摘要

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，設備智能化已經(jīng)涉及到社會(huì )的每個(gè)角落，如何用相對低廉的成本完成既定的目標是一個(gè)非常重要的課題。各類(lèi)監控系統在各種領(lǐng)域里的應用迅速發(fā)展起來(lái)，如何使監控系統智能化、時(shí)代化和經(jīng)濟化也是目前研究中的一個(gè)重要課題。同時(shí)，數字圖像處理技術(shù)近年來(lái)得到了長(cháng)足的發(fā)展，在監控、管理、地震，醫療等領(lǐng)域也扮演著(zhù)重要角色，但是面向應用的圖像處理系統卻不盡如人意。嵌入式系統具有的功耗低、體積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，本課題在嵌入式技術(shù)基礎上結合數字圖像處理技術(shù)，探索設計出一種基于嵌入式平臺的圖像處理系統，得以增強系統工作的實(shí)時(shí)性，實(shí)用性和穩定性。

　　本文分析并總結了嵌入式視頻圖像技術(shù)的過(guò)去和發(fā)展，搭建起自己的嵌入式平臺，實(shí)現了嵌入式視頻圖像的采集、顯示和保存，并采用普通 PC 瀏覽器界面控制系統完成各項任務(wù)。同時(shí)，基于 Visual C++軟件平臺，完成視頻圖像的預處理，實(shí)現人臉識別并標記。

　　系統選用三星公司的 32 位 ARM 處理器 S3C2440A，嵌入式軟件平臺采用穩定性很高的 Linux 系統。通過(guò)基于 V4L 接口的采集程序完成視頻圖像采集，采用基于傳輸控制協(xié)議(TCP/IP)的網(wǎng)絡(luò )套接字 Socket 實(shí)現數據傳輸和顯示，并完成圖像捕捉與保存、現場(chǎng)運動(dòng)物體監測。同時(shí)，為了便于系統與外界交互，采用基于B/S 模式的 PC 機瀏覽器完成與系統的交互控制：搭建嵌入式 Web 服務(wù)器 Boa，編寫(xiě)運行在服務(wù)器上的 CGI 接口程序，Web 服務(wù)器通過(guò) HTTP 協(xié)議與監控端瀏覽器進(jìn)行信息交互，并提供其他應用程序模塊的接口和視頻輸出窗口。VC 下基于DIB(設備無(wú)關(guān)圖)完成對采集的圖像數據的加載、處理和標記，實(shí)現圖像的灰度化處理、圖像增強處理、二值化處理，完成直方圖均衡輸出，最后確定并標記出來(lái)人臉區域。介紹了其中的圖像預處理和標記算法，給出了系統運行實(shí)驗的數據和結果。

　　本文通過(guò)嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)的相結合，探索了一種基于 ARM 與普通 PC 機完成的圖像采集和處理的系統，經(jīng)過(guò)測試運行穩定，達到系統設計的目標，具有一定的實(shí)用性。

　　關(guān)鍵字：嵌入式，ARM，Linux，Visual C++，圖像預處理

Abstract

　　With the rapid development of science and technology, equipment intelligence has involved into every corners of the world. How to achieve the established goal by relatively low cost becomes an important issue. The application of all kinds of monitoring system in various field is developing rapidly, It is also an important subject to make the monitoring system intelligent ，economization and abreast of the times in the current study. Meanwhile, the digital image processing technology,which plays a more and more important role in management, earthquake, medical care and other fields, has been considerably expanded in recent years. However, the application of image processing system is not satisfactory, and the embedded system becomes a commendable solution to this problem.The embedded system has many advantages, such as low power consumption, small volume, low cost, and so on. With the digital image processing technology, we can design an embedded platform based image processing system which has high real time capability, practicability and stability.

　　This article first analyzed and summarized the past and future development of embedded video&image processing technology.Then an embedded platform was built to realize image collection, display and save.All the tasks above ware controlled by an ordinary PC browser interface system. The video preprocessing and human face recognition&marking was realized via Visual C++ software environment at the same time.

　　The system uses Samsung 32-bit S3C2440A as the ARM processor, and selects Linux as the embedded software platform since its high stability. The video signals collected via a V4L interface based procedures are transmitted and displayed by TCP(transmission control protocol) based network-socket.The image capture and preservation as well as the dynamic monitoring are realized at the same time. For the convenience of interactions between system and the external, a B/S mode based PC browser is adapted for dynamic control. After setting up the embedded Web server Boa, where runs the CGI interface program, the web server can interact with the browser software via HTTP protocol, and provides interfaces for other application modules and a video observation window. The VC, based on DIB, completes the loading, processing and marking of collected image data, realizes the image greying processing, image enhancement treatment and binary processing, completes equilibrium output, and finally identifies and marks the human face region. The image preprocessing and marking algorithm are presented, as well as the data and running results of the system.

