一种基于ARM的图像处理系统的设计.docx

1、一种基于ARM的图像处理系统的设计第31卷第4期2009年8月电气电子教学学报J OU RNAL OF EEEVol. 31No. 4Aug. 2009一种基于ARM 的图像处理系统的设计马俊青1, 宋爱国1, 甘英俊2(1. 东南大学仪器科学与工程学院江苏省远程测控技术重点实验室, 江苏南京210096;2. 南京林业大学机械电子工程学院, 江苏南京210037收稿日期:2009203229; 修回日期:2009204228作者简介:马俊青(19872 , 女, 硕士研究生, 主要研究方向为康复机器人及系统,E 2mail :mjq8708126. com宋爱国(19682 , 男, 博士后

2、, 教授, 主要从事测控技术和智能仪器等方面的研究和教学工作,E 2mail :a.g. song seu.edu. cn摘要:基于ARM 的图像处理系统与基于PC 计算机的图像处理系统相比, 体积更小、。本文介绍了基于ARM 的图像处理系统硬件构成, 分析了LCD 控制器与CAMIF (, 重点介绍了基于ARM 的图像处理系统软件实现算法。此系统利用ADS1. 2开发环境和C 实现颜色提取、灰度处理及边缘检测等功能。关键词:图像处理;ARM ; ; 中图分类号:TP319文献标识码:B文章编号:100820686(2009 0420066204Design of Image Processi

3、ng System B ased on ARMMA Jun 2qing 1,SONG Ai 2guo 1, G AN Ying 2jun 2(1. S out heast Universit y , N anj ing 210096, China; 2. N anj ing Forest ry Universit y , N anj ing 210037, China Abstract :Compared wit h image processing system based o n comp uters , system based on A RM is a faster , smaller

4、 and more flexible application. And it owns advantages of lower cost s. This paper introduces t he hardware of image processing system based on A RM , analyzes working p rinciples of L CD cont roller and CM IF (Camera Interface . In software aspect , it illust rates software algorit hm related to t

5、he system 2design 2process in detail. The image p rocessing software is designed and written by means of ADS1. 2soft 2ware developing platform and language C. Experimental result s show t hat t he system has real 2time color extraction , gray 2scale p rocessing , edge detection capabilities and so o

6、n. K eyw ords :image p rocessing ; A RM ; color ext raction ; edge detection本文介绍了笔者利用ARM 嵌入式系统所设计的一种图像处理系统, 该系统选用含有三星S3C2440A 的Y L2440开发板, 将J T A G 口、串口P2和US B HOST 接口与PC 机、PIO 并口、串口及US B DEVICE 连接。1系统的硬件构成1. 1系统硬件总体框架基于A RM 的图像处理系统的硬件总体框架如图1所示。S3C2440A 芯片以ARM920T 为核心,工作频率高达400M Hz , 并且集成了L CD 控制器以及

7、摄像头接口。Y L2440开发板的两个标准五线串口波特率为115. 2kbp s , 外接130万像素CCD 摄像头, 一个50芯L CD 接口引出了L CD 控制器的全部信号, 资源丰富。基于ARM 的图像处理系统, 在充分利用上述资源的情况下, 将图像处理程序利用引导装载程序Bootloader 进行BOIS 加载, 实现了多种实时图像处理功能。L CD 显示器选用Y L2440开发板的标准配置三星3. 5寸触摸式L TV350QV 2F05型L CD 显示屏。L CD 控制器以及CAM IF 集成在S3C2440A 核中。图1基于ARM 的图像处理系统硬件总体框架1. 2摄像头接口CAM

8、IF 原理系统的CAM IF 接口包括5个部分:图像多路转换器、获取单元、 R G B 格式转换模块、DMA 的P 通道和ISR 中断控制器, 如图2所示以ITU 2R BIT601格式进入, 转换器, 4R G B 转换模块, G B Y 表示亮度分量, Cb , Cr 表示红色色度分量。CAM IF 中有两路相互独立的DMA 通道, 分别为P 通道与C 通道。系统所用的P 通道将R G B 图像经A HB 总线存储到PIP 存储器中, 而C 通道将Y Cb Cr 以4:2:0或4:2:2图像用M PEG 24和H263的格式经A HB 总线存储到Codec 中。图2CAMIF 架构框图IT

