嵌入式機(jī)器人系統(tǒng)通常需要高速、功能接口豐富的處理器系統(tǒng)，而最新的Micro2440開發(fā)板采用了三星S3C2440A處理器，該處理器基于 ARM920T內(nèi)核，工作頻率400 MHz，0.13 μm的工藝制造,具有高性價(jià)比、低功耗、高性能的特點(diǎn)[1],同時(shí)內(nèi)部集成了LCD、CMOS攝像頭等接口模塊，能夠高速快捷地完成視頻信號(hào)處理，而且豐富的外圍接口提供了系統(tǒng)良好的擴(kuò)展特性。另外Micro2440核心板可以與底板分離單獨(dú)運(yùn)行，為進(jìn)一步縮小體積預(yù)留了空間。無論是基于圖像的處理還是視頻流的處理，首先都需要完成視覺平臺(tái)的構(gòu)建，本文在Micro2440開發(fā)板的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了視覺處理平臺(tái)，完成了圖像、視頻的處理和顯示功能，并提出了基于顏色通道的背景差分法，完成目標(biāo)物體中心的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)整體流程

該平臺(tái)設(shè)計(jì)首先完成了基本的硬件初始化，而CMOS攝像頭驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)的圖像處理作為一個(gè)單獨(dú)的模塊進(jìn)行加載運(yùn)行。該嵌入式系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)是由 BootLoader（BootLoader是嵌入式系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段程序）來完成的。BootLoader分為兩個(gè)階段：第一階段通常由匯編語言實(shí)現(xiàn)完成部分硬件的初始化，創(chuàng)建C語言運(yùn)行環(huán)境；第二階段繼續(xù)進(jìn)行初始化完成MMU、LCD顯示等設(shè)置。在系統(tǒng)完成基本硬件的初始化工作后，便可以啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行圖像、視頻的采集處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

BootLoader的第一階段啟動(dòng)的流程依次為：ARM啟動(dòng)或重啟→設(shè)置中斷向量→禁止看門狗、中斷→設(shè)置時(shí)鐘→Sdram初始化→復(fù)制RO/RW段到 Sdram→ZI段清零→堆棧初始化→跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)。第二階段則完成了以下操作：main函數(shù)→端口初始化→設(shè)置中斷請(qǐng)求→設(shè)置主頻→串口初始化→ 設(shè)置MMU→打開Cache→LCD初始化。ARM系統(tǒng)MMU的設(shè)計(jì)為了便于實(shí)現(xiàn)，采用了2段式的虛擬地址分配方式，每個(gè)頁（Section）的大小設(shè)置為1MB;同時(shí)為了減少對(duì)S3C2440地址的修改，采用了虛擬地址與物理地址相同的地址分配方式。

2 LCD設(shè)計(jì)

Micro2440開發(fā)板配有240×320/NEC3.5英寸T- FT真彩液晶屏，正確設(shè)置后能夠顯示清晰的圖像、視頻。S3C2440A的LCD控制器支持的屏幕大小包括480×640、240×320以及 160×160等尺寸，能夠產(chǎn)生VFRAME、VLINE、VCLK、VM等控制信號(hào)。這些控制信號(hào)的使用需要配置S3C2440A的C端口為L(zhǎng)CD控制。同時(shí)LCD的數(shù)據(jù)線VD[0]~ VD[7]也由C端口控制，VD[8]~VD[23]則由D端口控制，需要設(shè)置做為L(zhǎng)CD數(shù)據(jù)線。由于使用的是TFT真彩液晶屏，需要把LCD控制寄存器設(shè)置為TFT模式，這里設(shè)置為TFT的16BPP（Bits Per Pixel）模式；同時(shí)還需要對(duì)LCDCON5進(jìn)一步設(shè)置為5:6:5或5:5:5:1格式，這里設(shè)置RGB格式為5:6:5格式，此信號(hào)在OV9650 傳輸如圖2所示[2]。以便和攝像頭的視頻輸出格式相一致，否則需要進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化。在設(shè)置完幀緩存地址后，寫入數(shù)據(jù)，便可以實(shí)現(xiàn)圖像的顯示，格式轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