　　By combining embedded technology with image processing technology, this article explored and developed an image acquisition and processing system based on ARM and ordinary PC. Its relative test results are positive, which proves the system's stability and fulfills the system designed purpose. What is more, it has certain practicality.

　　Key words：Embedded, ARM, Linux, Visual C++, Image preprocessing

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，社會(huì )即將從工業(yè)化社會(huì )轉向信息化社會(huì )，信息的自動(dòng)處理成為了人類(lèi)生活和生產(chǎn)中不可缺少的一部分，人們的生活生產(chǎn)和工作環(huán)境也是趨向于立體化[1]。此時(shí)，人們對信息的獲取和處理要求就顯現出來(lái)了，而在日常生活中，人們從周?chē)�環(huán)境中獲取的信息中，絕大部分都是視頻圖像信息，因為這類(lèi)的信息可以直觀(guān)的反應出一個(gè)時(shí)刻所呈現的狀況，可見(jiàn)視頻圖像在我們的日常生活中占據著(zhù)重要的作用。如何簡(jiǎn)便快捷的獲取這些圖像信息是科技研究中的一個(gè)重要課題。

　　人們的物質(zhì)生活水平有了很大提高的同時(shí)，社會(huì )治安也越來(lái)越引人注意，社會(huì )和個(gè)人的社會(huì )安全也迫切需要提升到一個(gè)新高度。近年來(lái)，公安部大力推動(dòng)在全國范圍內“平安城市”的建設，視頻圖像監測作為安全防范系統的一個(gè)重要組成部分。在國家大型活動(dòng)，如 2008 北京奧運會(huì )、2010 上海世博會(huì )、2011 廣州亞運會(huì )中，視頻圖像監測都賦予了相當重要的地位。除了公共場(chǎng)所外，住宅區、私人辦公室和家庭房間等地方的安全問(wèn)題也日益凸顯，非法入侵、入室盜竊等違法行為對人們的財產(chǎn)和生命安全都造成了一定的威脅，視頻圖像監控技術(shù)在預防犯罪和調查取證等方面都起到了難以取代的作用[2~4]。

　　伴隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數字圖像處理技術(shù)近年來(lái)也獲得了飛速提高。經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的發(fā)展，圖像處理系統也逐漸完善成型，它可以在一定的場(chǎng)合下部分代替人的腦力勞動(dòng)。人的生理器官的識別能力是有限制的，在限制之外我們可借助圖像處理系統來(lái)代替人類(lèi)自動(dòng)完成對大量物理信息的處理。此外，人類(lèi)的活動(dòng)范圍也是有條件限制的，比如在惡劣的環(huán)境之中就需要借助外力來(lái)完成某些特定的工作[5,6]。這就使圖像處理系統在通信工程、軍事工業(yè)、工業(yè)檢測和醫學(xué)影像等領(lǐng)域有著(zhù)很大的應用前景。

　　人們生活和生產(chǎn)多元化的同時(shí)，人們對圖像進(jìn)行處理的要求也在不斷提高，比如精度要求、處理速度和穩定性等方面都要求有所提高。而傳統的系統在結構、成本和體積功耗上都存在著(zhù)一些明顯的缺點(diǎn)，圖像處理系統的實(shí)時(shí)性和小型化是它發(fā)展的必然趨勢。這些年嵌入式技術(shù)由于其穩定性好、可擴展性強、系統體積小和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，得到了快速的發(fā)展和應用，這樣將嵌入式技術(shù)與視頻圖像數據結合在一起也就會(huì )是必然的趨勢。因而，探索一種基于嵌入式系統的圖像采集和處理的一體化系統有著(zhù)很大的意義。

　　嵌入式技術(shù)是將計算機作為一個(gè)信息處理部件,嵌入到應用系統中的一種技術(shù)它將軟件固化集成到硬件系統中,將硬件系統與軟件系統一體化，具有軟件代碼短而精、事件響應速度快和系統控制高度自動(dòng)化等特點(diǎn)。嵌入式系統是本質(zhì)上以應用為目的，運用計算機技術(shù)為基礎，系統的軟硬件可以進(jìn)行裁剪，當系統對應用的體積、功能、成本、功耗和可靠性有嚴格要求時(shí)，特別適用的專(zhuān)用計算機系統[7,8]。

