基于嵌入式Linux系統(tǒng)的圖像處理研究論文

實(shí)用文時(shí)間：2021-08-31 手機(jī)版

　　摘要：嵌入式圖像處理系統(tǒng)的完成將為圖像處理開辟新的實(shí)現(xiàn)途徑，并且為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用打開一片新的領(lǐng)域。基于嵌入式平臺(tái)的圖像處理系統(tǒng)是未來圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，研究如何將嵌入式平臺(tái)和圖像處理結(jié)合起來，對(duì)于進(jìn)一步拓展圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域具有非常深遠(yuǎn)的意義。本文分別介紹本系統(tǒng)軟硬件整體設(shè)計(jì)及嵌入式圖像處理系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式；Linux；圖像處理

　　引言

　　數(shù)字圖像處理系統(tǒng)是執(zhí)行處理圖像、分析理解圖像信息任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管圖像處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，圖像處理系統(tǒng)種類很多，但他們的基本組成是相近的。嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要包括：圖像輸入設(shè)備、執(zhí)行處理分析與控制的微處理器、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)庫、圖像處理程序庫。

　　一、嵌入式系統(tǒng)圖像處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　目前國內(nèi)外嵌入式圖像處理系統(tǒng)正在成為微型計(jì)算機(jī)開發(fā)的熱門研究課題。結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的高端圖像處理性能，手機(jī)、數(shù)碼、mp4等產(chǎn)品的嵌入式處理器已在上述市場(chǎng)中占有比較大的份額，而且嵌入式系統(tǒng)已成功應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人控制中的圖像領(lǐng)域，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中利用圖像進(jìn)行的精確制導(dǎo)、無人飛機(jī)的電視導(dǎo)航等。

　　美國“索杰納”火星車作為技術(shù)高密集的移動(dòng)機(jī)器人，采用的是美國WindRiver公司的Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)。火星車上負(fù)責(zé)采集、處理傳輸圖像的控制器采用16位以上的處理器，各種MCU如ARM、MIPS、68K系列的處理器在控制器中占據(jù)核心地位。

　　近年來，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、DSP和實(shí)時(shí)圖像處理等領(lǐng)域的最新發(fā)展，嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)采用基于DSP+FPGA+ARM的硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將高速的DSP與在通訊、網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)控制方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的StrongARM處理器以及接口邏輯豐富、并行運(yùn)算能力強(qiáng)大的FPGA結(jié)合起來，為嵌入式實(shí)時(shí)環(huán)境下一些復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)開辟了新的途徑。但該系統(tǒng)在軟件實(shí)現(xiàn)中的'一些關(guān)鍵問題，特別是DSP代碼的開發(fā)與優(yōu)化等內(nèi)容還不成熟和完善。

　　在軟件方面，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)一般采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，例如任務(wù)調(diào)度、任務(wù)之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等，其它的應(yīng)用組件，比如網(wǎng)絡(luò)功能、GUI系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進(jìn)程或系統(tǒng)調(diào)用的方式工作。因而整個(gè)系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)特定應(yīng)用要求選用相應(yīng)的組件。嵌入式操作系統(tǒng)主要有Vxworks、QNX、PalmOS、Windows CE、Linux等。

　　二、Linux開發(fā)環(huán)境的建立

　　嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境有幾個(gè)方案：

　　（1）基于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的CYGWIN。

　　（2）在Windows下安裝虛擬機(jī)后，再在虛擬機(jī)中安裝Linux操作系統(tǒng)。

　　（3）直接安裝Linux操作系統(tǒng)。

　　我們實(shí)際的開發(fā)環(huán)境為第二種方法，即在虛擬機(jī)new Red Hat Linux VMware Workstation中安裝Red Hat Linux 9.0，它支持中文，并且包含了絕大部分的開發(fā)工具。開發(fā)環(huán)境建立步驟如下：

　　操作系統(tǒng)使用Red Hat Linux 9.0，選擇完全安裝，需要磁盤空間大約5G。接著安裝Linux的編譯器和開發(fā)庫以及ARM-Linux的所有源代碼，需要空間大約為800M。然后安裝相應(yīng)的GCC交叉編譯器arm-linux-gcc。配置開發(fā)主機(jī)，配置Minicom，該軟件作為調(diào)試嵌入式開發(fā)板信息輸出的監(jiān)視器和鍵盤輸入的工具，一般參數(shù)為波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1，無奇偶校驗(yàn)，軟硬件控制流設(shè)為無。

