基于嵌入式Linux系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理技術研究

汪國強，饒文高，王 蘭

（黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150080）

0 引 言

隨著科學技術的快速發(fā)展，嵌入式技術已經(jīng)深入科學技術、生活和生產(chǎn)的各個角落，例如國防軍事領域、安保監(jiān)控設備、消費電子產(chǎn)品、工業(yè)化自動生產(chǎn)、智能化控制、電子醫(yī)療、網(wǎng)絡通信、航空航天等諸多領域[1－2]?，F(xiàn)在很多新技術都與嵌入式技術相結合，在實際應用中發(fā)揮重要作用。

本文應用嵌入式技術和圖像處理技術，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)功能強大、處理速度高、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，把嵌入式系統(tǒng)作為圖像處理的載體平臺。選用的平臺是基于Samsung公司的S3C2440處理器系統(tǒng)[3]，在硬件基礎上，進行軟件系統(tǒng)構建，系統(tǒng)包括嵌入式系統(tǒng)環(huán)境的搭建、數(shù)字圖像采集相關驅動設計和數(shù)字圖像處理算法軟件的設計3個部分。利用Qt設計數(shù)字圖像處理平臺，實現(xiàn)多種處理算法，算法包括圖像的正交變換、平滑、銳化、邊緣檢測、浮雕算法等。

1 系統(tǒng)結構

嵌入式系統(tǒng)的基礎技術是計算機技術，所以它的體系繼承了計算機體系的特點。體系結構包括3個重要的部分：硬件設備部分、嵌入式操作系統(tǒng)部分、應用軟件部分。結構見圖1。

圖1 嵌入式系統(tǒng)體系結構Fig.1 Embedded system architecture

1.1 硬件設備

根據(jù)功能的具體應用，選用S3C2440ARM微處理器。這款處理器也是基于ARM920T體系內(nèi)核，16／32位RISC嵌入式微處理器[4]，輸入設備選用USB攝像頭設備作為圖像采集設備，輸出設備選用LCD顯示屏進行圖片的顯示輸出。核心部分包括，處理器、64Mbytes的SDRAM芯片、128Mbyte的Nand Flash，以及其他部分構成。結構見圖2。

1.2 軟件體系

在硬件基礎上，搭建嵌入式系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)的引入，使嵌入式的發(fā)展推向了一個新的階段。有了嵌入式操作系統(tǒng)，可以應對復雜的實際要求，使得嵌入式系統(tǒng)其功能強大，支持更多的功能。不僅使嵌入式系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如具備像PC機一樣的文件和目錄管理、多任務線程管理、各種網(wǎng)絡的應用等功能，而且為上層開發(fā)人員提供了大量的用戶接口并在上層進行應用程序的開發(fā)[5]。所構建的嵌入式系統(tǒng)的構成與軟件開發(fā)體系見圖3。

2 視頻驅動

嵌入式Linux系統(tǒng)下的設備驅動，可以準備好編譯到內(nèi)核中，系統(tǒng)啟動后內(nèi)核就啟動加載相關驅動。通常一個模塊對應于一個設備驅動，應用開發(fā)人員就可以通過驅動程序跨越設備的復雜硬件實現(xiàn)細節(jié)，編寫應用程序實現(xiàn)對設備的控制完成功能要求。在驅動程序的具體操作中，應用程序可以像對普通文件操作一樣進行控制，主要是調(diào)用應用程序接口函數(shù)API完成對設備的打開、關閉、讀／寫數(shù)據(jù)操作和輸入／輸出控制操作[6]。

基于USB攝像頭本文使用Video4Linux，該驅動是為Linux提供的視頻設備驅動，因此在調(diào)用設備模塊流程中，是在用戶空間中完成系統(tǒng)調(diào)用功能。為上層開發(fā)提供API函數(shù)：包括基本的I／O操作函數(shù)open（）、close（）、read（）、write（）；對中斷的處理函數(shù)；內(nèi)存映射功能以及對I／O通道的控制接口函數(shù)ioctl（）的實現(xiàn)等。在V4L中，這些功能函數(shù)都定義在結構體struct video＿device中，主要為video＿capability、grab＿cap、video＿picture grab＿pic、video＿mmap grab＿buf、video＿mbuf grab＿vm[7]，提供給內(nèi)核進行調(diào)用。

基于Video4Linux的設計流程，也是對／dev／video設備的操作[8]，流程見圖4。

圖4 視頻設備驅動流程Fig.4 Video device driver process

編譯后，加載到嵌入式設備，運行后圖像采集見圖5。

圖5 顯示采集的圖像Fig.5 Image show

3 Qt圖像處理平臺

Qt／Embedded是著名的Qt庫開發(fā)商挪威的Trolltech面對嵌入式系統(tǒng)提供的優(yōu)化過的Qt版本，目前Qt已經(jīng)被諾基亞公司收購，Qt是一個跨平臺的C＋＋圖形用戶界面軟件，其嵌入式版本Qt／Embedded和Qtopia Core版本對于各種可能涉及的嵌入式硬件接口和GUI工具包都提供了完全的圖形棧。

微課教學方法的應用改變了傳統(tǒng)的教學模式，使得整個教學動起來了，這是激發(fā)學生學習積極性和興趣的重要舉措，這也是未來高中數(shù)學教學發(fā)展的趨勢.在教學改革的進一步深化推進當中，高中數(shù)學教學改革和新的技術相結合的需求也在增加，這就為提高數(shù)學教學質(zhì)量有著積極作用.

