分析嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)在圖像采集中的運(yùn)用

郝惠惠,張君君

(1.鄭州理工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州，451150；2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，451150)

1 圖像采集與處理技術(shù)的發(fā)展概況

所謂的圖像采集與處理，主要是指人們通過一定的儀器以及觀測(cè)手段，對(duì)客觀事物的圖像信息進(jìn)行獲取，運(yùn)用相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行處理，使圖像的處理結(jié)果能夠幫助人們更好的了解客觀世界。圖像采集與處理技術(shù)依舊屬于新興技術(shù)領(lǐng)域，在數(shù)字技術(shù)與微機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，給數(shù)字圖像處理提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。圖像采集與處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，主要包括：工業(yè)視覺中的工業(yè)檢測(cè)、探傷、測(cè)量以及自動(dòng)生產(chǎn)流水線方面?？臻g探測(cè)與遙感的地形地質(zhì)資源調(diào)查、預(yù)測(cè)自然災(zāi)害、處理氣象衛(wèi)星云圖等。生物醫(yī)學(xué)中的細(xì)胞分類、染色體分類、CT技術(shù)等方面。通信領(lǐng)域的圖像壓縮與傳輸以及圖像的序列處理。辦公自動(dòng)化中的漢字印刷識(shí)別、票據(jù)識(shí)別等。在傳統(tǒng)的圖像采集與處理系統(tǒng)中，大多以PC機(jī)作為處理主機(jī)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、易受干擾，另外，系統(tǒng)的集成度與保密性也很低。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式微處理器的圖像采集與處理系統(tǒng)成功研發(fā)，這種系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)圖像采集、圖像處理一體化，結(jié)構(gòu)更加緊湊，有效降低成本，提高處理速度，并且安裝方便、配置靈活，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 數(shù)字圖像處理的基本特點(diǎn)

（1）一般情況下，數(shù)字圖像處理的信息大多為二維信息，并且信息量很大，例如一幅高分辨率彩色512×512的圖像就要求768kbit的數(shù)據(jù)量，所以數(shù)字圖像處理對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度以及存儲(chǔ)容量的要求比較高。（2）數(shù)字圖像處理所占用的頻帶要比語(yǔ)言信息寬的多，在成像、傳輸、存儲(chǔ)、處理等多個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)難度都比較大，成本較高，所以對(duì)頻帶壓縮技術(shù)提出了更高的要求。（3）在數(shù)字圖像中，各個(gè)像素的相關(guān)性很大，并不獨(dú)立，在圖像畫面上會(huì)有很多像素有比較接近的灰度，相關(guān)系數(shù)會(huì)達(dá)到0.9以上，一般情況下，相鄰兩幀之間的相關(guān)性比幀內(nèi)相關(guān)性要大一些，所以，數(shù)字圖像處理具有很強(qiáng)的信息壓縮潛力。（4）由于二維圖像畫面不能反映三維景物信息，所以，針對(duì)三維景物一定要作合適的假設(shè)與測(cè)量，通過知識(shí)來(lái)引導(dǎo)了解三維景物。（5）數(shù)字圖像處理之后會(huì)給人進(jìn)行觀察與評(píng)價(jià)，由于人的視覺系統(tǒng)比較復(fù)雜，在不同環(huán)境條件、視覺性能、情緒愛好下，會(huì)對(duì)已經(jīng)處理的圖像做出不同的評(píng)價(jià)。

3 嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)在社會(huì)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展中都能夠創(chuàng)造出極大價(jià)值，實(shí)質(zhì)上，嵌入式系統(tǒng)以軟件與硬件為主，其中硬件為平臺(tái)的典型，能夠細(xì)化到處理器、硬件設(shè)備等構(gòu)件。在我國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用中，嵌入式系統(tǒng)是一種比較常見的形式，嵌入式系統(tǒng)大多通過系統(tǒng)移植技術(shù)，將微處理器“嵌入”到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中來(lái)確保系統(tǒng)智能化運(yùn)行。單片機(jī)是一種典型的嵌入式微控制器，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，與普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)成中最重要的部件是單片機(jī)系統(tǒng)，在對(duì)設(shè)備的操作與管理過程中發(fā)揮著重要作用。隨著單片機(jī)功能的不斷提升，促進(jìn)了嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)是多種技術(shù)有效結(jié)合在一起的產(chǎn)物。嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要包括CPU、SDRAM、Flash以及以太網(wǎng)接口等，另外，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)還具有充足的資源裝載和運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序，總體來(lái)看，嵌入式單片機(jī)具有體積小、低能耗、速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以裝載與運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

