【導讀】簡述了數(shù)字圖像處理的應(yīng)用以及一些基本原理。使用S3C2440處理器芯片，linux內(nèi)核來構(gòu)建一個簡易的嵌入式圖像處理系統(tǒng)。統(tǒng)均采用菜單配置方式來進行相應(yīng)配置。應(yīng)用界面使用QT制作，系統(tǒng)主要實現(xiàn)。了一些簡單的圖像處理功能，比如灰度話、增強、邊緣檢測等。在此基礎(chǔ)上還會對系統(tǒng)進行不斷地完善。

　　

【正文】 ，其方向為 ，因此圖像經(jīng)過梯度運算能靈敏地檢測出邊界線。但由于梯度運算比較復雜，有時可以采用一些近似運算，以獲得既能滿足要 求又使運算簡單的方法。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 45 頁 （ 2）拉普拉斯算子 [11] 拉普拉斯（ Laplacian）算子是不依賴邊緣方向的二階微分算子，它是一個標量而不是向量，具有旋轉(zhuǎn)不變即各向同性的性質(zhì)，在圖像處理中經(jīng)常被用來提取圖像的邊緣。表達式為 ，在數(shù)字圖像情況下的近似式為。 圖像描述和圖像識別 所謂圖像描述就是用一數(shù)組數(shù)量或符號（描述子）來表征圖像中被描述物體的某些特征 [12]，可以是對圖像中各組成部分的性質(zhì)描述 [13]，也可以是各部分彼此之間的關(guān)系的描述。 第三章 需求分析 系統(tǒng)需求分析 在嵌入式設(shè)備日益發(fā)展的今天，圖像處理這個看似神秘的話題也逐漸出現(xiàn)在了人們?nèi)粘５那度胧皆O(shè)備上 [14]。該系統(tǒng)期望運行于一些移動設(shè)備終端，就當前移動終端的發(fā)展來看，這將會有不錯的市場需求。而且，人們越來越追求智能終端的情況下，如果將這樣一個具有不錯的圖像處理功能的應(yīng)用無疑會受到大多數(shù)消費者的青睞。 可行性分析 要想在一個移動的嵌入式終端運行一個圖像處理的程序，聽起來好像很難實中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 45 頁 現(xiàn)，因為要對圖像進行處理，那么必然要面對大量的二維數(shù)據(jù)，那么這就需要處理器的運算能力可以勝任。 就現(xiàn)在的 ARM 芯片發(fā)展而言，完全可以將這樣 的功能移植到嵌入式設(shè)備上，我們無需擔心其處理能力。 而且設(shè)計這樣一個小型的圖像處理系統(tǒng)，所需成本也完全可以接受，因為圖像處理系統(tǒng)其實只是一個嵌入式終端的一部分，可以說成本就只有你的算法程序和你付出的勞動。而它可以帶來的效益那當然是很客觀了，因為智能設(shè)備正在泛濫嗎！ 系統(tǒng)功能分析 該系統(tǒng)主要實現(xiàn)一些簡單的圖像處理功能。 主要有彩色圖像的灰度化 處理、灰度圖像的增強、灰度圖像的銳化、簡單的邊緣提取 [15]，還有一些有意思的特效處理 。 第四章 概要設(shè)計 根據(jù)功能的不同，圖像處理系統(tǒng)大多可分為四個模塊：圖像采集模塊、圖像存儲模 塊、圖像處理模塊以及圖像顯示模塊，有時根據(jù)需要可能還會有網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。下面對各個模塊分別加以詳述。 整體的系統(tǒng)框圖如下： 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 45 頁 圖 像 處 理 模 塊A R ML in u x 內(nèi) 核圖 像 采 集 模 塊U S B 攝 像 頭顯 示 模 塊L C D圖 像 存 儲 模 塊S D 卡網(wǎng) 絡(luò) 通 訊 模 塊可 以 進 行 雙 向 數(shù) 據(jù)傳 輸無 線 接 口接 口 芯 片與 服 務(wù) 器 進 行 通 信 圖 四 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖像采集 首先需要明確一個概念，圖像不同于圖形，圖形的獲取一般通過繪圖工具進行繪制，而圖像的獲取則大多要用掃描儀、相機、攝像頭等設(shè)備進行采集，也可以對視頻進行捕捉。 掃描儀是利用光電技術(shù)和數(shù)字技術(shù)以掃描的方式將圖形或圖 像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的裝置 [16]。