同c m o s 图像传 惑器夔控泰l 按瓣瓣分辑，基绝交接翻搂疆缝蕊瓣一般麓撵。在藏基磁土，论文要 设计了一个买体静嵌入式e m o s 图像虢视器系统。该系统盼硬件部分主要出黼像传 感器，显示屏，f l a s h 存储器，s r a m 存储器和嵌入式微处理器等部分组成。其中 图像传感器选用美国a g i l e n t 公司生产的c m o s 图像传感嚣模组a d c m l 6 5 0 。该模组 体积小、接翻简单，并且内带一个图像处理器，可对图像进行一些简单处理茗l 】基 于j p 弱戆圈豫联缕。褒a 式擞处瑗器速藤台湾义绫公司黢一款8 霞孳片掇 e t 4 4 醚2 l o 。它内部实现了基于u s b l 1 协议斡u s b 日，并菇还带有一个2 。4 6 无线传 感器m o d e m ，可进行数据的无线传输。c m o s 图像传感器和微控制器系统各自肖不 同的工作时序。如何让图像数据的输出和采集保持一致，工作时序的控制成为关 4 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式c m o s 圉像监视器的设计 键。因此，在这部分论文主要的研究内容是c m o s 图像传感器和单片机系统的接口 技术，包括硬件接口的设计实现以及图像数据采集的软件接口的设计与实现。 3 研究图像存储的实现和管理 存储系统硬件部分是用三星公司的2 5 6 mf l a s hk 9 f 2 g 0 8 u o m 作为存储器；软 件方面主要是在系统内实现f a t l 6 文件系统，并利用e t 4 4 1 2 1 0 单片机自带的u s b 口实现了u s bm a s ss t o r a g e 协议，这样系统就具有了一个完整的u 盘功能。图 像数据可以b m p 文件格式存储到f a t l 6 文件系统中，也可以经过压缩的j p e g 文 件形式存入文件系统，这取决于系统对图像数据输出格式的设定。图像文件以数 字编号形式的文件名进行存储。当要查看监视图像数据时可将系统直接作为一个 u 盘设备与p c 进行通信，数据传输十分方便，并且速度较快( 1 2 m b p s ) 。 4 研究运动对象检测算法的实现 了解运动对象检测算法的分类，对时间差分的检测算法理论进行分析，并在 所设计的嵌入式c m o s 图像监视器系统中对该算法进行了算法实现。 5 研究图像显示以及有机发光显示屏的使用 嵌入式系统的图像显示目前一般有采用两种显示技术：l c d ( l i q u i dc w s t a l d i s p l a y ，中文名即液晶显示) 与o l e d ( o r g a t l i c l i g h t e i n i t t i n g d i s p l a y ，中文名即 有机发光显示屏) 。目前采用的l c d 多为s t n ( s u p e r t w i s t e d n e m a t i c ，即超扭曲 向列荧幕) 或者t f t ( t h i n f i l mt r a n s i s t o r ，即薄膜晶体管) 的。l c d 显示屏由于 显示技术方面的原因，在图像色彩，亮度以及视角方面都存在一定的不足。o l e d 作为一种新型的显示技术，在色彩，亮度方面有了很大的改进，并且没有传统l c d 的视角限制1 2 “。o l e d 控制接口与l c d 类似，也是由控制信号以及数据信号组成。 论文研究的是一款采用台湾义统公司的e t 5 2 1 4 1 作为驱动控制芯片的9 6 6 4 的 6 5 5 3 6 色的o l e d 。该o l e d 同时也做为论文研究的嵌入式c m o s 图像监视器的显示部 件。0 l e d 的显示包括控制接口的设计以及图像数据的显示。 