基于ARM的圖像處理技術(shù)在電梯門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邢海瀟,趙國(guó)軍,王 飛,曾國(guó)偉,陸鑫森

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310032)

隨著現(xiàn)代化城市的高速發(fā)展,高層建筑的日益增多,電梯需求量越來(lái)越大,同時(shí),人們對(duì)電梯的要求也越來(lái)越高.作為進(jìn)出電梯轎廂安全保證,門(mén)保護(hù)裝置一直是用戶最關(guān)心的產(chǎn)品之一,也是衡量電梯質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo).目前,電梯門(mén)保護(hù)裝置主要分2大類:機(jī)械門(mén)保護(hù),光電門(mén)保護(hù)[1].隨著圖像識(shí)別技術(shù)的日新月異,提出了基于ARM的嵌入式圖像識(shí)別智能電梯門(mén)安全保護(hù)系統(tǒng).通過(guò)硬件的設(shè)計(jì)和運(yùn)用,以及算法的研究,開(kāi)發(fā)出一套智能的通過(guò)圖像識(shí)別的電梯門(mén)安全保護(hù)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)).系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能:在電梯門(mén)即將關(guān)閉時(shí)有人以一定角度走向電梯門(mén)時(shí),系統(tǒng)能通過(guò)這個(gè)人的運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別其是要乘電梯還是僅僅路過(guò),從而控制電梯門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉,達(dá)到“聞香識(shí)客”的功能.

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是用CMOS攝像頭采集轉(zhuǎn)換視頻信號(hào),用ARM9內(nèi)核的高速主控芯片S3C2440A進(jìn)行采集圖像的緩存控制,并用動(dòng)態(tài)檢測(cè)算法對(duì)圖像進(jìn)行判別,識(shí)別有無(wú)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn),并進(jìn)行軌跡分析.結(jié)合課題的應(yīng)用背景,必須能保證控制的快速響應(yīng),方便快速采集圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸,考慮到圖像數(shù)據(jù)量龐大性,處理的復(fù)雜性,它還必須具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和快速的處理能力.選用SAMSUNG公司生產(chǎn)的帶CMOS攝像頭接口的ARM9核心的S3C2440A處理器,工作頻率可達(dá)400 MHz[2].該處理器使用ARM920T控制器,A/D轉(zhuǎn)換器,GPIO等功能之外,還集成了一個(gè)攝像頭接口(CAMIF),該接口是圖像采集的核心部分.同時(shí)處理器的可擴(kuò)展能力較強(qiáng),可以支持未來(lái)系統(tǒng)的升級(jí)需要而留有余量.

硬件系統(tǒng)包括基于CMOS攝像頭OV7620的圖像采集模塊,存儲(chǔ)模塊,圖像處理模塊,通信模塊,電源模塊等子模塊.示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 系統(tǒng)總示意圖Fig.1 System general diagram

系統(tǒng)在S3C2440A處理器的控制下從CMOS攝像頭采集信號(hào),經(jīng)過(guò)編碼、DMA傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖,接著由軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行壓縮打包.然后用軟件對(duì)一幀幀圖像,進(jìn)行幀間差分、背景差分等的處理,最終根據(jù)得到的結(jié)論,發(fā)送至電梯主控制器,最后由電梯主控制器對(duì)電梯門(mén)機(jī)進(jìn)行控制.

1.1 圖像采集接口

圖像傳感器接口電路是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,因?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性取決于能否有效地采集數(shù)據(jù).如何有效地采集數(shù)據(jù)也是系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題.圖像傳感器是獲取圖像的核心器件,它的作用是將來(lái)自于鏡頭的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào).

系統(tǒng)采用OmniVision公司CMOS攝像頭OV7620采集圖像,OV7620是VGA/QVGA,326 688像素,完全可編程數(shù)字單片攝像芯片.像素矩陣664×492,處理像素640×480;設(shè)計(jì)中采用QVGA輸出,可以達(dá)到每秒輸出30幀的速度.以隔行掃描或逐行掃描的方式輸出數(shù)據(jù),特別是逐行掃描的方式使其易與微系統(tǒng)接口[3].

