基于ARM嵌入式图像处理系统设计与实现.pdf

第3 6 卷增刊 福州大学学报 自然科学版 V 0 1 3 6S u p p 塑 生竺旦2 竺 型坚 些坐竺竺尘 翌业f 塑 皇竺型坠 宝翌竺2墅P 兰堂 文章编号 1 0 0 0 2 2 4 3 2 0 0 8 S O S 0 1 3 0 4 基于A R M 嵌入式图像处理系统设计与实现 林文森 李钟慎 洪健 华侨大学机电及自动化学院 福建泉州3 6 2 0 2 1 摘要 针对现在的过程检测系统的实时需求 设计出一种成本低 功能适中的图像处理采集系统 该系统以 A R b t 7 s 3 c 4 4 B o x 为核心并配上外围电路实现图像处理功能 再加上多种通讯接口设计的图像传输通道 然 后加入S D 卡接口用于提取图像数据 最后基于u C O S 一 嵌入式操作系统设计了一种图像处理方法 在系统 中实现了图像增强 图像分割和目标定位 实验表明 该系统能够很好地解决图像在线处理功能的实时问题 图像处理的准确率也满足了过程检测系统的要求 而且实现简单 成本比较低 特别适合于对功耗 体积要求 较严格的过程检测系统 关键词 A R M 图像处理系统 图像增强 目标定位 中图分类号 T P 3 9 1 4 1文献标识码 A D e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d e di m a g ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mb a s eo nA R M U NW e n s e n L IZ h o n g s h e n H O N GJ i a n 一 C o H e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n H u a q i a oU n i v e r s i t y Q u a n z h o u F u j i a n3 6 2 0 2 1 C h i n a A b s t r a c t A i ma tt h ep r o c e s sd e t e c t i n gs y s t e mi nn o w a d a y so fr e a l t i m en e e d d e s i g n i n gal o wc o s t a n dm o d e r a t ef u n c t i o ni m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m r n l es y s t e mU S eA R M 7 S 3 C 4 4 B O X a sc o r ew i t hc i r c u i tr e a l i z ei m a g ep r o c e s s i n gf u n c t i o n m u l t i c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec o n s t i t u t ei m a g et r a n s m i s s i o n c h a n n e l s S Dc a r di n t e r f a c ea c q u i r ei m a g ed a t a A tl a s td e s i g nai m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d sb a s eo nu C O S I Ie m b e d e do p e r a t i n gs y s t e mt or e a l i z ei m a g ee n h a n c e m e n t i m a g ed i v i s i o na n dt a r g e to r i e n t a t i o n T h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mr e s o l v er e a l t i m ep r o b l e mw e l li ni m a g eo n l i n ep r o c e s s i n g i m a g ev e r a c i t ya l s om e e t 山en e e do fp r o c e s sd e t e c t i n gs y s t e m n es y s t e mc a r r yo u ts i m p l ya n dc o s t l o w e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rp r o c e s sd e t e c t i n gs y s t e mi nc o n s u m e dp o w e ra n dc u b a g es t r i c tr e q u e s t K e y w o r d s A R M i m a g ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e m i m a g ee n h a n c e m e n t t a r g e tr e c o g n i t i o n 随着科技的进步和社会的发展 数字视频图像的采集 存储 处理及传输技术在最近几年得到了广泛 的应用 各类图像采集及处理系统已经逐渐深入到人们生活的各个方面 与图像处理卡等传统图像处理 系统相比 嵌入式图像处理系统具有体积小 成本低 可靠性高等优点 在智能交通 远距离监控 计算 机视觉等领域应用广泛 