ARM的嵌入式圖像匹配處理系統設計與實現

王庭良

（西安明德理工學院，陜西西安，710124）

0 引言

隨著圖像傳感器的發展其分辨率、高幀率不斷提高，這就為圖像采集系統提出了更高的要求，圖像獲取和存儲的質量和效率有待提高，現有圖像采集大多通過計算機圖像采集卡實現，集成電子與無線通信技術為芯片集成度的提升提供了支撐，嵌入式處理器在無線通信領域應用廣泛，推動了圖像匹配處理技術的發展，傳統嵌入式系統顯示和處理圖像匹配的速度較慢且效率較低，已經無法滿足對圖像匹配進行全面實時處理的需求。對智能化的視頻圖像采集系統進行設計和完善成為重要的研究內容，為此本文主要完成了基于ARM的嵌入式圖像匹配處理系統的設計。

1 硬件平臺的構建

本文以采集、顯示、存儲、匹配處理圖像時的功能需求為依據，在確保同PC 機有效通信的基礎上，硬件核心選用 ARM 微處理，完成了圖像匹配處理系統的設計，為滿足系統功能需求，以最小硬件平臺為標準完成了平臺構建，系統硬件平臺架構如圖1 所示，主要由圖像采集、顯示、存儲、通信及電源管理幾個主要模塊構成，圖像通過USB 攝像頭的使用完成采集過程，系統存儲器采用了 NandFlash（系統存儲器），內存系采用了DDR2（512M），圖像的采集及匹配處理結果由LCD 顯示屏完成實時顯示過程，用戶同系統間的交互通過 LCD 觸摸顯示屏（最大分辨率為800x480）即可完成，U 盤、SD 卡及NandFlash 存儲器皆可作為圖像匹配處理結果的存儲路徑，平臺和上位 PC 機通過串口、USB 及網線接口連接，使系統同PC 機間的通信過程得以有效實現。

圖1 硬件平臺總體架構

本系統選用s5pv210 作為處理器（三星公司），其內部總線結構為64/32 位，可達到1GHz 的最大運行頻率，分為一級緩存和二級緩存（分別為32/32KB、512KB）。內嵌于s5pv210中的SGX540（圖形加速引擎）在圖像匹配處理上具備較大的優勢，通過提供硬件加速支持顯著提升了處理速率。采用彩色液晶電容屏作為LCD 顯示屏實現了圖像采集和匹配處理結果的實時顯示。串口、USB 和網線接口除負責同上位 PC 機建立通信過程外還為后續系統的升級和維護帶來了極大的便利。COMS 作為USB 攝像頭的傳感器其最大幀數為每秒30 幀，通過USB 接口（ARM 外擴）同系統平臺建立連接。

2 系統軟件架構的設計與實現

本文的嵌入式軟件架構以搭建系統操作環境及圖形應用程序作為主要設計目標，統軟件架構如圖2 所示，嵌入式操作系統的預先移植需在圖形用戶應用程序運行前完成，先完成了嵌入式操作系統環境（ Linux）的搭建，主要通過在PC 機上完成交叉編譯環境的建立（使用ARM/Linux/gcc），在此基礎上對Bootloader、Linux 內核進行編譯并完成根文件系統的制作，再完成到目標板上的移植過程，從而完成Linux 嵌入式系統在ARM 上的搭建。接下來通過使用Qt 完成ARM 的圖形應用程序的編寫（在 PC 上），編寫人機交互界面用于設置攝像頭參數及顯示、保存和匹配處理圖像等操作，以便于用戶操作。

圖2 系統軟件架構

2.1 嵌入式操作系統環境的搭建

本文采用PC 機一臺作為開發的宿主機，在PC（上完成了操作系統及應用程序的開發，然后在目標板上完成運行過程，操作系統的編譯及程序設計均在已建立的交叉編譯環境中完成，在PC 上開發的需在目標板上下載應用程序完成運行驗證，完成 Bootloader 引導程序制作后啟動Linux 系統，運行根文件系統進而運行整個系統程序。最后在目標板上將引導程序、根文件系統及內核映像進行鏡像燒寫完成操作系統環境的搭建。

