基于ARM的图像处理技术在电梯门系统的设计

邢海潇,赵国军,王 飞,曾国伟,陆鑫森

(浙江工业大学机械工程学院,浙江 杭州 310032)

随着现代化城市的高速发展,高层建筑的日益增多,电梯需求量越来越大,同时,人们对电梯的要求也越来越高.作为进出电梯轿厢安全保证,门保护装置一直是用户最关心的产品之一,也是衡量电梯质量的一个重要指标.目前,电梯门保护装置主要分2大类:机械门保护,光电门保护[1].随着图像识别技术的日新月异,提出了基于ARM的嵌入式图像识别智能电梯门安全保护系统.通过硬件的设计和运用,以及算法的研究,开发出一套智能的通过图像识别的电梯门安全保护系统(以下简称系统).系统主要实现的功能:在电梯门即将关闭时有人以一定角度走向电梯门时,系统能通过这个人的运动轨迹识别其是要乘电梯还是仅仅路过,从而控制电梯门的开启或关闭,达到“闻香识客”的功能.

1 系统的组成

系统总体设计思路是用CMOS摄像头采集转换视频信号,用ARM9内核的高速主控芯片S3C2440A进行采集图像的缓存控制,并用动态检测算法对图像进行判别,识别有无运动目标出现,并进行轨迹分析.结合课题的应用背景,必须能保证控制的快速响应,方便快速采集图像数据并进行传输,考虑到图像数据量庞大性,处理的复杂性,它还必须具有强大的计算能力和快速的处理能力.选用SAMSUNG公司生产的带CMOS摄像头接口的ARM9核心的S3C2440A处理器,工作频率可达400 MHz[2].该处理器使用ARM920T控制器,A/D转换器,GPIO等功能之外,还集成了一个摄像头接口(CAMIF),该接口是图像采集的核心部分.同时处理器的可扩展能力较强,可以支持未来系统的升级需要而留有余量.

硬件系统包括基于CMOS摄像头OV7620的图像采集模块,存储模块,图像处理模块,通信模块,电源模块等子模块.示意图见图1.

图1 系统总示意图Fig.1 System general diagram

系统在S3C2440A处理器的控制下从CMOS摄像头采集信号,经过编码、DMA传输到内存缓冲,接着由软件对采集的信号进行压缩打包.然后用软件对一帧帧图像,进行帧间差分、背景差分等的处理,最终根据得到的结论,发送至电梯主控制器,最后由电梯主控制器对电梯门机进行控制.

1.1 图像采集接口

图像传感器接口电路是硬件设计的关键部分,因为系统的可靠性取决于能否有效地采集数据.如何有效地采集数据也是系统的关键问题.图像传感器是获取图像的核心器件,它的作用是将来自于镜头的光信号转换为电信号.

系统采用OmniVision公司CMOS摄像头OV7620采集图像,OV7620是VGA/QVGA,326 688像素,完全可编程数字单片摄像芯片.像素矩阵664×492,处理像素640×480;设计中采用QVGA输出,可以达到每秒输出30帧的速度.以隔行扫描或逐行扫描的方式输出数据,特别是逐行扫描的方式使其易与微系统接口[3].

采用的OV7620图像传感器,内部集成了时序电路,模拟信号处理电路,数字信号处理电路,支持RGB(4∶2∶2),YUV(4∶2∶2),YCrCb(4∶2∶2)数据输出格式,内置138设备控制寄存器,地址分别从0x00到0x8A,通过SCCB(Serial Camera Control Bus)接口可以方便的设置传感器视窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、饱和度、色调等.由于S3C2440A芯片有一个专用的视频接口,所以CPU可以直接和CMOS图像传感器连接.连接示意图见图2[4].

图2 图像传感器OV7620与S3C2440A连接图Fig.2 Linked diagram for Image senor of OV7620 to S3C2440A

1.2 图像采集控制原理及配置

S3C2440A的摄像头接口(CAMIF)的模块支持IT U-RBT.601/656 YCbCr 8比特标准的图像数据输入.摄像头接口可以有两种模式和DMA控制器进行数据传输,大大提高了采集速率.一种是P端口模式,它把从摄像头接口采样到的图像数据转为RGB数据.并在DMA控制下传输到SDRAM,一般这种模式用来提供图像预览功能;另一种是C端口模式,它把图像数据按照YCbCr(4∶2∶0)或(4∶2∶2)的格式传输到SDRAM,这种模式主要为MPEG-4,H.263等编码器提供图像数据的输入.上述的两种工作模式都允许设置一个剪辑窗口,只有进入这个窗口的图像数据才能够传输到SDRAM.

