开题报告基于嵌入式系统的图像采集系统.docx

开题报告基于嵌入式系统的图像采集系统.docx

《开题报告基于嵌入式系统的图像采集系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开题报告基于嵌入式系统的图像采集系统.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

开题报告基于嵌入式系统的图像采集系统

北京联合大学毕业设计（论文）开题报告

题目：

基于嵌入式系统的图像采集系统

专业：

电子信息工程指导教师：

高美娟

学院：

信息学院学号：

*************

班级：

0808030301姓名：

华永奇

一、课题任务与目的

1、课题任务

图像采集系统作为一种比较通用的图像采集装置，在各个行业有着广泛应用，本题目设计以嵌入式系统为核心的图像采集系统，具有一定的通用性。

基本要求：

1设计系统的总体方案。

2设计图像传感器与嵌入式系统的接口。

3设计图像采集和存储的软件。

4部分实验及调试。

⑸撰写毕业设计论文，答辩。

2、课题目的

嵌入式是当今最为热门的概念之一，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

其应用已经渗透到各个领域，无论是在工业控制、交通管理、信息家电、安防，还是个人手持设备，都有着非常广泛的应用。

而且，随着智能化、信息化和网络化发展，“后PC时代"已经来临，这预示着嵌入式系统技术将会获得更为广阔的发展空间。

例如，在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术：

在广播电视领域，美国已经开始实施模拟电视数字化，我国在2015年之前，也将会全面实现数字电视；在个人领域，各种嵌入式产品也将为个人提供移动数据处理和网络通信等功能。

而这些都离不开嵌入式技术的应用。

视频监测是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。

视频监测以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。

近年来，随着计算机网络以及图像处理、传输技术的飞速发展视频监测技术也有了长足的进步。

正是由于数字视频监测具有传统模拟监测无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监测正在逐步取代模拟监测，广泛应用于各行各业。

对于本毕设的研究，即对结合了嵌入式、网络、图像处理和传输技术于一体的嵌入式网络视频图像监测系统的研究，意义是明显的。

不但有助于我们解决传统监测系统的缺点，提高监测系统功能，而且更是有实际意义，例如国内城镇化与城市建设、安全事故频发地区，智能家居和病人监测等，这些方面都需要有新一代的监测系统保证。

本毕业设计主要是针对病人监测而提出的初步解决方案。

二、调研资料情况

1、国内外现状

⑴视频监测系统现状

视频监测系统发展了短短二十几年的时问，从最早的模拟检测到前些年的数字监测，再到现在方兴未艾的网络视频监测，发生了翻天覆地的变化。

从技术角度出发视频监测系统的发展划分为三代：

1传统的模拟信号视频监测

这类系统主要是以模拟设备为主的闭路电视监测系统，图像信息以模拟信号在视频电缆中传输，一般传输距离不能太远。

本地模拟信号监测系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、卡带式录像机（VCR）等组成，利用视频传输线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像机。

主要应用于安保、生产管理场合等小范围内的监测。

这种方式传输距离有限，无法入网、监测方式单一以及存储信号耗费大量存储介质等缺点。

2基于PC的多媒体监测

20世纪90年代中期，基于PC的多媒体监测随着数字视频压缩编码技术的发展而产生，PC机的普及也推动了此类技术的发展。

系统在远端有若干个摄像机、各种视频采集设备，获取图像信息，经过视频压缩卡处理，通过通信网络将这些信息传到监测中心。

这类监测系统功能较强，便于现场操作，但稳定性不够好，结构复杂，视频前端（如CCD等视频信号的采集、压缩、通信）较为复杂，可靠性不高，功耗高，费用高；需要有多人值守；同时，软件的开放性也不好，传输距离明显受限。

PC机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宣的监测点，这种方式不理想。

③基于嵌入式的网络视频监测

视频监测系统越来越多的应用于各个领域，比如，智能小区、银行的安全监测，医院病房的监护，工厂车问的现场视频监测以及应用于远程网络实验中观看实验设备、观看操作、查看实验结果等等。

