基于嵌入式的视觉传感器节点设计与研究
摘要
目前基于嵌入式技术的应用十分广泛，在生活和工业生产中都能看到基于嵌入式技术的产品。本课题设计与研究的基于嵌入式技术的视觉传感器节点主要实现的功能是能够检测运动中的目标。
在整个课题的设计与研究中，通过学习和分析当前主流的嵌入式平台，选择了基于SAMSUNG S3C2440嵌入式处理器设计视觉节点。硬件系统中搭建了以SAMSUNG S3C2440嵌入式处理器为核心，图像传感器、FLASH接口、SDRAM接口、时钟与复位等外围电路模块。课题中针对视觉节点的目标检测功能，学习研究了光流法、帧差法、背景减法，通过仿真实验对比分析，在本次的课题研究中采用了改进的背景帧差法实现对运动目标的检测。
此次的课题设计与研究中，针对嵌入式技术做出了学习分析，最终形成了以ARM微处理器为核心的硬件系统，结合改进的背景帧差法实现了对运动目标的检测的功能。其不足之处就是对于算法的移植还欠缺考虑，有待对于目标检测算法如何移植到嵌入式平台环境中做出更深入的学习与研究。
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关键字:嵌入式系统；视觉节点；目标检测
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 视觉检测的研究与应用现状 2
1.3 课题主要研究内容及论文组织 3
第2章 视觉检测实现的方案设计与研究 5
2.1嵌入式视觉传感器节点硬件平台方案的论证 5
2.1.1基于DSP微处理器的嵌入式硬件平台 5
2.1.2基于FPGA微处理器的嵌入式硬件平台 6
2.1.3基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台 6
2.1.4基于DSP、FPGA、ARM芯片的嵌入式硬件平台的比较 7
2.2 嵌入式视觉传感器节点算法的研究与论证 7
2.2.1 运动目标检测原理流程 8
2.2.2 图像预处理 8
2.2.3 背景提取 8
2.2.4 运动目标分割 9
2.2.5 提取运动区域 10
2.3 本章小结 11
第3章 嵌入式视觉传感器节点硬件设计与研究 11
3.1 SAMSUNG S3C2440嵌入式处理器介绍 12
3.2 Flash接口电路设计 13
3.3 SDRAM接口电路设计 14
3.4 时钟和电源管理 15
3.5 本章小结 17
第4章 嵌入式视觉传感器节点算法仿真与研究 17
4.1 常见的目标检测算法 18
4.1.1 光流法 18
4.1.2 帧间差分法 18
4.1.3 背景减法 21
4.2 基于背景减法的目标检测 23
4.2.1背景建模方法 23
4.2.2 基于背景建模方法的实验仿真与分析 25
4.2.3背景减法面临的问题 26
4.3基于改进背景减法的目标检测 28
4.3.1算法基本思想 28
4.3.2背景模型的初始化 28
4.3.3运动目标的检测 29
4.3.4背景模型的更新策略 29
4.3.5运动目标检测 30
4.3.6基于改进的背景减法的实验仿真与分析 32
4.4 本章小结 36
第5章 总结与展望 36
5.1 论文工作总结 36
5.2 论文工作展望 37
参考文献 38
致谢 41
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
视觉是人类观察世界感知世界的主要手段。据统计，人类获取的信息80%来自视觉系统这表明了视觉对人类认识世界的重要性。人类视觉通过眼睛来获取周围世界的信息，然后经过神经网络传输到大脑进行处理和理解，而计算机视觉是采用各种成像设备代替人眼获取周围世界的视觉信息，由计算机来代替人脑进行图像的处理和分析，其目的是通过电子化感知和理解图像，进而复制人类视觉的效果。