掃描儀掃描圖像的方式大致有三種：以光電耦合器（ CCD）為光電元件的掃描、以接觸式圖像傳感器 CIS（或 LIDE）為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描、以光電倍增管（ PMT）為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描。其中 CCD 掃描儀需要一整套光學系統(tǒng)，組成它的部件相對復雜，體積相對較大，成本相對較高。 CIS 感光元件本身足以完成成像任務(wù)，具有模塊化設(shè)計，原理和光路都極為簡單，組裝容易，產(chǎn)品體積可以更小。 PMT 掃描儀成本極高，一般只有最專業(yè)的領(lǐng)域才會使用，屬于可望而不可及的貴族產(chǎn)品。掃描儀應(yīng)用在當今社會的各個領(lǐng)域，而且 技術(shù)也比較成熟，如今的圖像處理系統(tǒng)很多都采用的掃描儀進行圖像采集。 攝像頭又稱為電腦相機、電子眼等，是一種視頻輸入設(shè)備，現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用在視頻會議、實時監(jiān)控等方面。攝像頭通常有 CCD 和 CMOS 兩種，接口在并口、中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 45 頁 串口以及現(xiàn)在應(yīng)用較多的 USB 接口。 CCD 和 CMOS 攝像頭的主要區(qū)別是 CCD 是集成在半導體單晶材料上，而 CMOS 是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別。一開始 CCD 的性能要好于 CMOS，但現(xiàn)在隨著技術(shù)的改進，兩者的差距也在逐漸縮小。由于二者各具優(yōu)勢，所以在不同的領(lǐng)域都得到了廣泛的 應(yīng)用。攝像頭可以對動態(tài)的視頻信號進行采集，因此在圖像采集領(lǐng)域也使用得越來越多。 相機以及數(shù)碼相機做為一種便攜式設(shè)備，雖然也具有圖像采集功能 ，但它很少被應(yīng)用在專門的圖像采集系統(tǒng)中，而是主要用于日常生活。它本身就已經(jīng)可以稱為系統(tǒng)的設(shè)備了，內(nèi)部集成了一些圖像處理功能。 圖像存儲 現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學研究對圖像采集系統(tǒng)要求日益提高。傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)大都是基于 PC 機的，而在一些特殊場合，尤其是在實時性要求較高時，普通 PC機顯然無法滿足應(yīng)用要求。因此大多數(shù)的嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)都是采用Flash 芯片來進行圖像的存儲。由 于圖像信息的數(shù)據(jù)量往往遠大于普通數(shù)據(jù)，因此圖像的存儲基本上都會涉及到壓縮算法的問題。正如目前我們所見到的各種不同格式的圖片與視頻也正是基于不同壓縮算法的處理結(jié)果，它也直接影響著圖像的處理效果。在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中可以采用多塊 SD 卡構(gòu)成圖像存儲模塊 [17]，這也是現(xiàn)今大多數(shù)圖像處理系統(tǒng)所采用的方法。 SD 卡體積小，而且具有不錯的容量，使用多塊完全可以滿足一般圖像處理系統(tǒng)的要求。 圖像處理（ image processing） 作為一個圖像處理系統(tǒng)最核心的部分，圖像處理是指利用處理器芯片對圖像數(shù)據(jù)進行分析，以達到 所需結(jié)果的技術(shù)。所謂的圖像增強、復原、描述、識別、分割等都是在該模塊來實現(xiàn)。在處理器上，傳統(tǒng)圖像處理多采用 PC 進行圖像數(shù)據(jù)的分析，嵌入式系統(tǒng)則大多采用 ARM 芯片，有時會與 DSP 結(jié)合形成高性能易用的系統(tǒng)。