圖1 圖像采集與處理系統(tǒng)構(gòu)架

圖2 MAX7000系列芯片邏輯時(shí)序仿真

4 圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由圖像傳感器、邏輯時(shí)序結(jié)構(gòu)、圖像幀存儲(chǔ)器、嵌入式單片機(jī)組成，每一個(gè)硬件結(jié)構(gòu)都具有十分重要的作用，其中圖像傳感器在圖像采集系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用，其次，嵌入式單片機(jī)的作用也不容小覷，嵌入式單片機(jī)可以通過12C總線對(duì)功能寄存器進(jìn)行設(shè)置，有效對(duì)圖像數(shù)據(jù)的輸出格式、位數(shù)、速度等進(jìn)行控制。嵌入式單片機(jī)能夠提高圖像采集效率，節(jié)約圖像采集成本，圖像傳感器中的芯片輸出頻率較高，并且圖像輸出速度也比較快，首先通過CPLD將傳感器輸出的圖像存儲(chǔ)到圖像幀儲(chǔ)存器中，然后通過嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與分析。讀出圖像之后，邏輯時(shí)序譯碼器會(huì)產(chǎn)生讀信號(hào)，由地址發(fā)生器結(jié)合儲(chǔ)存器的片選、寫信號(hào)、速度等來(lái)產(chǎn)生同步的地址信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像幀儲(chǔ)存器數(shù)據(jù)總線的讀寫雙向操作目的。

5 基于ARM嵌入式微處理器的圖像采集與處理系統(tǒng)方案制定

完整的圖像處理系統(tǒng)不僅要具備圖像采集功能，而且要求對(duì)圖像能夠?qū)崟r(shí)分析與處理，本文分析的嵌入式單片機(jī)在圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，以ARM嵌入式微處理器為核心單元，以CPLD作為時(shí)序控制單元來(lái)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)采用CCD圖像傳感器為圖像輸入設(shè)備，A/D轉(zhuǎn)換芯片、CPLD以及存儲(chǔ)器作為前端采集系統(tǒng)，通過接口將所采集到的圖像傳輸?shù)紸RM嵌入式系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可以對(duì)所采集的圖像特征進(jìn)行分析并處理，處理結(jié)構(gòu)通過顯示器顯示出來(lái)，另外可以直接執(zhí)行器件發(fā)出控制指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示：其中虛線箭頭為控制信號(hào)。

由于A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸頻率與SDRAM的讀寫頻率不相匹配，所以需要添加一FIFO緩存器作為接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失或頻率差異，該系統(tǒng)的工作流程為：ARM向CPLD發(fā)出信號(hào)采集指令，由CPLD向CCD驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)編碼控制信號(hào)，CCD傳感器所采集到的圖像模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字化處理寫入到FIFO緩存，當(dāng)FIFO半滿時(shí)會(huì)提示CPLD讀取FIFO數(shù)據(jù)并且寫入到SDRAM中，寫滿一幀圖像之后，CPLD內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)切換，使ARM能夠讀取SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)，最后由ARM微處理器對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：在獲得圖像傳感器收集到的圖像信息之后，經(jīng)過數(shù)字化處理之后，在存儲(chǔ)介質(zhì)中進(jìn)行存儲(chǔ)，每次采集的圖像都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)處理，該系統(tǒng)通過高性能微處理器對(duì)圖像的結(jié)果進(jìn)行控制，做出判斷之后，最終輸出結(jié)果。

6 嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集時(shí)序仿真

對(duì)于圖像采集與處理系統(tǒng)來(lái)講，能夠正常工作的前提是可以高效準(zhǔn)確的獲得所需圖像信息，本次以Altera公司MAX7000系列的epm128s100芯片為例，進(jìn)行嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集時(shí)序仿真實(shí)驗(yàn)，該芯片可預(yù)測(cè)性強(qiáng)、速度快，能夠滿足高速圖像采集的需求。仿真結(jié)果如圖2所示。

Mcu_clk為單片機(jī)系統(tǒng)總線時(shí)鐘信號(hào)，rst為地址發(fā)生器清零信號(hào)，mcu_cs為單片機(jī)系統(tǒng)片選信號(hào)，mcu_read為單片機(jī)系統(tǒng)讀信號(hào)，mcu_write為單片機(jī)系統(tǒng)寫信號(hào)，cpld_cs為CPLD片選信號(hào)，sram_adr為地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號(hào)，sram_cs為圖像幀存儲(chǔ)器片選信號(hào)，sram_read為圖像幀存儲(chǔ)器讀信號(hào)，sram_write為圖像幀存儲(chǔ)器寫信號(hào)，sram_data為圖像幀存儲(chǔ)器圖像輸出數(shù)據(jù)，mcu_data為嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)。單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)幀存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取時(shí)，與CPLD相連的地址信號(hào)、片選信號(hào)和讀信號(hào)均有效，sram_adr加1，并將地址信號(hào)傳送到圖像幀存儲(chǔ)器中，會(huì)將圖像幀存儲(chǔ)器的片選信號(hào)與讀信號(hào)置為有效，這樣一來(lái)就會(huì)將圖像數(shù)據(jù)從圖像真存儲(chǔ)器中讀入到單片機(jī)系統(tǒng)中。

7 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加準(zhǔn)確，促進(jìn)圖像采集工作的效率提升，為我國(guó)社會(huì)發(fā)展建設(shè)做出重要貢獻(xiàn)。為了使嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)在圖像采集中更好的發(fā)揮作用，還需相關(guān)研究人員加強(qiáng)對(duì)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)在圖像采集與處理中的運(yùn)用進(jìn)行分析。