计算机视觉检测系统是采用成像设备、计算机和其它硬件辅助设备构成的，并利用相关学科的技术方法，对实际生产过程进行实时检测控制的系统，计算机视觉检测作为一种非接触的自动检测技术，可以快速获取大量信息，并易于处理和进行工程控制。计算机视觉检测具有可持续性，可靠性高，精度高，实时性强，这些特点是人工检测所无法保证的，近几十年来随着成像技术和图像处理技术的不断发展和进步，基于嵌入式的视觉视觉节点在检测技术得到了快速的应用发展。另一方面，嵌入式系统作为当今非常热门的研究方向。
早期的嵌入式系统，主要指的是基于单片机的应用控制，然而随着工业，生活和国防等邻域对智能控制需求的不断增长，嵌入式处理器在运算速度，可扩充性，稳定可靠性以及集成度和功耗上取得快速的发展，嵌入式系统已经被大量应用到了包括航空航天，医疗卫生，日常生活等行业。嵌入式系统具有体积小，功耗低，实时性，可靠性高等特点，使得它在很多行业有着广泛应用前景。计算机视觉检测应用中如何对实时采集的图像数据进行处理是一个重大课题，不同于一般的图像处理方法，视觉检测下的图像处理更加强调精度和速度，以及在特殊环境下的可靠性问题。目前基于图像智能识别的理论和应用研究水平取得了很大的发展，在图像处理算法的研究方面包括图像算法模型和数学模型，在图像处理技术上也有大量的研究工作和研究成果，使得图像处理技术在很多行业都得到了应用图像处理上引入的一些新的理论和实现方法往往对特定的对象往往具有较好的处理效果，如小波分析(Wavelet)[1]，形态学(Morpbotogy)[2]等这些理论及算法，将会成为今后图像处理理论与技术的研究热点，如何将这些算法移植到嵌入式系统中，针对嵌入式系统的特点实现高效的算法也是一项困难比较大的问题。
在我国，基于嵌入式的视觉检测方面的研究起步比较晚，技术发展状况和国外相比有一定的差距国内研发的设备在可靠性，实时性以及精度上都普遍存在着问题，产品的商业化应用还不是很多，而国外的设备由于存在着技术垄断，价格和服务又都相当的高，这造成国内企业如果购买国内产品就存在维护困难等问题而如果购买国外产品又存在着开发和服务压力的矛盾，影响了企业的长远发展。随着我国经济的快速发展，工业生产生活水平也不断的提高，企业发展逐渐向由自动化生产取代或部分代替人工生产方向发展，这就使各行各业迫切需要能在市场上找到合适的设备，而嵌入式系统应用中则没有一种处理器或者操作系统可以垄断市场，即使一种体系机构存在着主流，但是各个不同的应用也决定了不会存在垄断情况，这样为系统开发提供了灵活性，也成了视觉检测研究的一个很好的方向。所以基于嵌入式的视觉检测上展开的应用与研究意义是很大的。
本课题基于嵌入式视觉传感器节点的设计与研究，主要是将目前广泛应用的基于PC的视觉检测技术移植到嵌入式处理器上，并在嵌入式系统上实现视觉图像采集[3]、视觉图像处理及控制。构成处理速度快，成本低，结构紧凑，不需要计算机介入的专用检测的嵌入式视觉节点。
1.2 视觉检测的研究与应用现状
计算机技术和计算机视觉理论的提出和发展都在国外先展开，所以关于视觉检测的研究和应用国外比国内进行的要快，技术状况和理论水平相比于国内的更加成熟，应用更广泛以及相应的产品种类，性能都要好。关于计算机视觉的理论，早在二十世纪70年代末麻省理工学院的Malr教授就提出了视觉计算理论，系统地介绍了用二维图像恢复物体三维信息的可能性和方法，指出计算机视觉系统作为信息系统的一个例子，要从3个层次来理解计算机视觉系统:
（1）计算理论，描述系统做什么，提供什么信息，描述完成任务的策略；
（2）表达与算法，描述如何进行精确的计算；
（3）算法的物理实现，包括特定的软件和硬件系统。