9、U 2R B T 601格式图像每一像素占用8个字节, 其输入时钟序列如图3所示。其相关信号和CAM IF 其他接口信号的说明如表1所示。图3ITU 2R B T 601输入时钟时序图1. 3LCD 控制器原理S3C2440A 内部已经集成了LCD 控制器, 因此可以很方便地去控制各种类型的L CD 屏幕。在表1摄像头接口信号描述信号名称I/O 有效电平描述CAM PCL K I 无像素时钟, 由摄像头处理器控制CAM VSYNC I 高/低电平帧同步, 由摄像头处理器控制CAM HREFI 高/低电平水平信号, 由摄像头处理器控制CAM DA TA7:0I 无像素数据, 由摄像头处理器控制C

10、L T 摄像头处理器的主时钟/低电平摄像头处理器的软件复位或掉电处理注:I/O 的输入输出方向是针对AP 而言SCS2440A 芯片中的L CD 控制器包括将L CD 的图像数据从存于系统存储器中的视频缓冲器转化到L CD 终端驱动器的过程逻辑, 用于转换摄像数据并收集主要控制信号, 如V FRAM E , VL IN E , VCL K 和VM 等。此外, 包括配合摄像数据的数据端口VD23:0, 其结构如图4所示。图4L CD 控制器的结构框图LCD 控制器在单色LCD 屏上支持单色、2位或4位图形格式。并利用基于时间的高频算法和帧频控制方法使其与8位或12位的超扭曲向列型液晶显示屏幕进行

11、交互。当它与调色薄膜晶体管(TFT 交互时, 支持2位、16位或256位图像显示。当与非调色式薄膜晶体管交互时, 支持16位和24位逼真彩色图像显示。通过编程,LCD 控制器可以支持与水平和垂直像素数量有关的和与数据接口、转换时间和更新速度的数据传输线宽度有关的多种要求。2系统的软件设计本系统是动态的图像处理系统。系统通过摄像头采集到图像数据, 经过处理后在L CD 屏上显示。如果此时没有中断输入, 摄像头便不停地采集新数据,L CD 屏也将不断刷新显示新画面。软件系统实现以下功能:将摄像头采集到的数据不经过处理76第4期马俊青, 宋爱国等:一种基于ARM 的图像处理系统的设计直接在L CD

12、屏上显示; 凸显所采集到的图像中绿色部分, 并将其余颜色全部置黑; 显示一幅设定好的静态图像; 凸显所采集到的图像中红色部分并保留其余图像; 将彩色图像灰度化处理; 将彩色图像处理为底片模式; 进行边缘检测; 执行图像处理的暂停、继续及退出。本系统运行主流程为:引导装载程序L CD 初始化摄像头初始化图像处理。2 . 1引导装载程序引导装载程序Bootloader 储存在处理器内部的Boot Internal SRAM (4kB , 是在Y L2440开发, 包括对2440核I/O 接口端口A 至端口J 的初始化、ISR 中断初始化、时钟信号的设定、UAR T 初始化及U SB 端口初始化等工

13、作。2. 2图像处理方法及程序实现(1 颜色提取与增强如果要进行图像处理, 首先要进行图像的灰度化。以便继续进行图像的分割处理。可以组合使用屏蔽字和移位操作来得到R G B 各分量值。颜色提取程序的流程如图5所示。图5绝色提取程序流程图(2 边缘检测微分运算中有一阶微分与二阶微分, 这两种微分都可以用在边缘检测与提取中。而在数字图像中, 数据是以一定间隔排列着, 不可能进行真正意义上的微分运算。用相邻像素间的差值运算近似微分, 故实际的运算应该是差分。用于进行像素间微分运算的系数组被称为微分算子。这些微分算子有多个种类, 其中部分算子如表2。实际的微分运算, 就是计算目标像素及周围像素, 分别

14、乘上微分算子对应数值矩阵系数的和, 其结果被用作微分运算后目标像素的灰度值。表2采用梯度运算的微分算子算子名称一般差分Roberts 算子Sobel 算子求f x 的模板000012100000001002121012202211y 0001000001021212221000121系统选用Robert s 微分算子。经微分运算后输出的图像是对应于边缘强度的灰度图像。如果要求表示边缘线或者在打印机上打印, 有必要进行二值化处理。图6为边缘检测程序流程图。图6边缘检测程序流程图3引导装载程序加载与实验结果该软件系统是直接通过S3C2440A 中的Boot 2loader 程序加载运行。将串口、U

