基于ARM嵌入式平台的图像处理系统序列图像行人跟踪系统的Word格式.docx

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论文按照提出的基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理解决方案给出了一个可移动的图像处理设备的设计和实现，来对序列图像（视频）中行人进行检测和跟踪。

这样的设备经扩展后可以应用到交通流量统计和汽车主动安全等应用中。

论文结合实例进行了功能分析和总体设计，分析了将嵌入式平台作为图像处理解决方案的关键性问题，包括采用ＡＲＭ嵌入式平台的必要性，系统框架的设计，开发流程和开发原则的设计，对于嵌入式处理器和操作系统的选择。

对基于嵌入式平台的图像处理系统设计具有普遍意义。

论文在总体设计的基础上完成了实例的设计和实现，包括硬件平台的设计，完成了操作系统内核的定制，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ、驱动程序的开发。

最后分析了图像处理的过程。

利用自适应背景减除方法实现了运动的检测，提取了行人等的特征。

利用Ｋａｌｍａｎ滤波的方法实现了行人的跟踪。

论文提出的基于嵌入式平台的图像处理系统的应用潜力非常巨大，有待进一步的研究和探索。

在论文最后对研究进行了总结和展望，提出未来的研究方向。

关键词：

嵌入式平台，图像处理系统，ＡＲＭ，ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．Ｎｅｔ，序列图像，行人跟踪

武汉理工大学硕士学位论文

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｖｉｓｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｌａｙｓ

ｓｙｓｔｅｍｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｏｄａｙ，ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｔｔｒａｃｔｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓａｎｄｍａｎｙｇｏｏｄ，ｍａｔｕｒｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｕｔｔｈｅｓｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ

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独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：

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关于论文使用授权的说明

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；

学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后遵守此规定）研究生签名：

蓝丛翩签名：

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武汉理工火学硕士学位论文

第１章绪论

１．１研究背景

图像处理的数字化技术飞速发展为实时图像处理的应用提供了广阔的空间。

当今数字图像处理成为科学研究的热点，也产生了许多优秀、成熟的算法。

随着超大规模集成电路的高速发展，这些数字算法可以用硬件来实现，大大提高了图像处理的速度，极大的促进了图像处理应用的发展。

这些发展都使得图像处理技术广泛的运用于科学研究、工业领域、手持设备、遥感探测、医疗设备、空间探索等各个领域。

数字图像处理具有两个突出的特点，一是数据量大，一是对处理速度要求高。

传统上序列图像处理系统的实现基于桌面ＰＣ机，图像处理应用的快速发展使传统的图像处理系统越来越不能满足数字图像处理的要求。

这主要体现在以下蕊个方面：

（１）实时性要求

工业（机器）视觉检测和视频跟踪监控领域，对实时性有较高的要求，实时性不满足就会导致任务的失败。

在日益复杂的图像应用中，不仅要求有硬件加速，还要求有实时操作系统的支持。

（２）小型化要求

现今图像处理应用越来越趋于小型化系统，趋向于把整个处理系统集成在一个小“黑盒子”里面，甚至于一块电路板上。

这就要求图像处理系统具有高速度、高集成度的处理芯片来完成原本需要许多部件合作完成的任务。

要求中央处理器可以把众多的功能集于一身，并通过外部扩展来实现复杂的功能，实现系统的小型化。

另外，视频图像一个很大的特点就是大容量性，这是与音频数据最大的区别之一。

对于大容量数据的实时处理不但需要高速的ＣＰＵ，还需要能扩展的大容量存储空间。

传统上序列图像处理系统很难满足实时性和小型化的要求：

（１）一般基于桌面ＰＣ的图像处理系统中，图像算法完全用软件实现，缺乏硬件加速的支持，桌面操作系统不具有实时性１１，２１，很难满足实时性强的场合。

（２）一般基于桌面ＰＣ的图像处理系统便携性差，体积大，需要专门交流供电。

丰富的外围接口使嵌入式处理器的应用范围大大超过了ＤＳＰ，尤其对网络支持使嵌入式处理器成为移动计算设备处理器的首选。

而且丰富的外围接口意味着可能使设备具有更小的体积。

对于实时性和小型化的要求，以ＡＲＭ处理器等嵌入式处理器为核一ｆｉ，的嵌入式平台显然拥有很大的优势。

现在ＡＲＭ系列嵌入式处理器采用ＰＣＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＩｎｔｅｍｅｔＣｌｉｅｎｔＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）架构，支持大容量Ｆｌａｓｈ和ＲＡＭ存储器，支持实时操作系统。