 

3 攝像頭驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Micro2440開發(fā)板的配套攝像頭型號(hào)為OV9650，該攝像頭具有130萬像素，輸出視頻格式為YCbCr格式，同時(shí)S3C2440A的 CAMIF(Camera Interface) 提供了ITU-R BT.601/656 8位標(biāo)準(zhǔn)輸入的支持[3]，最大可采樣4 096×4 096像素的圖像[4],在Preview模式下支持輸出RGB 16/24 bit格式，這對(duì)于數(shù)字圖像的處理帶來了便利條件。S3C2440A的CAMIF與OV9650的連接如圖4所示。

 

OV9650驅(qū)動(dòng)流程如下：設(shè)置Camera全局控制寄存器，并復(fù)位→配置S3C2440A的J端口→使能OV9650的Normal模式→設(shè)置接口時(shí)鐘 →通過I2CSCL，I2C-SDA與SID_C, SID_D信號(hào)建立S3C2440A與OV9650的通信→設(shè)置OV9650的寄存器組→初始化3C2440A攝像頭接口，包括捕獲圖像的寬、高、偏移、輸入格式、輸出格式、緩沖區(qū)地址等→將OV9650將LCD緩沖區(qū)地址更改到Camera的緩沖區(qū)地址，以顯示Camera圖像→清除中斷→設(shè)置中斷處理函數(shù)→開始捕獲圖像。

其中，OV9650與S3C2440A的通信采用了兩線制的SCCB (Serial Camera Control Bus) [5]，通過該接口可實(shí)現(xiàn)各種圖像增強(qiáng)和控制功能，如自動(dòng)曝光、自動(dòng)增益、自動(dòng)白平衡控制等，以及控制圖像色彩、飽和度、銳化、鏡頭校準(zhǔn)等[6]。 S3C2440A控制端口產(chǎn)生SCCB的啟動(dòng)、停止等控制信號(hào)，SCCB 協(xié)議中開始條件定義為:在SID_C 為高電平時(shí), SID_D出現(xiàn)一個(gè)下降沿,則SCCB開始傳輸;停止條件定義為:在SID_C為高電平時(shí), SID_D出現(xiàn)一個(gè)上升沿,則SCCB停止傳輸；在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),SID_C為高電平時(shí),需要SID_D上的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定,以便傳輸，如圖5所示。

 

以寫一位數(shù)據(jù)傳輸為例，基本流程為：將數(shù)據(jù)放在SID_D上→啟動(dòng)SID_C進(jìn)行傳輸→延時(shí)傳輸后停止SID_C；同理，傳輸8位數(shù)據(jù)則需循環(huán)8次。類似地，讀取時(shí)基本流程為：?jiǎn)?dòng)SID_C→讀取SID_D→停止SID_C。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶懼芷陧樞驗(yàn)椋簩憦脑O(shè)備的ID→寫設(shè)備寄存器的地址→將此寄存器中寫入數(shù)據(jù)。

4 圖像處理設(shè)計(jì)

在獲得攝像頭采集的圖像后，常常需要對(duì)捕獲的圖像進(jìn)行處理，并把處理的結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示出來。本文通過設(shè)計(jì)在幀中斷處理函數(shù)中進(jìn)行圖像處理，可以很好地進(jìn)行處理后圖像的動(dòng)態(tài)顯示。此時(shí)需要將OV9650獲得的圖像的buffer地址設(shè)置到一臨時(shí)空間中，完成處理后再送入LCD的buffer地址中進(jìn)行顯示；否則，Camera和圖像處理函數(shù)同時(shí)寫LCD的buffer地址，將出現(xiàn)LCD顯示不正確的情況。圖像處理流程如圖6所示。

 