　　最初的嵌入式系統以單片機為核心，而被應用于各種電器、生產(chǎn)機器、通信設備中，使其變的更加穩定、更快、更易操作。這時(shí)的單片機只能完成簡(jiǎn)單的代碼，功能簡(jiǎn)單，還不能完整的稱(chēng)為系統[9]。進(jìn)入 20 世紀 90 年代后，嵌入式技術(shù)全面展開(kāi)，目前已成為通信和消費類(lèi)產(chǎn)品的共同發(fā)展方向，更多的公司投入到嵌入式操作系統的研發(fā)之中，先后出現了 VxWorks、WinCE、Linux 等嵌入式操作系統。在通信領(lǐng)域里，數字技術(shù)正在逐步取代模擬技術(shù)；在消費電子內，MP3、MP5，手機等領(lǐng)域都依附于嵌入式技術(shù)的發(fā)展；在個(gè)人領(lǐng)域內，嵌入式具有便捷的人機交互界面，GUI 為核心的多媒體界面，給人以很大的親和力，而手寫(xiě)觸屏文字輸入、語(yǔ)音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件等都以前成熟起來(lái)。如今，嵌入式技術(shù)在通訊、網(wǎng)絡(luò )、工控、醫療、電子等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，它無(wú)疑成為當前最熱門(mén)最有發(fā)展前途的 IT 應用領(lǐng)域之一[10]。

　　嵌入式視頻技術(shù)隨著(zhù)處理器性能的提高、操作系統的不斷完善和多媒體通信技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用到視頻會(huì )議，家居安防和工業(yè)監控之中[11]。

　　在數字視頻處理技術(shù)出現之前，視頻信號從采集、存儲、傳輸都以模擬信號為主，隨著(zhù)個(gè)人計算機具有高速通用擴展總線(xiàn)，通過(guò)擴展視頻采集卡可以實(shí)現視頻模擬信號到數字信號轉變。而嵌入式系統的出現對于視頻的處理提出了新的需求，數字信號處理技術(shù)的應用研究也開(kāi)始在嵌入式系統上展開(kāi)。嵌入式圖像及視頻處理成為信號處理研究中一個(gè)重要的分支，大量在計算機上實(shí)現的數字信號處理算法通過(guò)與嵌入式系統的結合產(chǎn)生了大量?jì)?yōu)秀的應用平臺和案例。而從技術(shù)角度上來(lái)看，視頻圖像監測技術(shù)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段[12]：

　　第一代是模擬視頻監控系統。這類(lèi)監控系統需要有事先預定好的模擬監視器，并且獲得的圖像質(zhì)量不高、系統可擴展性也非常有限，而且錄像機中使用的錄像帶還需要經(jīng)常更換。

　　第二代是基于 PC 的數字化視頻監控系統。這個(gè)階段的監控系統實(shí)際上是第一代系統的發(fā)展，它以 PC 機為控制中心，結合較先進(jìn)的數字設備完成監控。但是視頻數據仍然是以模擬的傳輸方式傳輸，對第一代系統進(jìn)行了很大改進(jìn)。與第一代的閉路電視系統相比，這代系統是一種半數字半模擬系統，只是數字視頻錄像機的布線(xiàn)仍然很復雜，可擴展性不強，而且通常選用的 Windows 操作系統性能穩定性欠佳。

　　第三代是基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統。這種監控系統具有嵌入式微處理器和嵌入式操作系統，配合相關(guān)的嵌入式外設完成現場(chǎng)實(shí)時(shí)監控。它涉及到了多媒體技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數字化視頻圖像處理等技術(shù)，將現場(chǎng)采集到的監控數據先進(jìn)行一定的壓縮，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行數據傳輸。連接在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的計算機設備采用 C/S（客戶(hù)端/服務(wù)器）或者 B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式來(lái)獲得監控現場(chǎng)的相關(guān)數據，并可根據現場(chǎng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的人機交互。它的發(fā)展依賴(lài)于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，這類(lèi)基于網(wǎng)絡(luò )的視頻監控一般采用專(zhuān)用的嵌入式操作系統（如 Linux 操作系統）和專(zhuān)門(mén)設計的硬件設備，滿(mǎn)足特定的應用。與第一第二代監控系統相比，這類(lèi)的系統把所有的功能集合到一個(gè)專(zhuān)門(mén)的設備內完成，不僅在專(zhuān)用性上有很大的提高，而且在系統的穩定性和數據實(shí)時(shí)性上都顯示了其獨特的優(yōu)勢，此外在功耗和成本上的優(yōu)勢也使其具有很高的商業(yè)用途。

　　圖像處理技術(shù)的內容很廣，狹義上來(lái)講，是基于個(gè)人計算機，運用現代數學(xué)技術(shù)，完成對采集的圖像進(jìn)行特定要求處理的系統。圖像處理技術(shù)就是人類(lèi)視覺(jué)認知的擴展，是智能研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

