一種基于ARM的圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第31卷 第4期2009年8月電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)JO U RN A L O F EEEVol.31 No.4Aug.2009一種基于ARM 的圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)馬俊青1,宋愛國1,甘英俊2(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省遠(yuǎn)程測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210096;2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇南京210037收稿日期:2009-03-29;修回日期:2009-04-28作者簡介:馬俊青(1987-,女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榭祻?fù)機(jī)器人及系統(tǒng),E -m ail:m jq8708宋愛國(1968-,男,博士后,教授,主要從事測控技術(shù)和智能儀器等方面的研究和教學(xué)工作,E -mail

2、:a.g.song摘 要:基于ARM 的圖像處理系統(tǒng)與基于PC 計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)相比,具有速度更快、體積更小、應(yīng)用靈活及成本更低等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了基于ARM 的圖像處理系統(tǒng)硬件構(gòu)成,分析了LCD 控制器與CAM IF(Camera Interface的工作原理;在軟件方面,重點(diǎn)介紹了基于ARM 的圖像處理系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)算法。此系統(tǒng)利用ADS1.2開發(fā)環(huán)境和C 語言編寫圖像處理程序。測試結(jié)果表明,所研制的圖像處理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地實(shí)現(xiàn)顏色提取、灰度處理及邊緣檢測等功能。關(guān)鍵詞:圖像處理;ARM ;顏色提取;邊緣檢測中圖分類號:T P319文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1008-0686(200904-

3、0066-04Design of Image Processing System Based on ARMMA Jun -qing 1,SONG A-i guo 1,GAN Ying -jun 2(1.Southeast Univ er sity ,N anj ing 210096,China;2.N anj ing Forestry Unive rsity ,N anj in g 210037,ChinaAbstract:Co mpar ed w ith image processing system based on co mputers,sy stem based on ARM is a

4、 faster,smaller and mo re flex ible application.And it ow ns adv antag es of low er costs.This paper intr oduces the hardw ar e of image pr ocessing sy stem based on ARM ,analy zes w or king principles o f LCD contr oller and CM IF(Cam er a Inter face .In so ftw are aspect,it illustrates softw are a

5、lgo rithm related to the system -design -pro cess in detail.The image processing software is desig ned and w ritten by m eans o f ADS1.2soft -w are developing platfo rm and languag e C.Ex perimental results show that the sy stem has rea-l time colo r ex traction,g ray -scale processing,edg e detecti

6、o n capabilities and so o n.Keywords:image pro cessing;ARM;co lor ex traction;edg e detection 本文介紹了筆者利用ARM 嵌入式系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的一種圖像處理系統(tǒng),該系統(tǒng)選用含有三星S3C2440A 的YL2440開發(fā)板,將JTAG 口、串口P2和USB HOST 接口與PC 機(jī)、PIO 并口、串口及USB DEVICE 連接。1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成1.1 系統(tǒng)硬件總體框架基于ARM 的圖像處理系統(tǒng)的硬件總體框架如圖1所示。S3C2440A 芯片以ARM 920T 為核心,工作頻率高達(dá)400M H z,并且集成了

7、LCD 控制器以及攝像頭接口。YL2440開發(fā)板的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)五線串口波特率為115.2kbps,外接130萬像素CCD 攝像頭,一個(gè)50芯LCD 接口引出了LCD 控制器的全部信號,資源豐富。基于ARM 的圖像處理系統(tǒng),在充分利用上述資源的情況下,將圖像處理程序利用引導(dǎo)裝載程序Bootloader 進(jìn)行BOIS 加載,實(shí)現(xiàn)了多種實(shí)時(shí)圖像處理功能。LCD 顯示器選用YL2440開發(fā)板的標(biāo)準(zhǔn)配置三星3.5寸觸摸式LT V350QV -F05型LCD 顯示屏。LCD 控制器以及CAM IF 集成在S3C2440A 核中。圖1 基于A RM 的圖像處理系統(tǒng)硬件總體框架1.2 攝像頭接口C AMIF 原理

8、系統(tǒng)的CAM IF 接口包括5個(gè)部分:圖像多路轉(zhuǎn)換器、獲取單元、RGB 格式轉(zhuǎn)換模塊、DM A 的P 通道和ISR 中斷控制器,如圖2所示。視頻數(shù)據(jù)以ITU -R BIT601格式進(jìn)入CAM IF,經(jīng)圖像多路轉(zhuǎn)換器,獲取單元后以Y Cb Cr 以4:2:2格式進(jìn)入RGB 轉(zhuǎn)換模塊,最后以RGB 格式輸出。其中Y 表示亮度分量,Cb 表示藍(lán)色色度分量,Cr 表示紅色色度分量。CAM IF 中有兩路相互獨(dú)立的DM A 通道,分別為P 通道與C 通道。系統(tǒng)所用的P 通道將RGB 圖像經(jīng)AH B 總線存儲到PIP 存儲器中,而C 通道將Y Cb Cr 以4:2:0或4:2:2圖像用MPEG -4和H