　　關(guān)閉防火墻，配置NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。建立引導(dǎo)裝載程序Bootloader，本文使用北京博創(chuàng)公司提供的vivi。然后下載ARM-Linux，添加自己的特定硬件的驅(qū)動(dòng)程序，使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動(dòng)。建立根文件系統(tǒng)，使用Busybox軟件進(jìn)行功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應(yīng)用需要添加其他的程序。修改根文件系統(tǒng)中的啟動(dòng)腳本，它的存放位置位于/etc目錄下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile等，自動(dòng)掛裝文件系統(tǒng)的配置文件/etc/fstab。根文件系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中一般設(shè)為只讀，需要使用mkcramfs、genromfs等工具產(chǎn)生燒寫映象文件。建立應(yīng)用程序的flash磁盤分區(qū)，本系統(tǒng)使用線性Nor-Flash，使用YAFFS文件系統(tǒng)，在內(nèi)核中提供文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。最后將開發(fā)的應(yīng)用程序下載到根文件系統(tǒng)中。

　　三、圖像采集和顯示設(shè)備分析

　　在圖像采集模塊，遵循V4L（Video for Linux）的標(biāo)準(zhǔn)，使用網(wǎng)眼PC350攝像頭采集圖像。整體的USB圖像采集部分可由CMOS圖像傳感器、USB Camera控制器OV511和256K RAM構(gòu)成。OV511內(nèi)置了USB收發(fā)控制器，能夠?qū)?shù)字圖像數(shù)據(jù)通過USB傳給ARM處理器，保證了數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)。ARM處理器通過USB配置OV511，OV511則對(duì)CMOS圖像傳感器的控制字進(jìn)行配置。圖1為圖像采集子系統(tǒng)框圖。

　　圖像顯示模塊采用8""TFT彩色液晶觸摸屏，256色，分辨率為640×480，點(diǎn)距為0.2535×0.253，通過32針并口與開發(fā)板通訊。

　　四、軟件的多線程整體設(shè)計(jì)

　　線程是一組指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里獨(dú)立執(zhí)行，所以線程基本上是輕量級(jí)的進(jìn)程，它負(fù)責(zé)在單個(gè)程序里執(zhí)行多任務(wù)。多線程程序作為一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是提高應(yīng)用程序的響應(yīng)速度。使用多線程技術(shù)，可以避免主程序等待的情況，從而提高程序運(yùn)行效率。

　　通常嵌入式系統(tǒng)中圖像采集速度較快，而圖像處理速度較慢，為解決二者速度不匹配和資源共享問題，以提高系統(tǒng)工作效率，本文采用圖像采集和處理多線程設(shè)計(jì)，通過互斥鎖和條件變量來同步線程。設(shè)計(jì)建立帶互斥鎖的4幀圖像緩存區(qū)作為圖像采集線程和圖像處理線程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的共享緩沖區(qū)。圖像采集線程順序地從V4L接口程序獲取圖像存入共享緩存區(qū)，然后由圖像處理線程不斷地從共享緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理。主流程如圖2所示。

　　圖2 系統(tǒng)主流程圖

　　程序首先進(jìn)行視頻設(shè)備初始化，獲取攝像頭基本信息和采集圖像的各種屬性，并分配4幀圖像緩存區(qū)struct image_buf{int buffer[BUFFER_SIZE]；pthread_mutex_t lock；int readpos，writepos；pthread_cond_t notempty；pthread_cond_t notfull；}；再啟動(dòng)圖像采集線程pthread_create（&th_cap，NULL，capture，0）進(jìn)行圖像采集，建立圖像處理線程pthread_create（&th_pro，NULL，process，0）進(jìn)行圖像處理；其中，互斥鎖lock用來實(shí)現(xiàn)兩線程間圖像數(shù)據(jù)的共享和通信，但只有鎖定和非鎖定兩種狀態(tài)，因此通過設(shè)置條件變量notempty、notfull來監(jiān)聽圖像緩存區(qū)狀態(tài)，通過允許線程阻塞和等待另一個(gè)線程發(fā)送信號(hào)的方法彌補(bǔ)互斥鎖的不足。Readpos和writepos用來確定緩沖區(qū)中圖像的讀寫位置。

　　五、結(jié)束語

　　基于嵌入式系統(tǒng)的圖像處理與界面開發(fā)技術(shù)將嵌入式技術(shù)的多功能、可配置、多種通信模式、方便的網(wǎng)絡(luò)接口、人機(jī)用戶界面、實(shí)時(shí)性帶入了圖像處理領(lǐng)域。伴隨著圖像處理技術(shù)應(yīng)用的深入，再結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，圖像處理技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒃絹碓綄拸V。

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