高级ＡＲＭ一般有ＤＳＰ协处理器，支持丰富接口用来高速大容量传输数据，丰富的多媒体功能【３】，非常适合于应用于图像处理系统。

嵌入式系统已广泛用于手持设备，移动机器人和工业领域。

从手持设备市场来看，２０００年的全球产销量为１２９０万部，而到２００４年时预计将为６３４０万部。

新的手持设备将使无线互联访问成为更加普遍的现象。

结合音频应用（如ＭＰ３），将会大大扩展手持设备的市场。

现在提供全方位的语音，网络，图像等多媒体功能成为手持设备的发展趋势【４】。

而且嵌入式系统已成功用于机器人的控制和图像领域。

美国“索杰纳”火星车就是～个价值１０亿美金的技术高密集的移动机器人，采用的是美国ＷｉｎｄＲｉｖｅｒ公司的Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系统，带有机械手，可以采集火星上的各种地况，并且通过摄像头把火星上的图像发回地面指挥中心。

这台火星车在火星上自主工作了３个月。

ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ操作系统也应用到移动机器人和机器人控制器中【４ｌ。

在工业领域，嵌入式系统也以举世瞩目的速度在发展。

嵌入式系统带来的工业年产值已超过了ｌ万亿美元，它正在成为信息技术（ＩＴ）产业争夺的重点之一。

现在每年只有１０％－－２０％的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑等，这就意味着每年有１０￣２０亿块ＣＰＵ是为嵌入式系统设计制造的：

每年有超过１万个新的嵌入式系统计划产生。

来自１９９７年美国嵌入式系统大会（ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）的报告指出，未来５年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年１５００亿美元的新市场１４１。

因此，本文提出了一种基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理解决方案。

武汉理一￡：

人学硕十学位论文

图１．１“索杰纳”火星车，采用Ｖｘｗｏｒｋｓ嵌入式操作系统

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１．２嵌入式系统概述

嵌入式系统（ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ）是指以应用为中心，以计算机技术为基础．软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件等组成１４Ｊ。

嵌入式系统是执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。

它一般不使用通用型计算机，而且运行的是固件（Ｆｉｒｍｗａｒｅ），即固化的软件。

终端用户很难或者不可能改变周件，操作系统和应用软件集成于计算机硬件系统之中，即系统的应用软件与系统的硬件一体化。

嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务处理的情况。

由于数字化，因特网，无线通信的发展，嵌入式系统应用日益广泛，已经应用在现代工作生活的方方面面。

带有ＧＰＳ系统的汽车、智能化的手机、数码相机、ＰＤＡ或者智能卡等等都嵌有它们，人们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统的嵌入式系统交互时也往往对此毫无觉察。

嵌入式系统可用于手持设备（ＰＤＡ、掌上计算机），信息家电（数字电视、机顶盒、网络设备），无

线通信设备（智能手机、股票接收设备），工业／商业控制（智能工控设备、ＰＯＳ／ＡＴＭ

机），电子商务平台，军事应用等诸多领域，它们只是复杂程度、应用目标不同凰勇－

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幽１．２典裂嵌入式系统基本组成

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与通用型计算机系统相比，嵌入式系统面向特定应用，移动性高，功耗低，可靠性高，性价比高，实时性强，支持多任务应用例。

