1、学校代号 10536 学 号 0810801515 分 类 号 TP18 密 级 公开 硕士学位论文 基于 ARM9 的图像采集系统的研究 学位申请人姓名 刘白皓 培养单 位 长沙理工大学 导师姓名及职称 黄敏 副教授 学 科 专 业 通信与信息系统 研 究 方 向 嵌入式系统 论文提交日 期 2011 年 3 月 学校代号 ： 10536 学 号 ： 0810801515 密 级 ：公开 长沙理工大学硕士学位论文 基于 ARM9 的图像采集系统的研究 学位申请人姓名 刘白皓 导师姓名及职称 黄敏 副教授 培养单 位 长沙理工大学 专业名 称 通信与信息系统 论文提交日 期 2011 年 3
2、月 论文答辩日 期 2011 年 5 月 答辩委员会主席 车生兵 教授 The Design of Image Acquisition System Based on ARM9 By LIU Baihao B.E.( Anhui University of Architecture) 2008 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Communication and Information System in Changs
3、ha University of Science Image Compression; EZW; PSNR; Embedded System 目 录 摘要 . I ABSTRACT .II 第一章 绪论 1.1 本课题研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 嵌入式图像采集现状 . 1 1.2.2 图像压缩编码现状 . 2 1.2.3 图像去噪的研究现状和趋势 . 4 1.3 本文工作及创新点 . 5 1.4 论文结构 . 5 第二章 系统方案分析与设计 2.1 系统总体架构 . 7 2.2 嵌入式 CPU 及操作系统的选型 . 7 2.2.1 嵌入式 CPU 选型
4、 . 8 2.2.2 嵌入式操作系统选型 . 9 2.3 图像采集系统硬件结构设计 . 9 2.4 图像采集系统软件结构设计 . 10 2.5 本章小结 . 11 第三章 图像采集系统的硬件电路设计 3.1 图像采集系统的外围器件设计 . 12 3.1.1 电源电路和复位电路设计 . 12 3.1.2 串口电路设计 . 13 3.1.3 LCD 显示模块和以太网接口设计 . 14 3.1.4 JTAG 和 USB 电路图设计 . 14 3.2 存储系统模块设计 . 15 3.2.1 NOR Flash 接口电路设计 . 15 3.2.2 SDRAM 接口电路设计 . 16 3.3 本章小结 .
5、 17 第四章 消除脉冲噪声的改进中值滤波算法 4.1 图像噪声 . 18 4.1.1 噪声的特征 . 18 4.1.2 噪声的分类 . 18 4.2 中值滤波算法 . 19 4.2.1 中值滤波原理及实现步骤 . 19 4.2.2 现有中值滤波改进方法分析 . 20 4.3 带有噪声检测的改进中值滤波算法 . 21 4.3.1 脉冲噪声检测 . 22 4.3.2 脉冲噪声的滤出 . 23 4.3.3 改进的中值滤波算法描述 . 24 4.4 仿真结果及分析 . 26 4.5 本章小结 . 28 第五章 改进的嵌入式零树编码算法 5.1 改进算法理论基础 . 29 5.1.1 小波分析 . 2
6、9 5.1.2 离散小波变换 . 30 5.1.3 多分辨率分析 . 30 5.1.4 小波图像压缩技术 . 31 5.2 基于小波变换的零树编码 . 32 5.2.1 零树与逐次逼近量化技术 . 32 5.2.2 EZW 算法分析 . 35 5.3 改进的嵌入式零树编码算法 . 36 5.3.1 视觉加权 . 37 5.3.2 整除求余分组 . 37 5.3.3 改进的 EZW 算法 . 38 5.3.4 仿真结果及分析 . 39 5.4 本章小结 . 41 第六章 图像采集与处 理 6.1 图像采集的整体结构 . 42 6.1.1 USB 摄像头驱动配置 . 42 6.1.2 摄像头驱动程
7、序加载 . 44 6.2 图像采集模块软件设计 . 44 6.2.1 Video4Linux 常用数据结构分析 . 45 6.2.2 Video4Linux 编程 . 45 6.2.3 图像采集软件程序具体实现 . 47 6.3 图像数据压缩 . 48 6.4 本章小结 . 51 总结和展望 . 52 参考文献 . 53 致谢 . 56 附录（攻读硕士学位期间发表论文 目录 ） . 57 1 第一章 绪论 1.1 本课题研究的背景和意义 图像采集处理系统是指用设备来捕获客观世界的图像和特征，也就是用设备来实现对客观世界的识别 1。随着计算机技术和信息技术的发展，客户对终端设备便携化、小型化和智
