基于ARM 的图像处理和报警系统的设计

张欢欢，魏世民

（北京邮电大学 自动化学院，北京 100876）

0 引言

传统基于PC 机的图像处理系统体积庞大，不具有便携性；桌面操作系统不具有实时性。传统图像处理实现方法越来越不能满足图像应用实时性和小型化的要求[1]。嵌入式系统与其相比具有体积小、成本低、可靠性高等优点，在智能交通、远距离监控、计算机视觉等领域应用广泛[2]。本系统采用由广州友善之臂计算机科技有限公司开发的Tiny6410 开发平台，根据系统的功能需要对其硬件资源进行裁剪，并在报警系统中加入红绿LED指示灯硬件部分。该带有报警功能的图像处理系统，结构紧凑，实时性好。

1 系统总体方案

1.1 图像采集系统

图像采集系统主要分为两部分：图像采集部分和图像处理部分（可以计为前端部分和后端部分）。图像采集基本框架[3]如图1所示。

本系统采用通用接口USB 摄像头，Tiny6410 底板中保留USB 接口，用于连接USB 摄像头。USB 摄像头能够直接获取图像，然后传至ARM 核处理。

1.2 系统总体组成

图1 图像采集基本框图Fig.1 Image acquisition basic framework

一种嵌入式图像处理系统及报警系统，主要由硬件平台、Linux 嵌入式操作系统、软件设计三部分组成。而本文重点设计硬件平台。图2 是该系统的总体结构框图。其中硬件平台主要包括友善之臂公司的ARM11 Tiny6410 核心板、电源模块、实时时钟模块、RS232 串口模块、 以太网模块、USB Host 接口模块、SD Card 模块、蜂鸣器模块、LED 模块以及图像采集模块。

图2 图像处理与报警系统硬件总体结构框图Fig.2 The hardware architecture diagram of image processing and alarm system

2 系统硬件构成

2.1 基于S3C6410的Tiny6410 核心板模块

Tiny6410 是一款以ARM11 芯片（三星S3C6410）作为主处理其的嵌入式核心板，该CPU 基于ARM1176JZF-S核设计，内部集成了强大的多媒体处理单元。Tiny6410采用高密度6 层板设计，它集成了128M/256M DDR RAM,SLC NAND Flash（256M/1GB）或 MLC NAND Flash（2GB）存储器，采用5V 供电，在板实现CPU 必须的各种核心电压转换，还带有专业复位芯片，通过2.0mm 间距的排针，引出各种常见的接口资源，以供不打算自行设计CPU 板的开发者进行快捷的二次开发使用。直接利用Tiny6410核心板，节省了二次开发的时间，并且价格便宜。

2.2 基于USB 摄像头的图像采集模块

摄像头根据工作原理分为模拟摄像头和数字摄像头。由于数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串口、并口或USB 接口传到计算机或ARM 等主控板进行处理，已成为摄像头的主流，因此本文选用数字摄像头。数字摄像头连接方式有接口卡、并口和USB 接口。由于一般主板都支持USB 连接方式，方便、扩充能力强、传输速度快，有些USB 能提供电源，可以省略外接电源。再者Linux 操作系统提供了免驱的万能USB 摄像头驱动，可以直接利用，免去了写驱动接口的麻烦。

2.3 电源模块

Tiny6410 开发板采用5V 直流电源供电，提供了两个电源输入口，裁剪后的系统保留了这两个电源输入口，为整个硬件系统供电。其中CN1为附带的5V 电源适配器插座，S2为电源开关，CON1为4Pin 插座， 方便板子放入封闭机箱时连接电源。

RTC 模块： RTC（Real-Time Clock）实时时钟， 可掉电保存时间。RTC Battery 模块断电时为系统时钟供电。

2.4 通讯模块

通信模块包括RS232 串口模块和以太网模块。RS232 模块采用MAX3232 作为电平转换芯片， 同S3C6410的UART 接口连接，实现RS232 传输。 以太网模块采用了DM9000 网卡芯片，它可自适应10/100M 网络，RJ45 连接头内部已经包含了耦合线圈，因此不必另外连接网络变压器，使用普通的网线即可连接本硬件系统至PC 机。

2.5 SD 卡模块

SD 卡模块主要起到两个作用，一个是实现图像的存储，另一个是实现嵌入式系统的安装。6410 支持SD卡启动这一特性，利用友善之臂研制的Superboot，把目标文件拷贝到SD 卡（可支持高达32G的高速大容量卡），可以在开发板上极快速简单自动地安装各种嵌入式系统，甚至无需烧写，就可以在SD 卡上直接运行它们。

2.6 报警模块

报警模块包括蜂鸣器模块和LED 灯模块。正常状态下蜂鸣器不发出声音，LED 灯绿灯亮。当系统异常，或图像处理结果异常时，LED 红灯亮，并且蜂鸣器发出声音，实现报警功能。

3 图像处理算法及程序实现

本文以硬件设计为主要对象，对于图像处理算法并未过多深入的研究。但为了验证硬件系统的可行性及可靠性，利用常用的图像处理算法来验证。图像处理主要分为图像增强和图像模糊处理两大部分，其中图像增强又包括直方图均衡化、图像灰度化、图像平滑、滤波等方法。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位移操作来得到RGB 各分量值[4]。

图像增强，作用是增强图像中的有用信息，消弱干扰和噪声[5]。下面以颜色的提取与增强为例，设计了其程序实现流程。颜色提取流程如图3所示。

4 系统的软件设计

图3 颜色提取程序流程图Fig.3 The program flow chart of color extraction

图4 软件总体框图Fig.4 The overall block diagram of software

图5 图像处理任务流程图Fig.5 The overall flowchart of image processing task

本系统的软件部分主要分为系统软件和应用软件。系统软件即嵌入式系统软件，ARM11 Tiny6410 开发板支持Linux、WindowsCE、Android、Ubuntu 等嵌入式操作系统。根据Linux的开源性、多用户、多任务、支持多平台等特性，本文选择Linux 嵌入式操作系统。应用软件即为图像处理算法部分。软件部分总体框图如图4所示。

根据图像处理常用算法在Linux 操作系统中进行实现，将各个算法模块化，变成可调用的函数，将图像处理编成一个独立的任务，定时处理采集到的图像数据。图像处理任务的流程如图5所示。

5 结论

本文主要介绍了对广州友善之臂有限公司开发的ARM11 Tiny6410 开发板进行裁剪，并加入报警模块，实现了基于ARM的图像处理与报警系统。另外本文对于硬件系统各构成模块的功能原理进行了详细的描述，对软件部分给出了总体的设计流程。与传统的图像处理卡相比，基于ARM的嵌入式图像处理系统极大的简化了系统结构，降低了系统的设计成本，缩短了系统的开发周期，并提高了系统的可靠性。

[1]杨会丽.基于嵌入式系统的图像处理平台的设计[D].河北：河北科技大学，2009.

[2]林文森，李钟慎，洪健.基于RAM 嵌入式图像处理系统设计与实现[J].福州大学学报，2008，36.

[3]武颖.基于DSP的图像采集与处理系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[4]马俊青，宋爱国，甘英俊.一种基于ARM的图像处理系统的设计[J].电气电子教学学报，2009，4.

[5]庄剑毅，林颖.基于ARM 和图像处理的刀片分拣系统[J].机械与电子，2011，11.