其特点具体来说：

１）面向特定应用和可裁减性。

为了使系统的设计小型化和专业化，一般嵌入式系统面向特定应用和用户群，因此同时也要求系统的硬件和软件是“量体裁衣”的。

嵌入式不提供冗余的功能，不像桌面ＰＣ那样有很大的随意性。

２）实时性高。

很多情况下，嵌入式系统要求是一个实时系统。

对实时系统的操作不仅要得到正确的结果，而且对结果的时延有着明确的限制，有时需要计

武汉理Ｊ：

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火学硕士学位论文

算最坏情况下的性能。

有两种类型的实时系统：

硬实时系统和软实时系统。

软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；

硬实时系统对系统响应时阳Ｊ有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误。

一般在工业控制中应用较多。

所以嵌入式系统一般要求有实时操作系统支持。

并且软件要求固态存储，以提高速度。

软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。

３）便携性和可移动性。

有些嵌入式系统是安装在飞机或一些手提式便携设备上，重量和体积成为很重要的考虑因素。

而且由于嵌入式系统用途固定，所以要求较小的体积、较低的功耗和较低的成本。

４）可靠性高。

系统会面临着出错的可能。

严重的人为操作失误、设备的受损都将导致嵌入式计算机系统出错。

其挑战是最小冗余的低成本系统的可靠性。

系统必须保证系统以较高的可靠性长时间连续正常运行，同时要求系统必须具备较好的易维护性。

为了提高执行速度和系统可靠性，一般软件要求固化存储。

５）一般要求有操作系统支持。

大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，例如任务调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。

其它的应用组件，比如网络功能、ＧＵＩ系统等均工作在用户态，以系统进程或系统调用的方式工作。

因而整个系统都是可裁减的，用户可以根据特定应用要求选用相应的组件。

一些主要的嵌入式操作系统包括Ｖｘｗｏｒｋｓ，ＱＮＸ，ＰａｌｍＯＳ，ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ等。

其中ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ在手持设备，消费类电子产品，网络设备和专门工业／商业控制器等广泛领域得到应用。

可以将ＡＲＭ嵌入式处理器与单片机、ＤＳＰ比较一下，可以发现ＡＲＭ嵌入式处理器更加适合实时系统的要求，具体表现在：

（１）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

（２）一般实时系统需要实时操作系统的支持，而嵌入式处理器对实时操作系统提供了很好的支持。

（３）具有功能很强的存储区保护功能。

这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化。

而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

（４）丰富的外围接１：

３使嵌入式处理器能最迅速地开发出满足应用的高性能的产品ｎ丰富的外围接口使嵌入式处理器的应用范围大大超过了ＤＳＰ，尤其对网络支持使嵌入式处理器成为移动计算设备处理器的首选。

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Ｌ火学硕士学位论文

（５）嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有ｍＷ甚至ｕｗ级。

另一方面嵌入式系统的较小的体积要求减少发热量，也要求提供的低功耗。

１．３基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理系统

以前的图像处理系统多以桌面ＰＣ和ＤＳＰ处理器构建。

但是随着图像处理应用领域的深入发展，实时性和小型化对图像处理系统的发展提出了新的挑战。

以ＡＲＭ为代表的嵌入式处理器的出现，使以更高速度，更高集成度，支持大容量ＦＬＡＳＨ和ＲＡＭ存储器，拥有丰富接口，支持操作系统为处理器的嵌入式系统的发展成为未来图像处理系统的发展趋势。

基于ＡＲＭ嵌入式平台图像处理系统具有体积小、成本低、稳定性高等优点，未来会在诸如智能交通、移动机器人、智能产品检测、医学仪器、视频监控系统、ＩＰ电话、ＶｏＩＰ、便携式流媒体设备等各种图像应用领域得到越来越广泛的应用。

基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理系统与传统基于桌面ＰＣ的图像处理系统相比较，有如下优点：