对于视频监测系统的要求也是越来越高：

实时性好、可靠性高、操作简单、可以接入网络。

这样的数字化、网络化、低成本的视频监测系统的开发与设计正受到重视。

20世纪90年代末，随着计算机、网络、电子与通信、图像处理等技术的飞速发展，基于嵌入式技术的远程网络视频监测技术应用而生。

这类视频监测系统集中了多媒体技术、数字图像处理、网络传输、嵌入式等最新技术。

第三代视频监测技术不仅仅可解决图像传输、远程控制、现场信号采集等监测功能，还可提供高质量的监测图像和便捷的监测方式。

它的主要原理是：

嵌入式服务端采用微处理器和嵌入式实时操作系统，结合网络技术，将采集来的视频图像经过压缩处理，传输到网络，实现网络视频监测。

嵌入式视频监测系统以其小巧、灵活、低成本、性能稳定、高性能的特点而独具优势，结合TCP／LP技术，通过建立C／S或者B／S工作模型来实现网络视频监测。

这类系统可以直接连入以太网，具有灵活方便、即插即看等特点。

嵌入式视频服务器、网络摄像机以及嵌入式DVR正是这类视频监测产品的代表。

⑵嵌入式网络视频监控系统优点

嵌入式网络视频监测系统与其它监测系统相比较，具有如下优点：

①嵌入式网络视频监测系统实际上是基于TCP/IP网络技术开发出来的，直接连入网络，即插即看，扩大布控地域，而且增加设备只是IP地址的扩充，方便使用、节省成本。

②嵌入式视频监测系统采用嵌入式实时多任务操作系统，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。

③基于网络的特性可以使得监测更为灵活，随时随地得到现场的情况，通过联网可以使得摄像机具备了强大的功能，成为许多场合的监测手段。

由于网络的双向传输特性，还可以通过控制与摄像机相连的云台来实现摄像机的全方位监测，通过网络对现场进行控制，还可以通过适当的图形分析辨识方法，实现对监测现场异常情况的实时监测报普，以及对目标的追踪等。

2、视频监测系统的发展方向

视频监测正从以前的模拟监测到现在的数字监测；从现场监测到远程监测；从有人值守监测到现在的无人值守监测，视频监测讵朝着数字化、网络化、集成化的嵌入式视频监测方向蓬勃发展。

数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监测发展的最大两个特点就是数字化和网络化。

数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然。

系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。

系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一个重要概念。

3、目前视频监测系统国内外常见方案设计

目前，国内外对基于嵌入式网络视频监测系统的研究，一般集中于嵌入式视频监测系统的设计、嵌入式操作系统的研究、视频图像的网络传输以及视频图像处理等几个方面。

在嵌入式视频监测系统设计方面一般是考虑系统的整体结构和功能，例如小型网络摄像机，系统由图像传感器、嵌入式处理器、图像处理器、网络接口组成，通过压缩优化算法和背景差分算法可以使摄像机实现实时的图像压缩、传输，并能跟踪目标，该系统的主要特点是实时性的提高；在嵌入式操作系统方面，一般集中于嵌入式操作系统在视频监测系统中的应用研究，例如在嵌入式Linux下对视频采集设备驱动程序的研究等；在对视频图像网络传输的研究中，例如。

有在IP组播方式下的网络视频传输方案，可以大大的节约网络带宽，提高视频的播放效率或者采用流媒体的格式传送视频图像数据，可以更好的实现视频的传输及播放等；在视频监测领域关于视频图像处理的研究一般是通过一定的图形分析算法，实现目标识别，目标跟踪，以及报警等功能。

例如利用背景差分算法在图像处理中，控制运动模块使摄像机可以跟踪信息库中的目标网等。

随着压缩编码技术、计算机网络技术和嵌入式系统的发展，以嵌入式视频服务器为核心的视频监测系统开始在市场上崭露头角，该系统不需要处理模拟视频信号的PC，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过内置的嵌入式视频编码器直接转换成数字信号，通过计算机网络传输出去，嵌入式视频服务器具备视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得监测范围达到前所未有的广度。

目前，国内在这方面的研究刚刚起步，随着数字技术的发展、图像数字压缩编码技术及标准的改进、芯片成本的不断下降、从事研究的单位越来越多。

现阶段，嵌入式网络视频监测系统的解决方案主要有以下几种：

⑴视频采集芯片+DSP处理器。

该方案中由视频采集芯片完成图像的预处理，由DSP完成图像的编码：

基于MPEG-4、H.263或MJPEG标准的压缩，经以太网网络传输。

方案的主要缺点是控制不够灵活，不适合作系统控制，因为DSP通常没有强大的操作系统。

⑵DSP处理器+嵌入式处理器。

该方案采用由DSP完成基于MPEG-4、H．263或MJPEG标准的图像压缩，在嵌入式处理器上运行嵌入式OS（如嵌入式LinuxOS）进行系统控制和网络传输。

方案的主要缺点是：

由于有两个主要的芯片，设计、调试、使用较难，系统成本偏高。

⑶图像采集芯片+嵌入式处理器。

该方案中，在嵌入式处理器上运行嵌入式OS（如嵌入式LinuxOS）进行系统控制和网络传输。

方案的主要缺点是：

缺乏强大的图像处理能力，很难满足高实时性要求。

⑷其他方案。

DSP中央处理器完成图像图像压缩编码、编码数据网络传输和本地存储，采用CPLD完成图像采集的控制逻辑的脱机远程视频监测方案。

4、调研及参考资料

[1]方彦军.嵌入式系统原理与设计，国防工业出版社2011.7

[2]赵燕.传感器原理及应用，北京大学出版社,2011.7

[3]伊拉希（美）（ElahiA.）.网络通信技术，科学出版社，2007.12

[4]任哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用（第2版），北京航空航天大学出版社.2009.10