采用的OV7620圖像傳感器,內(nèi)部集成了時(shí)序電路,模擬信號(hào)處理電路,數(shù)字信號(hào)處理電路,支持RGB(4∶2∶2),YUV(4∶2∶2),YCrCb(4∶2∶2)數(shù)據(jù)輸出格式,內(nèi)置138設(shè)備控制寄存器,地址分別從0x00到0x8A,通過(guò)SCCB(Serial Camera Control Bus)接口可以方便的設(shè)置傳感器視窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、飽和度、色調(diào)等.由于S3C2440A芯片有一個(gè)專用的視頻接口,所以CPU可以直接和CMOS圖像傳感器連接.連接示意圖見(jiàn)圖2[4].

圖2 圖像傳感器OV7620與S3C2440A連接圖Fig.2 Linked diagram for Image senor of OV7620 to S3C2440A

1.2 圖像采集控制原理及配置

S3C2440A的攝像頭接口(CAMIF)的模塊支持IT U-RBT.601/656 YCbCr 8比特標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)輸入.攝像頭接口可以有兩種模式和DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,大大提高了采集速率.一種是P端口模式,它把從攝像頭接口采樣到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RGB數(shù)據(jù).并在DMA控制下傳輸?shù)絊DRAM,一般這種模式用來(lái)提供圖像預(yù)覽功能;另一種是C端口模式,它把圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr(4∶2∶0)或(4∶2∶2)的格式傳輸?shù)絊DRAM,這種模式主要為MPEG-4,H.263等編碼器提供圖像數(shù)據(jù)的輸入.上述的兩種工作模式都允許設(shè)置一個(gè)剪輯窗口,只有進(jìn)入這個(gè)窗口的圖像數(shù)據(jù)才能夠傳輸?shù)絊DRAM.

系統(tǒng)使用C端口模式的DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與儲(chǔ)存,采樣一幀圖像之前首先設(shè)置采樣圖像的分辨率,剪輯窗口大小等參數(shù),然后設(shè)置DMA控制器訪問(wèn)的視頻采樣輸出緩沖的內(nèi)存地址,接著我們就可以通過(guò)設(shè)置S3C2440A的CAMIF接口控制寄存器啟動(dòng)一幀圖像的采集,當(dāng)采集完一幀圖像時(shí),CAMIF接口會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)一次DMA通信把采集的圖像數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存,傳輸結(jié)束后,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷通知驅(qū)動(dòng)一幀數(shù)據(jù)采樣和傳輸結(jié)束.

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括寫(xiě)下位機(jī)ARM9的程序設(shè)計(jì)與上位機(jī)界面的軟件編寫(xiě).ARM9控制器的軟件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的主體部分,則主要實(shí)現(xiàn)以下功能:CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)和控制、圖像的傳輸處理、人機(jī)交互功能、內(nèi)外數(shù)據(jù)通訊功能.CMOS攝像頭的驅(qū)動(dòng)和控制包括攝像頭的初始化,圖像數(shù)據(jù)的讀取;圖像的傳輸處理包括圖像數(shù)據(jù)的保存,及算法的移植實(shí)現(xiàn);人機(jī)交互功能則包括鍵盤(pán)輸入發(fā)光二極管指示運(yùn)行狀態(tài)等;內(nèi)外數(shù)據(jù)通訊功能包括與上位機(jī)的通訊以及與外部電梯主控制器設(shè)備的通訊.上位機(jī)主要通過(guò)Delphi來(lái)完成CMOS圖像傳感器參數(shù)的設(shè)置與修改、圖像的顯示功能的.