9、263的格式經(jīng)AH B 總線存儲到Codec 中。圖2 CA M IF 架構(gòu)框圖IT U -R BT 601格式圖像每一像素占用8個(gè)字節(jié),其輸入時(shí)鐘序列如圖3所示。其相關(guān)信號和CAM IF 其他接口信號的說明如表1 所示。圖3 IT U-R BT 601輸入時(shí)鐘時(shí)序圖1.3 LCD 控制器原理S3C2440A 內(nèi)部已經(jīng)集成了LCD 控制器,因 此可以很方便地去控制各種類型的LCD 屏幕。在表1 攝像頭接口信號描述信號名稱I/O 有效電平描述CAM PCL K I 無像素時(shí)鐘,由攝像頭處理器控制CA M V SYN C I 高/低電平幀同步,由攝像頭處理器控制CA M H REFI 高/低電平水

10、平信號,由攝像頭處理器控制CA M D AT A7:0I 無像素?cái)?shù)據(jù),由攝像頭處理器控制CAM CL K OU T O無攝像頭處理器的主時(shí)鐘CA M RESETO 高/低電平攝像頭處理器的軟件復(fù)位或掉電處理注:I/O 的輸入輸出方向是針對A P 而言SCS2440A 芯片中的LCD 控制器包括將LCD 的圖像數(shù)據(jù)從存于系統(tǒng)存儲器中的視頻緩沖器轉(zhuǎn)化到LCD 終端驅(qū)動(dòng)器的過程邏輯,用于轉(zhuǎn)換攝像數(shù)據(jù)并收集主要控制信號,如VFRAM E,VLINE,VCLK和VM 等。此外,包括配合攝像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)端口VD23:0,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 LCD 控制器的結(jié)構(gòu)框圖LCD 控制器在單色LCD 屏上支持單色

11、、2位或4位圖形格式。并利用基于時(shí)間的高頻算法和幀頻控制方法使其與8位或12位的超扭曲向列型液晶顯示屏幕進(jìn)行交互。當(dāng)它與調(diào)色薄膜晶體管(TFT交互時(shí),支持2位、16位或256位圖像顯示。當(dāng)與非調(diào)色式薄膜晶體管交互時(shí),支持16位和24位逼真彩色圖像顯示。通過編程,LCD 控制器可以支持與水平和垂直像素?cái)?shù)量有關(guān)的和與數(shù)據(jù)接口、轉(zhuǎn)換時(shí)間和更新速度的數(shù)據(jù)傳輸線寬度有關(guān)的多種要求。2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過攝像頭采集到圖像數(shù)據(jù),經(jīng)過處理后在LCD 屏上顯示。如果此時(shí)沒有中斷輸入,攝像頭便不停地采集新數(shù)據(jù),LCD 屏也將不斷刷新顯示新畫面。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能:¹將攝

12、像頭采集到的數(shù)據(jù)不經(jīng)過處理67第4期馬俊青,宋愛國等:一種基于A RM 的圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接在LCD 屏上顯示;º凸顯所采集到的圖像中綠色部分,并將其余顏色全部置黑;»顯示一幅設(shè)定好的靜態(tài)圖像;¼凸顯所采集到的圖像中紅色部分并保留其余圖像;½將彩色圖像灰度化處理;¾將彩色圖像處理為底片模式;¿進(jìn)行邊緣檢測;À執(zhí)行圖像處理的暫停、繼續(xù)及退出。本系統(tǒng)運(yùn)行主流程為:引導(dǎo)裝載程序LCD 初始化攝像頭初始化圖像處理。2.1 引導(dǎo)裝載程序引導(dǎo)裝載程序Bootloader 儲存在處理器內(nèi)部的Bo ot Internal SRAM (4

13、kB,是在YL2440開發(fā)板自帶的引導(dǎo)程序基礎(chǔ)上根據(jù)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行刪節(jié)和改編而成的。它為系統(tǒng)提供了硬件層與軟件層的一個(gè)接口,以引導(dǎo)應(yīng)用程序到目標(biāo)硬件平臺的小應(yīng)用程序,并在開發(fā)板上電后自動(dòng)運(yùn)行,包括對2440核I/O 接口端口A 至端口J 的初始化、ISR 中斷初始化、時(shí)鐘信號的設(shè)定、U ART 初始化及U SB 端口初始化等工作。2.2 圖像處理方法及程序?qū)崿F(xiàn)(1顏色提取與增強(qiáng)如果要進(jìn)行圖像處理,首先要進(jìn)行圖像的灰度化。以便繼續(xù)進(jìn)行圖像的分割處理。可以組合使用屏蔽字和移位操作來得到RGB 各分量值。顏色提取程序的流程如圖5 所示。圖5 絕色提取程序流程圖(2邊緣檢測微分運(yùn)算中有一階