系统使用C端口模式的DMA进行数据的传输与储存,采样一帧图像之前首先设置采样图像的分辨率,剪辑窗口大小等参数,然后设置DMA控制器访问的视频采样输出缓冲的内存地址,接着我们就可以通过设置S3C2440A的CAMIF接口控制寄存器启动一帧图像的采集,当采集完一帧图像时,CAMIF接口会自动启动一次DMA通信把采集的图像数据传到内存,传输结束后,会产生一个中断通知驱动一帧数据采样和传输结束.

2 系统的软件设计

系统的软件设计包括写下位机ARM9的程序设计与上位机界面的软件编写.ARM9控制器的软件设计是软件设计的主体部分,则主要实现以下功能:CMOS图像传感器的驱动和控制、图像的传输处理、人机交互功能、内外数据通讯功能.CMOS摄像头的驱动和控制包括摄像头的初始化,图像数据的读取;图像的传输处理包括图像数据的保存,及算法的移植实现;人机交互功能则包括键盘输入发光二极管指示运行状态等;内外数据通讯功能包括与上位机的通讯以及与外部电梯主控制器设备的通讯.上位机主要通过Delphi来完成CMOS图像传感器参数的设置与修改、图像的显示功能的.

系统软件程序均采用模块化设计,各个模块相对独立,但它们通过主程序相贯通.这样设计的好处在于对程序进行分块调试与试验.若日后由于程序量庞大而导致问题出现,到时就可以有针对性地对出错的模块进行详细分析,从而大大节省维护时间.下面对ARM9控制器的软件设计进行说明.

图3为S3C2440控制器整体软件结构图,其功能如下:程序一开始,首先对各个模块进行初始化;然后由上位机程序对摄像头进行参数设置和修正;紧接着,上位机发出图像采集命令,S3C2440的CAMIF模块对OV7620摄像头进行图像采集,并把数据通过DMA通道传送到指定的RAM中暂存.接下来根据铵键确定是背景自学习状态还是运动目标识别状态.从而分别调用背景建立任务和目标识别任务来完成图像的处理储存和识别.最后把图像识别结果,通过串口输出经485总线传输给电梯总控制器,进而对电梯的机门进行控制.虽然很多子程序都是通过中断而触发的,这里,之所以没有把中断触发后的子程序直接在中断函数里运行,而是触发后仅仅把标志位置位,然后通过主程序查询去运行子程序,是因为由于程序量的庞大,不想在中断中占用过多的处理时间,以防到时过多中断触发同时出现而导致程序混乱.

图3 控制器软件总体流程图Fig.3 Overall flow diagram for controller

各个初始化模块的功能如下:各个IO口初始化用于确定各个引脚输入输出功能;串口1初始化用于确定与上位机界面通讯的相关寄存器设置;串口2初始化用于确定跟电梯主控制器之间通讯的相关寄存器设置;各个外部中断初始化用于对外部输入产生中断的相关寄存器进行设置;定时器初始化用于对定时有需要的功能寄存器进行设置.

3 结 论

当前图像与背景图像的帧差后,灰度阈值取为10以内时,过分灵敏,较容易误动作;灰度阈值取为10～15以内时,反应较为准确;灰度阈值取为15以上,则反应比较迟慢,不够灵敏.系统提出了一种基于ARM9(S3C2440)的图像处理技术的电梯门控制方法.该方法经过一系列的理论研究,以及通过实验证实,与传统的机械式,光电式相比,拥有识别空间广,识别反应迅速等优点.实现了智能性,实时性更好的电梯门保护装置,使得电梯门控制系统更具安全化,智能化,人性化,具有较高的实用价值.

[1] 万缨,韩毅,卢汉清.运动目标检测算法的探讨[J].计算机仿真,2006,23(10):221-226.

[2] 陈家盛.电梯实用技术教程[M].北京:中国电力出版社,2006.

[3] 李庆武,许和英,陈小刚,等.基于USB2.0的智能视频监控系统设计[J].光学技术,2007,33(S):22-24.

[4] 郭新华,蒋艳,曹建霞.基于ARM9的火灾图像报警监控系统设计[J].计算机应用,2007,27(S2):289-290.