3.1 Qt編程的關鍵技術

Qt系統(tǒng)是C＋＋面向對象OOP跨平臺系統(tǒng)，它的優(yōu)越性就是基于信號／槽機制。也就是當一個對象的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變后，一個特定的信號就被發(fā)射，這種改變可以被認為是類及其子類的改變。當一個信號被發(fā)射后，這個信號所連接的槽就像調(diào)用普通函數(shù)一樣能被執(zhí)行[9]。結構見圖6。

圖6 信號／槽機制Fig.6 Signal／Slot mechanism

3.2 Qt圖像處理平臺

利用USB攝像頭進行視頻圖像的采集，圖像經(jīng)過保存后，利用Qt數(shù)字圖像處理平臺進行算法處理，平臺中File、Edit選項是基本選項，包括讀取攝像頭采集圖像等；Geometry選項包括圖像的幾何算法；Character包括圖像特征算法，包括轉化灰度圖、顏色變換、亮度變換、對比度變換等；Pixel選項包括圖像的幾種增強算法，包括邊緣提取、銳化、浮雕、平滑處理等；Orthogonal選項為圖像的正交變換，包括傅里葉變換、快速離散傅里葉變換、基于FFT的濾波器設計、小波變換等。

4 Qt數(shù)字圖像處理算法設計

利用Qt設計的圖像處理平臺對采集的圖像進行各種算法的處理，并選取幾種典型的圖像處理算法進行處理。

4.1 數(shù)字圖像傅里葉變換

根據(jù)傅里葉變換的相關概念，對圖像進行的二維離散傅里葉變換，在大小為N行M 列的圖像f（x，y）中，二維離散傅里葉變換可以表示為[10]：

傅里葉變換也可以表示為實部和虛部的兩個組成部分，表示如下：

Qt軟件算法設計，進行數(shù)學變換、處理，程序的關鍵步驟如下：

void ImageProcess：：DFT（）／／Qt程序中，二維離散傅里葉變換處理函數(shù)

4.2 數(shù)字圖像快速傅里葉變換

由于傅里葉變換的時間很長，設計實現(xiàn)快速傅里葉變換，其原理根據(jù)庫利－圖基算法進行按時間抽選法的離散快速傅里葉變換[11]?；?點的時間抽取法傅里葉變換。軟件流程圖見圖8。經(jīng)過編譯，處理結果見圖9。

圖8 圖像時間抽取法蝶形傅里葉變換軟件流程圖Fig.8 Image processing software flow chart of DIT-FFT

4.3 數(shù)字圖像小波變換

利用Daubechies表示法[12]（N＝2時，序列pk為0.4829629131445341、0.83651630373780、0.22414386804201、－0.12940952255126）的小波系數(shù)（Wavelet coefficient）進行對圖像信息進行分解。圖像數(shù)據(jù)作為二維的離散數(shù)據(jù)f（m，n）給出，根據(jù)小波變換的尺度關系，從第j級的小波系數(shù)及尺度系數(shù)能夠求得精度高一級j－1的尺度系數(shù)的關系可得：

處理結果見圖10。

4.4 數(shù)字圖像邊緣提取

在Qt設計中，圖像對邊緣的提取采用了偏導數(shù)估計的卷積核的算法，采用索貝爾（Sobel）算子進行處理。在對圖像進行初步的處理，包括去噪、銳化等，提取出圖像的邊緣信息。處理見圖11。

4.5 數(shù)字圖像浮雕算法

將圖像中色彩不同的部分突出出來，而色彩相同的部分進行層次上的淡化，顯得圖像看上去有深度，凸顯層次。具體做法在一個圖形f（x，y）中，點（x，y）的像素與相鄰點（x＋1，y＋1）像素相減，再加上一個常量表示為：

數(shù)字圖像浮雕的算法就是使用一種卷積核的形式進行前面相減的運算，可以方便地進行圖像二維計算。處理結果見圖12。

5 結 論

本文把嵌入式技術和圖像處理技術結合起來，為圖像處理提供一個實時處理的平臺，實現(xiàn)數(shù)字圖像處理平臺的小型化、方便化。通過以上實驗，該平臺可以對圖像進行變換域和空域上的處理。模塊式的程序設計提供了更加靈活的加載方式，可以根據(jù)不同的需求對算法進行適當?shù)脑鎏恚瑢崟r處理采集的圖像。

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