2.2 圖形應用程序的設計與實現

ARM 的圖形應用程序通過Qt 的使用完成編寫過程（在PC 機上），Qt 開發的圖形應用程序在Linux 系統里能夠很好的運行，通過采用Qt 的多線程技術（表現為多任務、并發的工作方式）使圖像數據的實時顯示和處理過程得以有效實現。在一個新的線程中通過使用多線程技術安置費時的操作避免了長時間等待的問題，使應用程序響應速度及效率得以顯著提升。

2.2.1 圖像采集的實現

Linux 系統中圖像采集采用V4L2（Video 4 Linux2，關于視頻設備的內核驅動）接口實現，是，V4L2 含有豐富的接口函數，用于視頻設備的應用編程（TV 卡、USB 攝像頭等），能夠采集圖片、視頻、音頻等信息，各外設在Linux 均被視為一種設備文件，V4L2 將包括在內open、read、write、close函數在內基本函數（定義在file_operations 中）提供給了USB 攝像頭，程序的結構和符號在usr/include/Linux/Video中進行驅動。采用內存映射方法，將獲取的緩存幀完成到用戶空間的映射（通過mmap()函數）。應用程序調用時遵循先進先出的規則，交替使用兩幀圖像的緩存實時采集視頻圖像，緩存完并發送出一幀后，由第二幀覆蓋前一幀。攝像頭設備初始化:通過文件/dev/Video0 打開視頻設備USB 攝像頭，通過open 函數的調用打開攝像頭及相關應用程序；通過調用ioctl()函數和接口命令完成攝像頭信息的查詢及參數的獲取，包括像素格式及對流操作的支持情況；通過VIDIOC_S_FMT 的使用完成對圖像采集方式及參數的設置（像素格式為YUVY）；在此基礎上通過攝像頭采集圖像：首先需通過VIDIOC_REQUFS 參數完成 緩 存 區的申請，接下來對各緩存的信息進行提取，在用戶空間采用mmap()函數完成數據的映射，在此基礎上通過VIDIOC_STREAMON 命令實現對視頻圖像的采集，從而將視頻幀圖像采集出來，對其進行解碼以供LCD進行顯示，調用close()函數關閉相關設備。在嵌入式系統中為使內存泄露及系統崩潰問題得以有效避免，采集圖像停止時需回收內存。

2.2.2 圖像的顯示與保存

通過采用QtCreator 的圖形界面設計實現圖像顯示，以.ui 作為文件格式，使用戶圖形界面布局更加直觀，以便于具體功能的實現，各元件間通過信號與槽的響應機制的使用實現協同工作，先對視頻幀圖像采用load()函數完成加載后，再將其通過QLabel 部件使用完成圖像信息的實時顯示，SD 卡指定文件夾中保存符合要求的圖像（通過get FileName函數）后經過圖像處理子線程進一步處理后再次保存。

為檢測本文所設計的基于ARM 的嵌入式圖像處理系統的實用性和穩定性，本文通過圖像邊緣提取實驗完成檢測過程，在圖像識別及提取過程中，圖像邊緣信息是圖像的重要特征屬性，目標圖像同背景間通過檢測目標邊緣方法實現二者間的分割，對原始彩色圖像采用sobel 算子完成邊緣的直接提取，實驗結果表明LCD 顯示屏在圖像匹配處理過程中能夠有效實現圖像的實時顯示，通過PC 機可根據實際需要對顯示圖像進行相關操作和控制，明顯提高了圖像處理效率，具有較高的實際應用價值。

3 結束語

本文主要完成了嵌入式圖像處理系統的設計，系統以s5pv210 為核心，完成Linux 操作系統環境搭建后，結合使用多線程技術對圖形應用程序進行編寫。基于V4L2 接口完成圖像采集設計，并開辟子線程對圖像數據進行處理，確保圖像能夠實時顯示，提高了設計策略質量，具有較高的穩定性和實際應用價值。