（１）实时处理

特定用户通常对获取结果的时间延迟有明确限制，设计时必须充分考虑这一因素。

例如工业（机器）视觉检测和视频跟踪监控领域，对实时性有较高的要求，实时性不满足就会导致任务的失败。

一般基于桌面Ｐｃ的图像处理系统中，图像算法完全用软件实现，缺乏硬件加速的支持，很难满足实时性强的场合。

（２）便携性好

优良的便携性使嵌入式图像处理系统能够更好的适应图像应用场合。

例如对于交通视频监控系统，不需要很大的工作量就可以满足监控场景变化的需要。

有些甚至要求图像体统单独工作或者依靠蓄电池工作。

（３）集成度高

在满足特定应用的情况下，嵌入式图像处理体统比基于桌面ＰＣ的图像系统有更小的体积，更低的功耗，甚至可以用蓄电池供电。

（４）稳定性高

嵌入式图像系统面对特定的应用场合剪裁设计，采用实时的嵌入式操作系统，软件采用固化存储，最大程度的保证了图像系统的稳定性。

（５）成本合理

专门的剪裁设计使嵌入式图像处理体统的成本大大低于基于桌面ＰＣ的图像处理系统。

面对高级的应用，嵌入式处理器的集成度很高，也使嵌入式图像处理６

系统有成本上的优势。

（６）低功耗

在某些场合，例如交通视频监控领域，会要求图像处理设备有很好的移动性和安装的方便性，甚至要求图像处理设备可以单独利用蓄电池工作，所以要求有较低的功耗。

首先嵌入式处理器的功耗是很低的，其次嵌入式系统经过专门电源设计，可以大大的降低功耗。

（７）抗干扰性好

现在图像处理系统大量的应用于工业产品的（机器）视觉检测和交通监控，嵌入式较小的体积和专门的抗干扰设计，使基于嵌入式平台图像处理系统面对这些有干扰的场合有非常大的优势。

基于嵌入式平台的图像处理解决方案，在未来图像领域会有很大的发展潜力。

本文给出了一个可移动的图像处理设备的设计和实现，来对序列图像（视频）中行人进行检测和跟踪。

论文在实现这一实例的过程中，详细分析了将嵌入式平台作为一种图像处理解决方案中应解决的关键性问题。

１．４论文的主要工作和章节安排

论文在分析了嵌入式系统，实时图像处理的发展现状之后，针对传统图像处理实现不能满足日益复杂和广泛的图像处理应用，提出了一种基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理解决方案。

论文围绕如何将嵌入式平台和图像处理结合起来，详细分析了将嵌入式平台作为一种图像处理解决方案中应解决的关键性问题。

对于快速开发图像应用具有重要的指导意义。

论文给出了一个可移动的图像处理设备的设计和实现，来对序列图像（视频）中行人进行检铡和跟踪。

本论文的主要工作有

武汉理工人学硕士学位论文

（１）为了应对日益复杂和广泛的图像处理应用，提出了一种基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理解决方案。

（２）论文给出了一个可移动的图像处理设备实例的设计和实现，对序列图像（视频）中行人进行检测和跟踪。

（３）结合实例进行了功能分析和总体设计，分析了将嵌入式平台作为图像处理解决方案的关键性问题，包括采用嵌入式平台的必要性，系统框架的设计，开发流程和开发原则的设计，对于嵌入式处理器和操作系统的选择。

（４）完成了系统的硬件平台的设计。

针对Ｓａｍｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｃ２４１０处理器完成了系统的时钟模块、存储器接口、ＬＣＤ模块、序列图像采集模块等的设计。

（５）分析了ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．Ｎｅｔ内核的特点，完成了操作系统内核的定制，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的修改和编写，驱动程序的开发。

分析了应用程序开发的一些关键问题。

（６）分析了图像处理的过程。

运动检测是发现运动目标，然后提取主特征（目标质心）和辅助特征。

利用目标质一ｔｌ，来跟踪目标的位置。

运动跟踪建立了目标质心运动模型，并利用Ｋａｌｍａｎ滤波的方法实现行人目标质心的跟踪。

本论文的章节安排如下：

第１章绪论。

分析了图像处理系统的背景和现状，在分析了嵌入式系统，实时图像处理的发展现状之后，针对传统图像处理实现不能满足曰益复杂和广泛的图像处理应用，提出了一种基于ＡＲＭ嵌入式平台的图像处理解决方案。

此外，还介绍了论文的主要工作和章节安排。

第２章系统功能和总体设计。

结合实例进行了功能分析和总体设计，分析了将嵌入式平台作为图像处理解决方案的关键性问题，包括采用嵌入式平台的必要性，系统框架的设计，开发流程和开发原则的设计，对于嵌入式处理器和操作系统的选择。

第３章硬件开发平台。

针对Ｓ３Ｃ２４１０处理器设计了整个硬件平台，重点叙述了系统时钟，存储器接口，ＬＣＤ模块，ＣＦ接口的摄像头等模块。

第４章系统软件设计与实现。

分析了Ｗｉｎｄ０ＷＳＣＥ．Ｎｅｔ内核的特点，完成了操作系统内核的定制，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的修改和编写，驱动程序的开发。

并分析了应用程序开发的一些关键问题。

第５章序列图像处理系统。

分析了图像处理的过程。

利用自适应背景减除方法实现了运动的检测，提