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基于嵌入式Linux系統(tǒng)的圖像處理研究論文
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。基于嵌入式平臺的圖像處理系統(tǒng)是未來圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，研究如何將嵌入式平臺和圖像處理結(jié)合起來，對于進一步拓展圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域具有非常深遠的意義。本文分別介紹本系統(tǒng)軟硬件整體設(shè)計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)的計算機系統(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)正在成為微型計算機開發(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、數(shù)碼、mp4等產(chǎn)品的嵌入式處理器已在上述市場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、機器人控制中的圖像領(lǐng)域，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中利用圖像進行的精確制導(dǎo)、無人飛機的電視導(dǎo)航等。
美國“索杰納”火星車作為技術(shù)高密集的移動機器人，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和實時圖像處理等領(lǐng)域的最新發(fā)展，嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)采用基于DSP+FPGA+ARM的硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，將高速的DSP與在通訊、網(wǎng)絡(luò)和實時控制方面具有獨特優(yōu)勢的StrongARM處理器以及接口邏輯豐富、并行運算能力強大的FPGA結(jié)合起來，為嵌入式實時環(huán)境下一些復(fù)雜算法的實現(xiàn)開辟了新的途徑。但該系統(tǒng)在軟件實現(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)進程或系統(tǒng)調(diào)用的方式工作。因而整個系統(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)境有幾個方案：
�。�1）基于PC機Windows操作系統(tǒng)下的CYGWIN。
�。�2）在Windows下安裝虛擬機后，再在虛擬機中安裝Linux操作系統(tǒng)。
�。�3）直接安裝Linux操作系統(tǒng)。
我們實際的開發(fā)環(huán)境為第二種方法，即在虛擬機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，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，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)動程序，使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動。建立根文件系統(tǒng)，使用Busybox軟件進行功能裁減，產(chǎn)生一個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。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)的快速實時。ARM處理器通過USB配置OV511，OV511則對CMOS圖像傳感器的控制字進行配置。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
線程是一組指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里獨立執(zhí)行，所以線程基本上是輕量級的進程，它負責(zé)在單個程序里執(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，通過互斥鎖和條件變量來同步線程。設(shè)計建立帶互斥鎖的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；}；再啟動圖像采集線程pthread_create（&th_cap，NULL，capture，0）進行圖像采集，建立圖像處理線程pthread_create（&th_pro，NULL，process，0）進行圖像處理；其中，互斥鎖lock用來實現(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線程發(fā)送信號的方法彌補互斥鎖的不足。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、人機用戶界面、實時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)的強大功能，圖像處理技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒃絹碓綄拸V。
參考文獻：
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