5 圖像獲取結(jié)果

圖7分別是在室內(nèi)環(huán)境下，桌面上一個(gè)普通乒乓球在攝像頭視頻顯示的結(jié)果(左)和在動(dòng)態(tài)處理后攝像頭視頻顯示(右)的截圖，其中視頻的下方同時(shí)顯示了一橫條圖片。圖像處理函數(shù)完成了視頻在綠色通道中的同步顯示。經(jīng)驗(yàn)證，圖像處理的結(jié)果良好，色彩正常，并且無明顯滯后等異?，F(xiàn)象。

 

6 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

獲取OV9650圖像后，在此系統(tǒng)平臺(tái)上完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的目標(biāo)檢測(cè)，取得了良好效果。常用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法有:光流法、幀差分法以及背景差分法 [7]。光流法大多計(jì)算復(fù)雜，占用CPU時(shí)間較多；幀差分法常常檢測(cè)目標(biāo)不夠完整；因而針對(duì)嵌入式平臺(tái)采用了運(yùn)算速度較快的背景差分法。實(shí)驗(yàn)首先采用了基于灰度圖像的背景差分法，但效果不夠理想:設(shè)f(i,j)為一幀視頻圖像序列；Rf、Gf、Bf為其中的任一像素的紅綠藍(lán)分量，i，j為像素的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。B(i,j)為背景圖像序列，同樣地，RB、GB、 BB為其中的紅綠藍(lán)分量，依據(jù)以下公式計(jì)算灰度值(類似黑白攝像頭獲得的灰度值):
   
背景差為: fB(i,j)=f(i,j)-B(i,j)。此系統(tǒng)中RGB格式為5:6:5格式，紅綠藍(lán)分量均取5位，綠色分量舍棄了最低位。獲得的差分圖像分別以紅色顯示和二值化獲得的結(jié)果如圖8所示。

 

如圖8(右)所示，由于灰度圖像的背景差分法獲得的像素值普遍較低，因而屏幕亮度較暗，在室內(nèi)光線中LCD屏幕顯示很不清晰；圖8(左)為進(jìn)行二值化后背景差分法的圖像，也僅能夠得到小球的部分區(qū)域，效果不夠理想。于是本文針對(duì)于彩色圖像提出了基于顏色通道的背景差分法，可以獲得理想的效果。設(shè)P為顏色通道(這里紅色通道取值為0xF800)，則基于顏色通道的背景差分法用如下公式計(jì)算:

 

背景差為: fB(i,j)=f(i,j)-B(i,j)。若取閥值T則：fB(i,j)=fB(i,j)-T。獲得的差分圖像分別在紅色通道中顯示和二值化所得的結(jié)果如圖9所示?？梢妶D9左圖二值化后可獲得乒乓球的圓形輪廓，十分清晰；而且在紅色通道中的圖像顯示輪廓明亮，說明數(shù)值強(qiáng)度大抗干擾能力強(qiáng)。在獲得圖像后并自動(dòng)計(jì)算出形心位置，在橫軸和縱軸以白色直線顯示中心位置，在以240×320分辨率輸出時(shí),平均速率達(dá)30幀/s，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中心的實(shí)時(shí)檢測(cè)，如圖9右圖所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 此基于Micro2440的視覺處理平臺(tái)上能夠很好地進(jìn)行圖像及視頻的顯示及處理。

 

本文基于Micro2440的視覺處理平臺(tái)具有以下特點(diǎn): (1)Micro2440平臺(tái)提供了豐富的外圍接口，方便功能擴(kuò)展,S3C2440A自帶有CAMIF(Camera Inter-face) 模塊，無需接口轉(zhuǎn)化電路，核心板與底板分離可以進(jìn)一步縮小體積;(2)CPU工作頻率 400 MHz，處理速度較快，OV9650高達(dá)130萬像素，分辨率高。

在每完成一幀的視頻采集后，能夠及時(shí)地進(jìn)行圖像處理，并且圖像處理的結(jié)果能夠在LCD上同步顯示；同時(shí)輕松轉(zhuǎn)換便可以方便地得到標(biāo)準(zhǔn)24位BMP圖像，為進(jìn)一步數(shù)字圖像處理提供了良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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作者：李紅巖，邱聯(lián)奎
來源：電子技術(shù)應(yīng)用