視頻圖像采集與處理系統開(kāi)發(fā)：

原始圖片

灰度化后的圖片

視頻采集程序的運行腳本

系統控制界面

運動(dòng)物體監測記錄圖

motion 運行效果圖

圖像處理的開(kāi)始界面

相似度處理效果圖

直方圖和二值化處理后的效果圖

人臉區域確定與特征標記

目 錄

　　學(xué)位論文原創(chuàng )性聲明和學(xué)位論文版權使用授權書(shū)
　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 緒 論
　　　　1.1 課題背景及意義
　　　　1.2 嵌入式視頻監控和圖像處理的研究現狀
　　　　　　1.2.1 嵌入式技術(shù)的定義和研究現狀
　　　　　　1.2.2 視頻圖像監控技術(shù)的研究現狀
　　　　　　1.2.3 圖像處理的研究現狀
　　　　1.3 發(fā)展趨勢
　　　　1.4 論文主要工作及內容安排
　　　　　　1.4.1 論文的主要研究?jì)热?br /> 　　　　　　1.4.2 論文主要內容安排
　　第 2 章 系統總體設計與嵌入式系統概述
　　　　2.1 系統的總體設計
　　　　2.2 嵌入式系統概述
　　　　　　2.2.1 嵌入式系統簡(jiǎn)介
　　　　　　2.2.2 嵌入式系統的特點(diǎn)
　　　　　　2.2.3 嵌入式系統的組成
　　　　2.3 本章小結
　　第 3 章 嵌入式開(kāi)發(fā)平臺的搭建
　　　　3.1 系統硬件平臺的搭建
　　　　　　3.1.1 硬件概述
　　　　　　3.1.2 嵌入式處理器
　　　　　　3.1.3 NAND FLASH
　　　　　　3.1.4 電源管理模塊
　　　　　　3.1.5 網(wǎng)絡(luò )接口
　　　　　　3.1.6 USB 接口設計
　　　　　　3.1.7 USB 攝像頭
　　　　3.2 系統軟件系統的建立
　　　　　　3.2.1 Bootloader 簡(jiǎn)介
　　　　　　3.2.2 交叉編譯工具鏈的建立
　　　　　　3.2.3 嵌入式 Linux 操作系統簡(jiǎn)介
　　　　　　3.2.4 嵌入式 Linux 內核的配置和移植
　　　　　　3.2.5 Linux 根文件系統及其制作
　　　　3.3 本章小結
　　第 4 章 視頻圖像采集與人機交互
　　　　4.1 嵌入式視頻圖像采集
　　　　　　4.1.1 Video4Linux 簡(jiǎn)介分析
　　　　　　4.1.2 視頻數據采集分析
　　　　4.2 圖像數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸
　　　　　　4.2.1 計算機網(wǎng)絡(luò )協(xié)議簡(jiǎn)介
　　　　　　4.2.2 TCP/IP 協(xié)議簡(jiǎn)介
　　　　　　4.2.3 Socket 網(wǎng)絡(luò )套接字簡(jiǎn)介
　　　　　　4.2.4 基于 TCP 的圖像數據傳輸
　　　　　　4.2.5 視頻圖像數據的顯示
　　　　4.3 圖像捕捉和運動(dòng)物體動(dòng)態(tài)檢測
　　　　　　4.3.1 圖像捕捉的實(shí)現
　　　　　　4.3.2 運動(dòng)物體動(dòng)態(tài)檢測的實(shí)現
　　　　4.4 人機交互模塊的設計
　　　　　　4.4.1 嵌入式服務(wù)器的移植
　　　　　　4.4.2 CGI 的設計與編寫(xiě)
　　　　　　4.4.3 HTML 客戶(hù)端的設計
　　　　4.5 本章小結
　　第 5 章 基于 VC++的圖像處理與人臉標記
　　　　5.1 圖像處理與圖像識別技術(shù)
　　　　5.2 圖像預處理技術(shù)
　　　　　　5.2.1 圖像灰度化處理
　　　　　　5.2.2 圖像增強處理
　　　　　　5.2.3 圖像的二值化
　　　　　　5.2.4 圖像直方圖
　　　　5.3 Visual C++下實(shí)現圖像處理與人臉標記
　　　　　　5.3.1 Visual C++與其編程簡(jiǎn)介
　　　　　　5.3.2 設備無(wú)關(guān)位圖 DIB
　　　　　　5.3.3 圖像中人臉區域標記
　　　　5.4 本章小結
　　第 6 章 系統測試與結果
　　　　6.1 B/S 模式下的數據采集與運動(dòng)監測
　　　　6.2 基于 Visual C++的圖像處理與人臉檢測測試
　　　　6.3 本章小結
　　結論與展望
　　參考文獻
　　致 謝
　　附 錄 A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

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