[5]张绮文.解书刚.ARM嵌入式常用模块与综合系统设计实例精讲（第2版）,电子工业出版社.2008.10

[6]刘文耀.数字图像:

采集与处理,电子工业出版社,2007.8

[7]王晨营，时良平《智能手机家居监测系统的设计》科技创新导报2008年lO月

[8]许雪梅，周文，徐蔚钦，黄帅《基于ARM9+LINUX的无线视频监控系统的设计》刊名:

计算机测量与控制年，卷（期）：

2010,18（11）

[9]王戬，王耀青《WinCE．Net系统下的usbcamera驱动程序开发》

刊名：

微机算机信息．2008

[10]李侃，廖启征《基于S3C2410平台与嵌入式Linux的图像采集应用》

刊名：

微计算机信息年，卷（期）：

2006（8）

[11]钱华明，刘英明，张振旅《基于S3C2410嵌入式无线视频监控系统的设计》刊名：

计算机测量与控制年，卷（期）：

2009,17（6）

三、初步设计方法与实施方案

1、系统的总体方案设计

整个系统由硬件和软件两部分组成。

硬件部分由主控制板模块、摄像头采集模块、传输模块和视频监控PC等组成。

软件部分由linux2.6.12内核、摄像头驱动、网卡驱动以及视频图像的采集程序、图像的发送和接收程序等构成。

系统组成结构如图1所示。

首先，通过摄像头采集程序对图像进行采集，并通过摄像头中的DSP芯片对图像进行JPEG压缩，然后通过USB将采集到的数据发送到主控制板上，主控制板上对接收到的数据进行处理及存储，当需要对视频进行监控时，主控制板再运行图像的发送程序通过网卡将图像发送出去，最后我们通过接收程序使用另一个网卡对图像进行接收，最终显示在windowsPC显示屏中。

图1总系统构成

2、硬件设计

将飞凌公司的FL2440开发板作为主控制板，使用USB摄像头进行图像的采集，作为采集模块，并通过USB传输到主控制板。

传输模块使用有线（无线）网卡，采用IEEE802.3x以太局域网技术，进行数据的接发。

宿主机通过串口与开发板相连，对其进行控制及程序的调试。

整个硬件设计如图2所示。

图2系统硬件图

1主控制板

主控制板芯片采用飞凌公司的FL2440开发板,内部集成了三星公司ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器S3C2440，主频高达400MHz，能够完成JPEG软件图像压缩以及USB数据传送的要求。

FL2440内置丰富的外设资源，其中包括256MBNANDFlash、64MBSDRAM，串口和USB等接口控制电路

2数字摄像头

选用中星微的ZC301PH摄像头，内部有A／D转换芯片和DSP芯片，摄像头输出的是JPEG流，最大分辨率能达到640×480，支持的最小分辨率为160X120。

当图片大小设置成640×480，调色板设置成YUV420P时，经摄像头内部DSP处理后，输出JPEG流，图像数据量大为减少，加快了USB输出到处理器的速度。

3、软件设计

因开发应用环境是在嵌入式Linux系统下进行的，所以首先需要将嵌入式Linux的环境搭建好，应用程序开发的过程中，才能够进行编译、调试和运行。

1嵌入式Linux环境的建立

本文选用的是FL2440开发板，飞凌公司已给了建立嵌入式Linux环境所需要的开发包，我们依次对uboot，kernel，cramfs文件系统进行交叉编译后，通过USB下载到开发板上，有效地对开发板进行控制和调试。

2摄像头驱动和网卡驱动的移植

将开发板自带的有线网卡驱动源代码以及在网上将万能usb摄像头驱动程序源代码gspca webcamdrivers下载下来，gspca webcamdrivers是linux下摄像头支持的最广泛的一个驱动, 这是由一个法国医生（http:

//mxhaard.free.fr/）所设计编写的开源驱动，针对FL2440开发板修改后，把它们放在相应的内核目录下，修改相应的Kconfig，Makefile和编译器，内核选项等修改后，通过makemenuconfig命令进入内核配置界面，选择模块的方式，重新编译内核，最终得到它们相应的驱动（．ko文件）。