系統(tǒng)軟件程序均采用模塊化設(shè)計(jì),各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立,但它們通過(guò)主程序相貫通.這樣設(shè)計(jì)的好處在于對(duì)程序進(jìn)行分塊調(diào)試與試驗(yàn).若日后由于程序量龐大而導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn),到時(shí)就可以有針對(duì)性地對(duì)出錯(cuò)的模塊進(jìn)行詳細(xì)分析,從而大大節(jié)省維護(hù)時(shí)間.下面對(duì)ARM9控制器的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明.

圖3為S3C2440控制器整體軟件結(jié)構(gòu)圖,其功能如下:程序一開(kāi)始,首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化;然后由上位機(jī)程序?qū)z像頭進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修正;緊接著,上位機(jī)發(fā)出圖像采集命令,S3C2440的CAMIF模塊對(duì)OV7620攝像頭進(jìn)行圖像采集,并把數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道傳送到指定的RAM中暫存.接下來(lái)根據(jù)銨鍵確定是背景自學(xué)習(xí)狀態(tài)還是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別狀態(tài).從而分別調(diào)用背景建立任務(wù)和目標(biāo)識(shí)別任務(wù)來(lái)完成圖像的處理儲(chǔ)存和識(shí)別.最后把圖像識(shí)別結(jié)果,通過(guò)串口輸出經(jīng)485總線傳輸給電梯總控制器,進(jìn)而對(duì)電梯的機(jī)門(mén)進(jìn)行控制.雖然很多子程序都是通過(guò)中斷而觸發(fā)的,這里,之所以沒(méi)有把中斷觸發(fā)后的子程序直接在中斷函數(shù)里運(yùn)行,而是觸發(fā)后僅僅把標(biāo)志位置位,然后通過(guò)主程序查詢?nèi)ミ\(yùn)行子程序,是因?yàn)橛捎诔绦蛄康凝嫶?不想在中斷中占用過(guò)多的處理時(shí)間,以防到時(shí)過(guò)多中斷觸發(fā)同時(shí)出現(xiàn)而導(dǎo)致程序混亂.

圖3 控制器軟件總體流程圖Fig.3 Overall flow diagram for controller

各個(gè)初始化模塊的功能如下:各個(gè)IO口初始化用于確定各個(gè)引腳輸入輸出功能;串口1初始化用于確定與上位機(jī)界面通訊的相關(guān)寄存器設(shè)置;串口2初始化用于確定跟電梯主控制器之間通訊的相關(guān)寄存器設(shè)置;各個(gè)外部中斷初始化用于對(duì)外部輸入產(chǎn)生中斷的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置;定時(shí)器初始化用于對(duì)定時(shí)有需要的功能寄存器進(jìn)行設(shè)置.

3 結(jié) 論

當(dāng)前圖像與背景圖像的幀差后,灰度閾值取為10以內(nèi)時(shí),過(guò)分靈敏,較容易誤動(dòng)作;灰度閾值取為10～15以內(nèi)時(shí),反應(yīng)較為準(zhǔn)確;灰度閾值取為15以上,則反應(yīng)比較遲慢,不夠靈敏.系統(tǒng)提出了一種基于ARM9(S3C2440)的圖像處理技術(shù)的電梯門(mén)控制方法.該方法經(jīng)過(guò)一系列的理論研究,以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí),與傳統(tǒng)的機(jī)械式,光電式相比,擁有識(shí)別空間廣,識(shí)別反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn).實(shí)現(xiàn)了智能性,實(shí)時(shí)性更好的電梯門(mén)保護(hù)裝置,使得電梯門(mén)控制系統(tǒng)更具安全化,智能化,人性化,具有較高的實(shí)用價(jià)值.

[1] 萬(wàn)纓,韓毅,盧漢清.運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法的探討[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(10):221-226.

[2] 陳家盛.電梯實(shí)用技術(shù)教程[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[3] 李慶武,許和英,陳小剛,等.基于USB2.0的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù),2007,33(S):22-24.

[4] 郭新華,蔣艷,曹建霞.基于ARM9的火災(zāi)圖像報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2007,27(S2):289-290.