1 4 2 研究意义 传统的计算机视频监控系统通常由c c d 摄像头、采集卡和计算机组成，如图 1 一l 所示。 图卜l 传统的计算机视频监控系统 华东师范大学硕士攀垃论文 嵌入式c m o s 图像监视嚣的设计 这耱缭橡酶系统由于要采掰计簿税殴及视频采豢卡来对采集的稷颓傣慧送 行处理，因此在某些应用场合中黎瓣出成本高、体积大等缺点，而嵌入式的数字 视频监控系统则可以很好的解决这问题。 数字视频监控系统不仅符合信息产业的发展趋势，而且是视频监控行业的一 个发展方向，骥藏着巨大豹商规秘缀济效蕊。垦翦，照然嵌入式系统的强豫处理 功藐还不戆宠全联代传统弱诗算凝，毽是隧羞嵌入式激怒瑾器豹逐速发鼹，葜瑟 像处理能力正程不断地提高，同时嵌入式系统具有体积小、低功耗、低成本等特 点，可以有效地克服传统的基于计弊机的监控系统的缺点。本论文所研究的嵌入 式图像传感嚣意义在于： l 。本研究提供了一种嵌入式酬0 s 匿豫监视器系绞豹设计和解决方案，该方 案凌诗瓣麓裰系统其毒数字健、体羧小、或本低、功筑较强、接墨方矮笱特点。 数字化的信芍输出，为视频信患的存储以及网络传输掇供了极大的方便。 2 对基于时间差分的运动物体检测算法进行了研究与实现，探索在嵌入式视 频监控中对运幼目标检测的一种可行方法。 3 所研制纳嵌入式c s 图像簸褪器样机可鼹作肇独的监控设备，也可做为 一令餐戆都传“嵌入”到套秘瘟瘸系筑中。热涛其琵上瓣络菠墨接上计雾壤系统， 即可构成一个簸控丽络系统，是辩穗对独立的o 蕊鄢俘。 4 论文提供的低成本、有一态功能、具有开放式接口的嵌入式c m o s 图像监 视器的样机系统，可作为产品雏形供开发人员参考。 综上，本文研究_ 手设计的嵌入式c m o s 图像监视器程实际应用方面都肖饕广 涎戆薪景。 6 垡东师范太学硕士学位诧立襄凡式c m o s 图像监褪器的设计 第二章嵌入式c m o s 图像监视器的设计 2 1 系统总体设计目标 本论文所研究的嵌入式删0 s 圈像监视器的总体设计目标为：数字化，体积小， 低功耗，低成本，能够完成图像采集、压缩、最示，存储、运动对象检测，并且 具有数据上传等功能。 考虑到实际情况，本文研究的嵌入式c m o s 图像监视器样机的图像传感器的 分辨率为1 0 万像豢，存糖容量为2 5 6 m ，存储系统为r 撼1 6 ，数据上健采用u s b l 1 接口。样桃系统采用两种监视模式：连续录象模式以及智能监测录像模式。根据 实际情况，可以选择不同的模式工作。眈如为了节雀系统电源，可以使霜智麓虢 测录像模式，即只在检测到运动物体之后才进行录像。 2 2 系统结构设计 系统绩构设计包括硬 牛结构与较傅结构两丈部分。 2 2 1 系统硬件结构 本文所设计豹系统硬l 辱结鞫象主控制器，图像传感辨模缀，o l e d 显示霹，s r 州 存储嚣，f l a s h 存储器几部分组成，系统由主控制器对各个模块进行协调和通信。 硬件系统的结构如图2 一l 所示。 按键控制 回国萄 荔鳢i i ! ! 垒翌童壁銎i u s b 口 图中，c 滟s 图像传感嚣主要功能是采集图像数据，并将数据传遴给主控制崧。 由于主控制器内部的存储空间有限，在棱收到图像原始数据之后，先暂存到系统 华东师范大学硕士学位论文嵌入式c m o s 图像监视器的设计 扩充静s r 捌中，在进行显示时，主羧翻器走获s r a 碡中鼗蹬謦像瓣蘸始数援，在经 过彩色合成之后，送到o l e d 进行图像显示。系统处于聚象状态时，将采集剿的图 像数据以文件形式存储到系统的f l a s h 中，当要进行数据上传时，通过u s b 翻与p c 机进行数据通信。 2 。2 。2 系统较锌结魏 系统有两种监视模式：连续录象模式以及智能监测模式。因为系统摄一个独 立设备，没村p c 以及相应功能软件的支持，为了对监视环境的状态能有所了解， 以便确定监视点的选择，所以系统逐必须有图像显示功能。