3基于V4L的视频采集程序

视频采集是整个视频采集模块的核心。

Video4Linux（简称V4L）是Linux专门针对视频设备提供的应用程序接口，是Linux对视频设备的内核级驱动。

通过它可以执行打开、读写及关闭等操作。

视频采集程序的流程如图3所示。

图3视频采集流程图

Video4Linux的结构体structv4l_struct包括以下变量structvideo_capability描述了设备名称，可支持的分辨率、信号源等摄像头的基本信息，通过ioctl函数的VIDIOCGCAP命令获得这些基本信息；structvideo_picture描述了设备采集图像的各种属性，这些属性可通过ioctl函数的VIDIOCGPICT命令获得，使用VIDIOCSPICT可改变图像的属性；structvideo_mbuf包含了利用内存映射获取数据时的帧信息，它可使用VIDIOCGMBUF获取；命令VIDIOCAMCAPTURE和VIDIOSYNC，分别用于获取视频图像、判断图像是否截取成功。

在V4L中有两种方式采集视频：

①用read（）函数直接读取方式；②用mmap（）函数内存映射方式截取视频。

mmap（）函数通过系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存，本系统采用内存映射方式。

USB摄像头在Linux中的设备文件名为/dev/video0，视频采集程序便是针对此设备名操作。

加载驱动后，利用pthread_create（）函数创建采集线程wl，调用open（）函数打开设备，调用成功表示捕获了视频硬件返回其描述符；利用ioctl中的VlDIOCGCAP命令获取设备文件的相关信息，VIDIOCGPICT读取采集图像的属性，使VIDIOCSPICT，

以及修改v_mmap中关于图像帧的设置等操作，对设备进行初始化设置。

完成后，使用VIDIOCAMCAPTURE捕获视频图像，通过VIDIOSYNC命令判断图像采集成功后，继续下一帧数据的采集。

4视频图像的压缩

获得视频数据后，由于原始的图像数据量很大，需要在网络传输前进行压缩。

视频压缩可以通过硬件或软件来实现。

本系统初步采用JPEG的压缩方法（参考备用方案是调用H.264编码库对数据进行编码，然后通过socket发给客户端）。

JPEG的编码器流程如图4所示。

原理如下：

8x8的图像经过DCT变换后，其低频分量都集中在左上角，高频分量分布在右下角。

由于低频分量包含了图像的主要信息（如亮度），而高频与之相比，就不那么重要了。

我们通过量化将高频分量去掉，这也是信息损失产生的根源。

JPEG使用的颜色是YUV格式，Y分量代表了亮度信息，UV分量代表了色差信息，相比而言，Y分量更重要一些，可以对Y采用细量化，对UV采用粗量化，进一步提高压缩比。

对相邻的子块直流（DC）系数的差值进行编码，对交流（AC）系数采用行程编码。

为了进一步提高压缩比，对DC码字和AC行程码字进行Huffman编码，最终获得压缩数据。

图4JPEG编码流程图

5网络传输程序

本文选用的是基于802.3x的以太局域网，可支持高达54Mbps的数据流，而我们选用的以太网卡，可支持高达100Mbps的数据流。

采用socket（）编程方式，初步利用利用TCP／IP协议（或RTP/RTCP协议）基于线程对数据进行无线传输。

程序分为服务器端和客户端程序。

通信流程如图5所示。

图5网络传输流程图

在服务端，首先利用pthread_create（）创建server_th线程，使用socket（）函数创建流式套接字，用bind（）函数建立服务器端地址与套接字的对应关系，用listen（）函数将刚创建的主动套接字转化成被动套接字，使它处于监听模式下，指示内核应接受发向该套接字的连接请求。

而此时，服务器的状态从CLOSED转换到了LISTEN状态。

在客户端PC，创建套接字程序，使用connect（）函数对服务器建立连接。

当TCP的三次握手完成后，服务器程序将数据从视频缓冲区拷到网络传输缓冲区，最后将数据发送给客户端程序。

客户端程序将接收到数据放到接收信息的数据缓冲区中，对其解压缩后，显示在监控PC上。

四、预期结果

以毕业论文方式提交实验结果及测试报告，并用实验板连接监控电脑演示实验结果。

五、进度计划

—17周-18周：

根据本课题的具体设计任务，熟悉课题，收集相关资料，进行调研和分析。

19周-20周：

确定总体方案。

撰写并完善开题报告，进行开题答辩。

01周-04周：

学习相关知识，设计系统的总体方案。

嵌入式图像采集系统的硬件设计。

设计图像传感器与嵌入式系统的接口。

05周-08周：

嵌入式图像采集系统的软件设计。

设计图像采集和存储的软件。

09周-10周：

实验及调试。

11周-13周：

总结毕业设计阶段的工作，撰写毕设论文，毕业设计答辩。