采用 ARM 的嵌入式圖像處理系統(tǒng)通常是基于 Linux 內(nèi)核的，利用 Linux中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 45 頁 的開源以及可移植性，可以很方便的形成一個專用的嵌入式系統(tǒng)。當硬件系統(tǒng)構(gòu)建完成以后，剩下的便是圖像處理的一些具體算法了。首先要對采集到的圖像進行數(shù)字化處理，當然現(xiàn)在好多圖像采集卡或其它圖像采集設(shè)備已經(jīng)集成了該功能。當數(shù)字化之后，需要對圖像信 息進行編碼，以滿足傳輸和存儲的要求，編碼可以壓縮圖像的信息量，但圖像的質(zhì)量幾乎不變。由于圖像信息量巨大，因此壓縮對圖像的傳輸與存儲也是十分必要，總的分為有損壓縮和無損壓縮兩大類。圖像的增強和復原往往是圖像處理涉及最多的，圖像增強的目標是改進圖片的質(zhì)量，包括對比度、去掉模糊和噪聲等，圖像復原是在假定已知模糊或噪聲模型時，試圖估計原圖像的一種算法。二者開始都是采用頻率域的方法，現(xiàn)在很多開始采用空間域方法和代數(shù)方程的方法來實現(xiàn)。 圖像顯示 現(xiàn)在我們常常可以看到的圖像顯示基本上都是采用 LCD，也逐漸有越來越多LED 背光的顯示屏開始出現(xiàn)。不同的顯示屏幕可能會有不一樣的顯示效果，但是對于一個圖像處理系統(tǒng)來說，顯示只能對最后的效果有一些更好的表達，并不能本質(zhì)上決定一個圖像處理系統(tǒng)的優(yōu)劣。所以這里對顯示不做過多深述，采用普通顯示屏幕即可。 網(wǎng)絡(luò)通訊 針對網(wǎng)絡(luò)越來越普及的狀況，現(xiàn)今大多的嵌入式圖像處理系統(tǒng)都集成了網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可以更加方便的與遠程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，比如說現(xiàn)在應(yīng)用在交通上的監(jiān)控系統(tǒng)都采用了這種模式。因此針對這種趨勢，系統(tǒng)設(shè)計時，在完成基礎(chǔ)功能的實現(xiàn)后，應(yīng)盡可能加入與主機通訊的功能。 第五章 詳細設(shè)計 本系統(tǒng)采用三星公司 的 S3C2440 芯片來進行系統(tǒng)的實現(xiàn)。進行基于 linux 的中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 33 頁 共 45 頁 應(yīng)用移植 ，系統(tǒng)實現(xiàn)的源代碼可于附錄中找到 。 Linux 嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建 Linux 的移植大多可分為三步，分別是 bootloader、 kernel、 rootfilesystem。 啟動引導程序的移植 與 PC 機不同，嵌入式設(shè)備的 BIOS 大多與 bootloader 集成在一起。因此，這里與普通的電腦系統(tǒng)不同，它會額外涉及到一些與芯片有關(guān)的修改。本系統(tǒng)移植的現(xiàn)在很流行的 uboot，版本是 。 一、 交叉編譯器安裝， uboot 源代碼解壓； 二、 修改配置文 件，主要是修改 MAKEFILE 和 config 文件； 三、 修改源文件，配置內(nèi)存，時鐘，串口波特率 ； 四、 增加 nandflash 初始化代碼 ； 五、 增加 DM9000 網(wǎng)卡支持 ； 六、 增加從 nand flash 啟動功能 ； 七、 讓 uboot 支持加載根文件系統(tǒng) ； Linux 內(nèi)核移植 本系統(tǒng)使用的是 linux 內(nèi)核，版本是 。 kernel 移植時，對于其配置，提供了幾種不同的配置方法，我在這里使用的是菜單配置。 一、 解壓源代碼 ，配置缺省文件 ； 二、 增加 rtc 設(shè)備 ， 修改晶振 ， 修改 nandflash 分區(qū) ； 三、內(nèi)核裁剪： 配置 DM9000 網(wǎng)卡 ， 配置觸摸屏 ， 配置顯示器 ； 四 、進行菜單配置： make menuconfig； 五、編譯： make； 六、使用 uboot 提供的工具生成 uboot 可以支持的 linux 內(nèi)核鏡像文件。