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
JO U RN A L O F EEE
Vol.31 No.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:2009-03-29;修回日期:2009-04-28
作者简介:马俊青(1987-),女,硕士研究生,主要研究方向为康复机器人及系统,E -m ail:m jq8708@
宋爱国(1968-),男,博士后,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 -mail:a.g.song@
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,具有速度更快、体积更小、应用灵活及成本更低等优点。

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CAM IF(Camera Interface)的工作原理;在软件方面,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 语言编写图像处理程序。

测试结果表明,所研制的图像处理系统能够实时地实现颜色提取、灰度处理及边缘检测等功能。

关键词:图像处理;ARM ;颜色提取;边缘检测中图分类号:T P319
文献标识码:B 文章编号:1008-0686(2009)04-0066-04
Design of Image Processing System Based on ARM
MA 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,China)
Abstract:Co mpar ed w ith image processing system based on co mputers,sy stem based on ARM is a 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 algo 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 detectio n capabilities and so o n.Keywords:image pro cessing;ARM;co lor ex traction;edg e 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YL2440开发板,将JTAG 口、串口P2和USB HOST 接口与PC 机、PIO 并口、串口及USB DEVICE 连接。

1 系统的硬件构成
1.1 系统硬件总体框架
基于ARM 的图像处理系统的硬件总体框架如
图1所示。

S3C2440A 芯片以ARM 920T 为核心,工作频率高达400M H z,并且集成了LCD 控制器以
及摄像头接口。

YL2440开发板的两个标准五线串口波特率为115.2kbps,外接130万像素CCD 摄像头,一个50芯LCD 接口引出了LCD 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。

LCD 显示器选用YL2440开发板的标准配置三星3.5寸触摸式LT V350QV -F05型LCD 显示屏。

LCD 控制器以及CAM IF 集成在S3C2440A
核中。

图1 基于A RM 的图像处理系统硬件总体框架
1.2 摄像头接口C AMIF 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、RGB 格式转换模块、DM A 的P 通道和ISR 中断控制器,如图2所示。

视频数据以ITU -R BIT601格式进入CAM IF,经图像多路转换器,获取单元后以Y Cb Cr 以4:2:2格式进入RGB 转换模块,最后以RGB 格式输出。

其中Y 表示亮度分量,Cb 表示蓝色色度分量,Cr 表示红色色度分量。

CAM IF 中有两路相互独立的DM A 通道,分别为P 通道与C 通道。

系统所用的P 通道将RGB 图像经AH B 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MPEG -4和H 263的格式经AH B 总线存储到Codec
中。

图2 CA M IF 架构框图
IT U -R BT 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3 IT U-R BT 601输入时钟时序图
1.3 LCD 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LCD 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
CA M V SYN C I 高/低电平帧同步,由摄像头处理器控制
CA M H REF
I 高/低电平
水平信号,由摄像头处理器控制
CA M D AT A[7:0]I 无像素数据,由摄像头处理器控制
CAM CL K OU T O
无
摄像头处理器的主时钟
CA M RESET
O 高/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A P 而言
SCS2440A 芯片中的LCD 控制器包括将LCD 的图像数据从存于系统存储器中的视频缓冲器转化到LCD 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VFRAM E,VLINE,VCLK
和VM 等。

此外,包括配合摄像数据的数据端口VD[23:0],其结构如图4所示。

图4 LCD 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LCD 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,LCD 屏也将不断刷新显示新画面。

软件系统实现以下功能:¹将摄像头采集到的数据不经过处理
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直接在LCD 屏上显示;º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;¼凸显所采集到的图像中红色部分并保留其余图像;½将彩色图像灰度化处理;¾将彩色图像处理为底片模式;¿进行边缘检测;À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)LCD 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Bo ot Internal SRAM (4kB),是在YL2440开发板自带的引导程序基础上根据图像处理系统设计的需要进行删节和改编而成的。

它为系统提供了硬件层与软件层的一个接口,以引导应用程序到目标硬件平台的小应用程序,并在开发板上电后自动运行,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、U ART 初始化及U SB 端口初始化等工作。

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RGB 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So bel 算子求f x 的模板
00
001-1
00000001
00-1-101-202-1
01
求f y 的模板
000
100-10
0000
1
0-10
-1-2-10001
2
1
系统选用Roberts 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 -loader 程序加载运行。

将串口、USB 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0x 32000000(SDRAM)。

给开发板上电后进入Bootloader 界面。

通过U SB 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
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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A RM 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。

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(上接第65页卢 宁等文)
2 仿真与分析
根据以上理论分析,利用M atlab 软件对响应进行数字仿真,让PSK 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PSK 调制信号载频f c =465kH z ,S =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个点的采样波形如图2所示。

可以看出,原PSK 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2 P SK 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-1.5和1.1,而图2(d)所示全响应的前两个峰值分别可以达到-1.75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能上冲的最大值。

3 结语
对于PSK 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PSK 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。

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