本研究所设计的嵌入式图像处理系统是采用以A R M 7 为内核的S 3 C 4 4 B O X 作 为主控芯片 先获取F I F O 存储器模块中的图像数据 然后由S 3 C A 4 B O X 进行图像增强 图像分割和目标 定位等处理 最后图像处理结果可通过多种通信接口进行传输 或者利用S D 卡来提取该图像处理系统中 的图像数据 其中的人机交互利用L C D 和触摸屏完成 该图像处理系统仅用一个A R M 芯片就实现了图像 处理和传输功能 系统结构紧凑 实时性好 有良好的人机界面 2 1 1 图像处理系统总体方案 该系统是由A R M 为核心的嵌入式图像处理系统 串口与以太网的图像传输模块 S D 卡接口的图像 提取模块 L C D 显示模块和触摸屏模块组成的 其中 嵌入式图像处理系统是系统的核心部分 它是以三 星公司的嵌入式A R M S 3 C 4 4 B O X 处理器为基础 如图1 所示 在检测时 图像采集系统将采集到的图像 收稿E t 期 2 0 0 8 0 6 1 2 作者简介 林文森 1 9 8 3 一 男 硕士研究生 通讯联系人 李钟慎 副教授 基金项目 泉州市科技计划重点资助项目 2 0 0 6 0 5 福建省经贸委企业技术创新资助项目 万方数据 1 4 福州大学学报 自然科学版 第3 6 卷 存储到F I F O 存储器模块 A R M 从F I F O 模块获取到图像数据 再把获得的图像数据进行图像处理 其间 可通过L C D 和触摸屏进行人机交互 或者通过串I I 和以太网与外界设备进行通讯 还可利用s D 卡接口将 图像存放人S D 卡中 R S 2 丑模块以太网模块 oo f 图像采集模块例F 胙晡储器模块吲 理器 s 卡模块 工土U L C n 显示模块触摸屏模块 图l图像处理系统总体框图 F i g 1 T h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a mo fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 2 图像处理系统硬件构成 2 1基于s 3 C 4 4 B O X 的图像处理模块 S 3 C A 4 B O X 是S a m s u n g 公司为手持设备和一般类型应用提供高性价比和高性能微控制器解决方案的 1 6 3 2 位R I S C 处理器 它采用了A R M T F D M I 内核 0 2 5 岬的C M O S 标准宏单元和存储编译器 它的低 功耗 精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用 同时S 3 C A 4 B O X 还采用了一种新 的总线结构 即S A M B A S a m s u n gA R M C P U 嵌入式微处理器总线结构 3 C 4 4 B O X 除了具有A R M 7 系 列处理器的优点 还内置有L C D 驱动控制器便于扩展L C D 模块 2 2F o 存储模块 F I F O 存储模块选用A v e r L o g i e 公司的A I A V 8 M 4 4 0 做为F I F O 存储器 它的容量有8M b i t s 速度最高 可为8 0M H z 满足了图像处理系统实时性 该模块的作用是先存储图像采集模块的采集到的图像数据 再传输给图像处理模块进行处理 作为两者的中介 2 3 人机交互模块 人机交互模块主要是由L C D 模块和触摸屏模块组成 L C D 选用5 7 寸的C M D 5 2 0 接口的C S T NL C D 可直接与S 3 C A 4 B O X 内置的L C D 接口直接相连 触摸屏选用A D S 7 8 4 3 作为触摸屏控制器 可控制四线电 阻式触摸屏 直接同S 3 C 4 4 B O X 的普通I V O 口相连 2 4 通讯模块 通讯模块包括R S 2 3 2 模块和以太网模块 R S 2 3 2 模块采用M A X 3 2 3 2 作为电平转换芯片 同 S 3 C A 4 B O X 的U A R T 接口相连 实现R S 2 3 2 传输 以太网模块是以1 0M 的R T L 8 0 1 9 做以太网控制器 与 S 3 C 4 4 B O X 的地址线和并行数据线相连 从而通过寻址进行对以太网控制器内部寄存器的设置 2 5 S D 卡模块 S D 卡 S e c u r eD i g i a t lM e m o r yC a r d 是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备 S D 卡由日本松 下 东芝及美国S a n D i s k 公司于1 9 9 9 年8 月共同开发研制 s D 卡有着广泛的应用领域 音乐 电影 新闻 等多媒体文件都可以方便地保存到s D 卡中 1 本系统加入该接口 可以方便提取图像采集系统的数据 S D 卡支持S P I 和B U S 两种接口模式 系统采用S P I 接口模式 可以直接利用S 3 C A 4 B O X 自身带有的S P I 接口 连接方便 3 图像处理系统的算法设计 3 1 图像增强算法设计 在图像处理中 当光学系统成像时出现背景与目标灰度范围相对比较窄 即低对比度的情况 一般会 采用对图像进行灰度的拉伸变换 从而加大特征目标与背景的灰度差 实现图像增强 以利于提取出特征 目标来 灰度变换可分为线性灰度变换 分段线性变换 非线性变换 本研究采用线性灰度变换 该方法 万方数据 增刊林文森 等 基于A R M 嵌入式图像处理系统设计与实现 1 5 用于克服当图像由于成像时曝光不足或过度所产生的对比度不足的弊病 假设原图像八茗 y 的灰度范围 为 a b 希望变换后图像g