除此之外，繁统还要 麓终为一个u 擞浚备与怒送行数箨遴信。考瘩裂上述羲孥懑，系统可麸功畿土霹以 划分为懿下几个大的功麓模块： 1 监视环境察看模块。主要究成对环境图像拍摄及显示，进而决定髓视器 的做鬣。 2 连续墩像模块。对监视环境采取连续定时录象，可完整记录特定时间内 整裰环瀵懿筏壤痿悫。 3 。餐髓靛筏录像模块。剥瘸蘩统运动对象检测爨浚，对环境进行餐熊箍筏： 只肖检测到移动对象时才记录环境的图象信恩。这将大大减小系统的功 耗以及存储空间，极大了利用了系统资源。 4 数据稃储及上传模块。数据存储是将采集的图像信息以文件格式像存到 系统豹f 辑1 6 文馋系统中；上转建成戆襄麓是褥存糖农系统上豹褪频文 夸上赞到 p 速行存麓餐份以及警瑾。主簧蕊静l 雳主控籁器酶u s 嚣鞠实瑗u s 8 淞s ss t o 融g e 协议，同时与系统实现的f a t l 6 文件系统相结合，使系统能作为一个独立的u 盘与 p c 进行通信。 系统功能模式间的切换主要邋过按键进行选择控制。目前，在本系统设置了 4 嵇按键选择：按键l 对应于监视繇凌寨看；按键2 对应予连续录缘；按键3 对应予 餐髓蓝享歪录豫；按键4 对应子u 盘。系统软箨懿基钵缀襁舞蚕2 2 繇示。 图2 2 软件系统总体结构模块图 一避 毽 i 盖 ， 一翎默一 审卤尊r 蛰蒿厂土蜜 华东师范大学硕士学位沦文 嵌入式c m o s 图像监视器的设计 萁中，麓褫环境察看模嫒主螯泰图像采集模袭鞠爱示模获两部分缍成，阉对， 为了对监视环境取景的验证，还可增加环境拍摄功能，可以对当前监视环境进行 单幅图象的拍摄和存储。监视环境察看模块的模块络幸句如图2 3 所示。 藏嚣视i f 舄户t 巳 豳卤崮l 累囊ll 薯亲ii 曼集 图2 3 驻视环境察看模块缡构 连续录豫模块霄分秀霾豫袋煞秘踅豫文 譬存镶嚣个凌模缓。强像慕爨察疆 对监视环壤的黼像采集和传输：瞬像存储完成对图像数据的文件生成并将文件存 储到f a t l 6 中的功能。模块的结构如图2 4 所示： 连续录像模块 图2 4 连续录象模块结构 智能燕援摸藏像块实现对环凌瓣智能整视帮录稼：警梭浏到移动对象时方进 行录像。该模块又可势力霆个子模块：鹜像采集，霾豫罄存，运魂对象梭溯，图 像存储。其中图像采集负责对监视环境视频信息的采浆：运动对象检测则根据前 后采集到的图像信息判断是否有移动对象进入监视环境；录象模块则在梭测到有 移动对象时开始对监视环境进行图像的拍摄；存储模块则完成对拍摄图像的文件 存姥。智艇黢撬模块的模块组成缨孛冬如蚕2 5 所示。 图2 5 智能髓视录像模块的模块结构 u 盘模块主要是完成对文件的上传，主要由f a t l 6 文件系统和u s bm a s s 9 华农师范火学硕士学位论文嵌入式c m o s 图像监视器的设计 s t o r a g e 协议两个部分组成。有关u 盘功能实现的过程较为复杂，将在第五章中作 专f 教述。 歉传系统暴爰模块纯懿方法进行设谤，国予各个主瑰戆摸头之阗有缀多予穰 块怒公强豹，使褥饯璃酶可重爱搴鞍裹，并盈禳袭亿静设诗方法捷霉系绞熬软 譬 溅獠熙加清晰，系统调用也卡分方便，掰辩也大大降低了系统程序调试的难度。 霄荧备个模块程序设计的细节，将在第五章中作专门叙述。 蛐 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式c m o s 图像崎视器的设计 第三章图像传感器的选择 3 1 图像传感器概述 目前，图像传感器主要有两类，一类是电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ， 简称c c d ) ，另一类是互补金属氧化物半导体器件( c o m p l e m e m a r ym e 协lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ，简称c m o s ) 【2 6 】。 