8、能化的需求越来越高，而嵌入式技术可 以提供一种较为完善的解决方案 2 。在远程图像 监控 领域， 基于 PC 机的 解决方案具有 价格昂贵、 体积大 、不易 携带和 扩展等缺点， 而 嵌入式图像采集 系统 具有 易扩展 、 控制灵活、携带方便 和成本低 等优点，使其在 工程 领域得到了应用。 在信息时代，获取和处理信息成为了数字化时代的特征，但是数字化的信息带来了海量的数据，成为信息存储和传输过程中的瓶颈，特别是在嵌入式系统中，数据存储容量和网络传输的局限性，使图像采集实现实时性的难度变得很大。虽然依靠增加通信带宽和增大存储容量等方案可以解决，但是这会明显的增加投入成本。如果能采用数 据编码技
9、术，通过图像去噪和压缩算法减少数据量后再通过重建算法还原数据，就能节省存储空间 的同时明显的减少对传输带宽的要求和提高图像采集的质量及传输效率 ，因而 对嵌入式图像去噪和图像压缩技术的研究具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 嵌入式图像采集现状 目前 国内外对图像采集系统的研究 大部分 是 基于 计算机 的图像采集 ，这种传统的 图像采集 方式 是 非常 成熟的技术 ， 但同时也有其局限性 ，首先传统的图像采集 系统 性价比低、 体积大、 携带性差，不易扩展，而且不方便 在 特殊情况下采集 ； 其次图像采集设备需要专人 看护， 难以实现无人值守 。 随着 图像处理技术 、 嵌入式
10、技术 和信息 技术的 飞速 发展， 图像采集系统 向 高速化 、网络化 、 智能化 的方向发展。 图像处理技术 与 嵌入式技术 的 融合扩展 了图像处理技术的工程 领域， 它 被应用于 航运、 交通、 火控、 银行 、 油田、电力 、精确制导、无人飞机的2 电视导航 等领域 3。 由于在嵌入式图像采集系统中，摄像头拍摄的原始图像信息量大，且在处理、存储和传输过程中可能会引入噪声，所以这里要涉及到数据压缩和去噪的问题，以下分别介绍这两方面的研究现状。 1.2.2 图像压缩编码现状 图像压缩是通过消除 数字 图像各种冗余，特别是通过消除 时间冗余、空间冗余以及利用人眼视觉冗余，达到用尽量少的数据表
11、示和重建原始图像的目的。图像编 /解码结构框架如图 1.1 所示 。 原 始 图 像压 缩 文 件压 缩 文 件熵 编 码量 化正 变 换反 编 码逆 变 换 反 量 化重 构 图 像存 储 传 输图 1.1 图像编 /解码结构框图 图像压缩算法 一般 分为三类 ， 1)基于人工神经网络 (Artificial Neural Networek,ANN)的方法 4， 2)基于分形 (Fractal)的方法 5 ， 3)基于变换编码 (Transform)的方法 6。文献 4模拟大脑 的信息处理系统， 它 克服了传统人工智能的方式对于语音识别、模 式等非结构化信息处理方面的缺点，具有非线性适应性信
12、息处理能力，在智能控制、神经专家系统、组合优化等领域得到成功应用。 文献 5提到的分形图像编码是压缩领域中较好的编码算法，它采用图像内部的各个图像块间的自相关特性进行压缩编码，该编码技术得到学者的高度重视与深入研究，因为这种编码方法有潜在的高信噪比、高压缩比和任意分辨率下精细放大的特点。分形编码的方法是通过给定的数字图像，找到一组收缩映射，让它组成的函数逼近给定的原图像，再记录相应的参数 7。 目前， 具有优异性能的变换编码的图像压缩算法在各种应用中占统治地位 ，下面 主要分析基于变换的图像压缩算法。 图像信息的压缩依据大致有两个方面，一 是 利用视觉特性，在不被主观视觉察觉的范围内，通过减少
13、编码的精度，以一定的客观性能失真换取数据压缩； 二是 图像信息中存在一些冗余度可以压缩，并且在解码后能无失真的恢复。 在众多的 图像压缩 算法 中离散变换 是压缩性能较好的一种无损压缩方法， 一般 分为三类 ： 1)离散余弦变换 (Discrete Cosine Transform,DCT) 8及其变种，比如 IntDCT、BinDCT9等。 2)线性相位完全重构多带滤波器组 10 (Linear Phase Perfect Reconstruction Filter Bank,LPPRFB)。 3)离散小波变换 11 (Discreate Wavelet Transform,DWT)。 DCT 变换