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 34 頁 共 45 頁 根文件系統(tǒng)的移植 本系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)使用經(jīng)典工具 busybox 制作。這里也是采用的菜單配置 。 一、 解壓 busybox； 二、進行默認配置 make defconfig，然后進入菜單配置界面 make menuconfig； 三、在生成 _install 文件夾中創(chuàng)建 linux 需要的一些基 本目錄 四、 制作 jffs2 根文件系統(tǒng) 五、 制作 yaffs2 根文件系統(tǒng) 最終移植時我使用的是 jffs2 根文件系統(tǒng)。 圖像處理功能的實現(xiàn) 由于系統(tǒng)需要對原始的圖像數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，因此系統(tǒng)所使用的原圖均為 bmp 非壓縮格式的圖片。 彩色圖像的灰度化 彩色圖像由 R、 G、 B 三個分量組成，而灰度圖像顯然只有亮度值一個屬性。因此，想要是彩色圖像灰度化，我們需要使用某種變換將其聯(lián)系起來。這里采用的是比較常用的，并且效果還不錯的一種轉(zhuǎn)換關(guān)系： 這是根據(jù)人眼對綠色的敏感度最高，而對藍色的敏感度最低的出來的，下面是轉(zhuǎn)換的效 果圖。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 35 頁 共 45 頁 圖 五 1 轉(zhuǎn)換前的彩色 car 圖 五 2 轉(zhuǎn)換后的灰度 car 其實這個功能的實現(xiàn)很簡單，只需要將一幅彩色圖片的每一個像素都讀出來，然后按上式進行運算，即可得到一幅灰度圖 。 灰度圖的直方圖均衡化增強 灰度圖像的增強其實是比較簡單的，而其中的直 方圖均衡化應(yīng)該算是一種比較復雜的灰度變換了。 直方圖均衡 化是灰度變換的一個重要應(yīng)用，廣泛應(yīng)用在圖像增強處理中，它是以累計分布函數(shù)變換為基礎(chǔ) 的直方圖修正法，可以產(chǎn)生一幅灰度級分布具有均勻概率密度的圖像，擴展了像素的取值動態(tài)范圍。若像素點的原灰度為 R，變換后的灰度為 S，需要注意的是 R、 S 是歸一化后的灰度值， 其灰度變換函數(shù) T()為 ： 式中 ； 。 式中 是第 j 級灰度值的概率， 是圖像中第 j 級灰度的像素總數(shù)， l 是圖像中灰度級的總數(shù)目， n 是圖像中的像素總數(shù) [18]。 對變換后的 S 值取最靠近的一個灰度級的值，建立灰度級 變換表，將原圖像變換為直方圖均衡的圖像。下面是實現(xiàn)圖像直方圖均衡化的效果圖： 圖 五 3 previous 圖 五 4 enhanced 圖像二值化 與圖像灰度 化的道理一樣，只不過這種處理只保留兩種灰度級 [19]： 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 36 頁 共 45 頁 圖 五 5 原圖 圖 五 6 二值化后 邊緣檢測 圖像邊緣檢測大幅度地減少了數(shù)據(jù)量，并且剔除了可以認為不相關(guān)的信息，保留了圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性。有許多方法用于邊緣檢測，它們的絕大部分可以劃分為 兩類：基于查找一類和基于零穿越的一類 [20]?；诓檎业姆椒ㄍㄟ^尋找圖像一階導數(shù)中的最大和最小值來檢測邊界，通常是將邊界定位在梯度最大的方向。基于零穿越的方法通過尋找圖像二階導數(shù)零穿越來尋找邊界， 下圖為拉普拉斯算子 [21]的效果圖。 圖 五 7 原圖像 圖 五 8 檢測結(jié)果 第六章 調(diào)試與維護 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 37 頁 共 45 頁 由于該系統(tǒng)的設(shè)計是在 PC 機上實現(xiàn)，而最終運行環(huán)境是嵌入式開發(fā)板的的linux 環(huán)境，因此，應(yīng)用程序的移植與在目標機上的調(diào)試是最后也是非常重要的一步。在應(yīng)用程序的移植過程中，因為界面使用 QT 設(shè)計，