c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 于1 9 6 9 年在贝尔试验室研制成功，之后由 日商等公司开始量产，其发展历程己经将近3 0 多年。c c d 可分为线型( l i n e a r ) 与面型( m e a ) 两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，面型主要应用于 数码相机( d s c ) 、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。c c d 图像传 感器结构相对比较简单，工艺容易实现，但这种器件耗能较大，不易高度集成。 c c d 是用模拟方式进行信息交换的【2 6 ”】。 。c m o s 图像传感器发明于8 0 年代，由于当时c m o s 工艺制程的技术不高， 以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。随着c m o s 集成电 路工艺技术的成熟以及固体图像传感器技术的研究成果，c m o s 图像传感器技术 到9 0 年代初才开始快速发展【2 ”，至今已研制出三大类c m o s 图像传感器：c m o s 无源像素传感器，c m o s 有源像素传感器和c m o s 数字像素传感器【29 1 。随着集 成电路设计技术和工艺水平的提高，c m o s 图像传感器过去存在的缺点，现在都 可以找到办法克服，而且它固有的优点更是c c d 器件所无法比拟的，因而它再 次成为研究的热点。国外各大公司和科研机构己经开发出多种类型的c m o s 图 像传感器和以c m o s 图像传感器为核心的摄像系统。c m o s 图像传感器的集成 度较高，可以把整个系统集成在单片上，但信号处理线路复杂，对工艺的要求比 较苛刻，与c c d 器件相比还不够成熟。不过，随着c m o s 工艺水平的不断提高， 使得在单片上集成大量晶体管成为可能，因此c m o s 图像传感器正日益受到人 们的重视。 在未来发展趋势上，c c d 由于技术相对已经成熟，更多的是在应用方向上 的发展。由于在分辨率、成像质量上的优势，目前在中高端应用方面，主要还是 使用c c d 图像传感器。c m o s 图像传感器作为新兴图像传感器，更多的是朝着 高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向发展【3 。 目前，用于手机摄像头的c m o s 图像传感器的分辨率已达2 0 0 万像素。相信在 不久的将来，c m o s 图像传感器将赶超c c d 而成为固体图像传感器的主流。 华东癖藏天学疆学位论文褒入式c m 0 s 鼙像益褪嚣辩设计 3 2 图像传感器结构及其基本工作原理 3 2 1c c d 图像传感器络构及其撼本工作原理 构成c c d 图像传感器最熬本的单元是 f o s ( 金属氧化物半导体) 电容器，或称 s 结构，c e d 最蕊本的结构，是由彼此非常靠近的一系列m o s 电容器赝组成。这 些电容器角同一半导体衬底制成，衬璃上面生长均匀、连接的氧纯屡，只是各个 金属化电极互相绝缘，但只相隔极小的距离。这鼹保证相邻势阱的祸合和电荷能 够转移熬基本条转。 c c d 的基本工作原理如下：在图像传感器的半导体绝缘寝面上紧密排列着许 多电容器，它可以用来贮存和转移以电荷包形式出现的信号。硅半导体有光电效 应，蚤它受竞照辩辩，产生熬鸯毒亳予与竞强或歪院，藏囊诲多光敏擎元组成豹 c c d 可作为传感元件。c c d 感光元件的表面为透光部分，位移寄存器的表面为遮光 部分。