14、微分與二階微分,這兩種微分都可以用在邊緣檢測與提取中。而在數(shù)字圖像中,數(shù)據(jù)是以一定間隔排列著,不可能進(jìn)行真正意義上的微分運(yùn)算。用相鄰像素間的差值運(yùn)算近似微分,故實(shí)際的運(yùn)算應(yīng)該是差分。用于進(jìn)行像素間微 分運(yùn)算的系數(shù)組被稱為微分算子。這些微分算子有多個(gè)種類,其中部分算子如表2。實(shí)際的微分運(yùn)算,就是計(jì)算目標(biāo)像素及周圍像素,分別乘上微分算子對應(yīng)數(shù)值矩陣系數(shù)的和,其結(jié)果被用作微分運(yùn)算后目標(biāo)像素的灰度值。表2 采用梯度運(yùn)算的微分算子算子名稱一般差分Roberts 算子So bel 算子求f x 的模板00001-10000000100-1-101-202-101求f y 的模板000100-1000001

15、0-10-1-2-1000121系統(tǒng)選用Roberts 微分算子。經(jīng)微分運(yùn)算后輸出的圖像是對應(yīng)于邊緣強(qiáng)度的灰度圖像。如果要求表示邊緣線或者在打印機(jī)上打印,有必要進(jìn)行二值化處理。圖6為邊緣檢測程序流程圖。圖6 邊緣檢測程序流程圖3 引導(dǎo)裝載程序加載與實(shí)驗(yàn)結(jié)果該軟件系統(tǒng)是直接通過S3C2440A 中的Boot -loader 程序加載運(yùn)行。將串口、USB 接口與電源線接好后,其DNW 的COM 口選擇1通道,波特率設(shè)為152kbps,地址基址定義在0x 32000000(SDRAM。給開發(fā)板上電后進(jìn)入Bootloader 界面。通過U SB 口加載編寫好的圖像處理程序后,LCD 顯示人機(jī)交互界面。

16、向PC 鍵入相應(yīng)數(shù)字后,系統(tǒng)便開始相應(yīng)的圖像處理。4 結(jié)語本文對S3C2440A 芯片的有關(guān)圖像處理硬件原68電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào) 第31卷理和應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,對相關(guān)的圖像處理算法與程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析,設(shè)計(jì)的圖像處理系統(tǒng)已成功地實(shí)現(xiàn)了基于A RM 的各種實(shí)時(shí)圖像處理功能。與普通的基于PC 計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)相比,ARM 嵌入式圖像處理系統(tǒng)極大的簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),縮短了開發(fā)周期,并且充分發(fā)揮了其速度快、體積小及應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1 李佳.ARM 系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊M .北京:人民郵電出版社,20062 陳兵旗,孫明.Vis ual C+實(shí)用圖像處理專業(yè)教程M .北京:清華

17、大學(xué)出版社,2004:54-743 武秀文.基于ARM 嵌入式平臺的圖像處理系統(tǒng)D.武漢:武漢理工大學(xué)碩士研究生論文.2006:25-264 優(yōu)龍科技有限公司.YL2440使用手冊V2006,20065 SUM S UNG ELE CTRONICS ,S 3C2440A 32-BIT CM OS M I -CROCONTROLLER US ER .S M ANU AL,20046 吳作勇等.基于FPGA 和ARM 的彩色圖像處理系統(tǒng)J.哈爾濱:自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2007,26(4:67-70(上接第65頁盧 寧等文2 仿真與分析根據(jù)以上理論分析,利用M atlab 軟件對響應(yīng)進(jìn)行數(shù)字仿真,讓P

18、SK 調(diào)制信號通過如下濾波器:H (s=(s 2-1.58s +0.96/(s 2-1.57s +0.9假設(shè)PSK 調(diào)制信號載頻f c =465kH z ,S =2f c 。對其以f sample =10f c 的速率采樣,采用脈沖響應(yīng)不變法將模擬濾波器變換成相應(yīng)的數(shù)字濾波器來逼近其頻率特性5。以t =0為跳變時(shí)刻,相繼100個(gè)點(diǎn)的采樣波形如圖2所示?？梢钥闯?原PSK 信號在相位跳變處的暫態(tài)響應(yīng)峰值由信號S 1(t 和信號S 2(t 分別經(jīng)過濾波器的響應(yīng)共同決定。圖2 P SK 調(diào)制信號與濾波器響應(yīng)的分解與合成圖2(a所示暫態(tài)響應(yīng)的前兩個(gè)峰值分別約為-1.5和1.1,而圖2(d所示全響應(yīng)的前兩個(gè)峰值分別可以達(dá)到-1.75和1.4左右,這個(gè)增益(約0.3就是由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)疊加上去的。而由式(17可以看出,穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值的大小和相位的偏移是受濾波器零點(diǎn)和極點(diǎn)配置影響的,而根據(jù)式(13和式(14暫態(tài)響應(yīng)的峰值