15、SB 接口与电源线接好后, 其DNW 的COM 口选择1通道, 波特率设为152kbps , 地址基址定义在0x32000000(SDRAM 。给开发板上电后进入Bootloader 界面。通过USB 口加载编写好的图像处理程序后,LCD 显示人机交互界面。向PC 键入相应数字后, 系统便开始相应的图像处理。4结语本文对S3C2440A 芯片的有关图像处理硬件原86电气电子教学学报第31卷理和应用设计进行了详细介绍, 对相关的图像处理算法与程序设计进行了详细分析, 设计的图像处理系统已成功地实现了基于ARM 的各种实时图像处理功能。与普通的基于PC 计算机的图像处理系统相比,ARM 嵌入式图像

16、处理系统极大的简化了系统结构, 缩短了开发周期, 并且充分发挥了其速度快、体积小及应用灵活等特点。参考文献:1李佳. ARM 系列处理器应用技术完全手册M .北京:人民邮电出版社,20062陈兵旗, 孙明. Visual C +实用图像处理专业教程M .北京:清华大学出版社,2004:542743武秀文. 基于ARM 嵌入式平台的图像处理系统D .武汉:武汉理工大学硕士研究生论文. 2006:252264优龙科技有限公司. Y L2440使用手册V2006,20065SUMSUN G EL ECTRONICS , S3C2440A 322BIT CMOS MI 2CROCON TROLL ER

17、 USER S MANUAL , 20046吴作勇等. 基于FP GA 和ARM 的彩色图像处理系统J.哈尔滨:自动化技术与应用,2007,26(4 :67270(上接第65页卢2根据以上理论分析, 利用Matlab 软件对响应进行数字仿真, 让PS K 调制信号通过如下滤波器:H (s =(s 2-1. 58s +0. 96 /(s 2-1. 57s +0. 9假设PS K 调制信号载频f c =465k Hz , =2f c 。对其以f sample =10f c 的速率采样, 采用脉冲响应不变法将模拟滤波器变换成相应的数字滤波器来逼近其频率特性5。以t =0为跳变时刻, 相继100个点的

18、采样波形如图2所示。可以看出, 原PS K 信号在相位跳变处的暂态响应峰值由信号S 1(t 和信号S 2(t 分别经过滤波器的响应共同决定。图2PSK 调制信号与滤波器响应的分解与合成图2(a 所示暂态响应的前两个峰值分别约为21. 5和1. 1, 而图2(d 所示全响应的前两个峰值分别可以达到21. 75和1. 4左右, 这个增益(约0. 3 就是由稳态响应叠加上去的。而由式(17 可以看出,稳态响应幅值的大小和相位的偏移是受滤波器零点和极点配置影响的, 而根据式(13 和式(14 暂态响应的峰值同样也受到滤波器零点和极点配置影响。因此, 合理选取滤波器的零点和极点, 可以有效控制暂态过程所

19、能上冲的最大值。3结语对于PS K 调制信号激励下滤波器响应的暂态过程峰值的影响主要有:图2(a 所示信号S 1(t 第一部分暂态响应的峰值位置与大小, 图2(b 所示信号S 1(t 第二部分暂态响应的幅度和相位偏移以及图2(c 所示信号S 2(t 稳态响应的幅度和相位偏移。由式(13 、式(14 和式(17 可以看出, 这3部分数值都受到滤波器零点和极点以及PS K 相位跳变角度的影响。这些结论可以有效指导UNB 滤波器的设计与理解。但是, 式(11 所表示的滤波器并不包含重极点情况, 重极点的全响应表达式更为复杂, 有待于进一步研究。参考文献:1H. R. Walker. Ult ra Narrow Band Modulation Textbook ,2007,http :/www. vmsk. org/2吴乐南. 超窄带高速通信进展J.北京:自然科学进展,2007,17(11 :1467214733陈晓毅, 姚庆栋, 刘小成. 高效数字调制VMSK 的错觉J.北京:电子与信息学报,2003,25(11 :1558215634管致中, 夏恭恪, 孟桥. 信号与线性系统(第4版 上、下册M .北京:高等教育出版社,20045吴镇扬. 数字信号处理M .北京:高等教育出版社,200496第4期马俊青, 宋爱国等:一种基于ARM 的图像处理系统的设计