x 的灰度范围扩展到 C d 其数学表达式为H 1 rC 0 八茗 口 I g 茗 Y 二 八石 Y c 口 以茗 y 6 1 I D 一口 Ld b 八戈 y M f 式中 M f 表示八茗 Y 的最大值 3 2 图像分割算法设计 经过图像增强后 要将一幅图像分解为若干互不交叠的 有意义的 具有相同性质的区域 并从中提 取出所感兴趣的目标 即图像分割 图像分割有边缘检测和阈值分割 这里采用阈值分割方法 阈值分割 是基于灰度阈值的分割方法 它通过设置阈值 把像素点按灰度级分若干类 从而实现图像分割 把一幅 灰度图像转换成二值图像是阈值分割的最简单形式 设原始图像为八石 y 首先就是按一定准则在八第 y 中找出一个灰度值t 作为阈值 将图像分割为两部分 即把大于等于该阈值的像素点的值置成1 小于 阈值的像素点置为0 阈值运算后的图像为二值图像g x Y 小川2 砝 糖浆 式 2 中全局阈值t 的选择直接影响到分割效果 通常可以通过分析灰度直方图来确定它的值 最常见的 方法是利用灰度直方图来确定它的值 利用灰度直方图求双峰 选择两峰之间谷底处的灰度值作为阈值 3 3 目标定位算法设计 目标定位是用计算机代替人们来认识图像并确定一幅图像中感兴趣目标的所在位置 本研究中的目 标是商标带上的图案 对图案定位主要采用扫描法进行 先寻找商标带的上下边缘 再根据此上下边缘进 行左右扫描找出图像块 再根据图案的大致长度和宽度找出图案 从而提取到图案具体位置 4 图像处理系统的软件设计 根据上面所设计的算法在u C O S I I 操作系统中进行实现 可以将各个算法模块化 变成可调用的函 数 将图像处理编写成一个独立的任务 定时处理采集到的图像数据 图像处理任务的流程图如图2 所示 延时 腑I F O 存 储器读取图像 图像灰度拉伸处理模块 图像阈值分割处理模 图像的外框定位模 璃渤 碓蠡 长度乖j 宽度判断 F i i i 去i 磊 图像块是仃为所 仔叫哥优图像职俣职 弋竺罗 一一一 获取图案的位置 图2 图像处理任务的流程图 F i g 2 T h eo v e r a l lf l o w c h a r to fi m a g ep r o c e s s i n gt a s k 万方数据 1 6 福州大学学报 自然科学版 第3 6 卷 5 实验结果 根据以上的设计思路搭建一个图像处理系统 在此进行图像处理实验 并将处理的图像数据添加上 B M P 位图文件头信息以b m p 格式文件通过串口或者以太网传输到电脑上读取 现以确定商标带的图案为 例 采集到的原始图像如图3 所示 先经过图像灰度拉伸处理可得图4 再对其进行阈值分割得图5 最后 找到图案的位置可得图6 图3 原始图像的示意图 F i g 3 T h ec o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fo r i g i n a lp i c t u r e 图5 阈值分割的示意图 F i g 5 T h ec o n v e n t i o n a ld i a g r a mo ft h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n 6 结语 图4 灰度拉伸的示意图 F i g 4 T h ec o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fg r a ys c a l es t r e t c h i n g 图6 图案定位示意图 F i g 6 T h ec o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fp a t t e r no r i e n t a t i o n 设计了以S 3 C 4 4 B O X 为核心的嵌人式图像处理系统 将采集到的图像数据进行图像处理从而获取目 标位置信息 为目标的切割提供了重要的依据 另外系统还配有多种通讯接口和s D 卡接口同外界交互 还有以L C D 和触摸屏为基础的友好的人机界面 与普通的图像处理卡相比 此嵌入式图像处理系统极大 地简化了系统结构 降低了系统设计成本 缩短了开发周期 参考文献 1 吴晴 周健 嵌入式图像采集系统的设计与实现 J 电子测量技术 2 g r 7 3 0 2 9 0 9 2 2 任贵伟 张海 基于A R M 的紧凑型图像采集系统 J 单片机与嵌入式系统应用 2 0 0 7 2 3 5 3 7 3 周燕艳 S e c u r ed i 舀u ac a r d S D 卡 与L P C 2 2 1 0 的接口设计 J 微型电脑应用 2 0 0 6 2 2 2 4 8 4 9 4 龚声蓉 刘纯平 王强 等 数字图像处理与分析 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 6 责任编辑 郑美莺 万方数据 基于ARM嵌入式图像处理系统设计与实现基于ARM嵌入式图像处理系统设计与实现 作者 林文森 李钟慎 洪健 LIN Wen sen LI Zhong shen HONG Jian 作者单位 华侨大学机电及自动化学院 福建 泉州 362021 刊名 福州大学学报 自然科学版 英文刊名 JOURNAL OF FUZHOU UNIVERSITY NATURAL SCIENCE EDITION 年 卷 期 2008 36 z1 被引用次数 8次 参考文献 4条 参考文献 4条 1 吴晴 周健 嵌入式图像采集系统的设计与实现 期刊论文 电子测量技术 2007 02 2 任贵伟 张海 基于ARM的紧凑型图像采集系统 期刊论文 单片机与嵌入式系统应用 2007 02 3 周燕艳 Secure digi