这一理论已成为了该领域内的主流理论。80年代后，计算机视觉的研究逐渐走出实验室，与具体的应用相结合，视觉检测技术在国外取得了快速的发展，德国，美国和日本的一些公司都研制出了功能完善，实时性，可靠性和精度都很高的设备，在工业上得到了成功的应用。相比国外，国内的研发比较晚，直到90年代后国内才开始了视觉检测技术的研究，其中浙江大学，东南大学，天津大学，哈尔滨工业大学等都在这方面取得了一定的成果，除了各大高校对视觉检测系统展开研究之外，国内很多企业也逐渐认识到了视觉检测的应用并投入到了这方面的研究中，如中科院北京大恒图像视觉技术公司，深圳视觉龙公司等。
视觉检测产品按其实现方式可以分为两类:
一类是应用比较复杂、可靠性较高的，基于PC机的板卡式系统。这类应用研究比较长，相关的体系结构研究都比较完善。这种实现通常采用基于面阵或者线阵CCD的图像采集卡通过高速的PCI总线传给监控服务器，然后使用专用的图像处理软件进行识别处理，也可以通过网络传输给专用的图像处理服务器，这些服务器上大多都配置了专业化图像处理软件，具有很强的图像处理能力，还可以根据控制目标的复杂度进一步分为多视觉检测系统和单视觉检测系统。
另一类就是以嵌入式处理器为核心的视觉检测解决方案，随着微电子技术的不断发展，工艺水平的不断提高，嵌入式处理器能力得到了不断加强，嵌入式SOPC[4]技术也逐渐发展成熟，使得嵌入式的解决方案可以满足广泛的应用甚至以在单个芯片上完成特定应用。嵌入式视觉检测实现方案因此也有很多的选择，如采用通用的嵌入式处理器，或者使用数字图像处理器(DSP)专门处理图像数据[5]，也有采用FPGA CPLD技术构建硬件逻辑电路来实现视觉检测功能。嵌入式视觉检测应用有着巨大的市场潜力，基于嵌入式的视觉检测应用支持实时处理，而且抗干扰能力强，可以广泛应用到各种环境下，将大大的节约成本的投入。
同时随着自动控制技术及嵌入式视觉图像处理技术的发展，其基于嵌入式的视觉节点的视觉控制系统的研究占据越来越重要的地位。利用现有的嵌入式技术、图像处理技术、自动控制技术，形成基于嵌入式的视觉的控制系统，可广泛的应用于工业控制中，并可大幅度提高现有工业控制的自动控制水平，提高生产效率。所以基于嵌入式的视觉节点的研究将成为目前嵌入式研究的一个重要的方向，也是一种必然的发展趋势。
1.3 课题主要研究内容及论文组织
本课题提出的基于嵌入式的视觉传感器节点设计与研究，作为基于视觉检测控制系统的一个重要部分，嵌入式视觉检测系统是一个重要的而且应用发展前景十分好的领域，对其实现进行深入的研究有着重要的现实意义。本论文在研究了目前的视觉检测技术的基础上，结合ARM嵌入式开发技术，设计与研究了基于嵌入式的视觉节点。
主要研究的内容包括：
（1）学习和研究众多的嵌入式技术以及硬件平台，通过分析比较得出基于DSP、FPGA、ARM三种微处理器的优缺点，同时联系基于视觉检测技术的相关特征，分析论证了它们在视觉节点设计与研究的适用性、经济性以及可学习性，最终进而采用了以ARM微处理器为核心的嵌入式平台技术；
（2）学习和研究了多种目标检测技术，学习研究目标检测方法中的光流法、帧差法、背景减法的相关原理，通过三种方法原理的学习分析，通过仿真实验对比得出三种方法各自的优缺点，另外联系实际处理中遇到背景变化的问题，最终采用了改进的背景减法的算法，并且通过相应的仿真实验得出该算法在实际的目标检测应用中具有较好的目标检测效果。
论文的组织安排如下：
第一章绪论简要介绍了基于嵌入式的视觉节点的设计技术，分析了该技术在现代工业生产制造以及居民生活中的具体应用，然后对嵌入式视觉节点设计的研究内容及国内外研究现状做了一个简要综述，并阐述了课题的主要研究内容。
第二章详细介绍了基于嵌入式的视觉节点设计方案的论证，通过比较多种嵌入式硬件平台的优劣点，联系目标检测功能的特地特点，最终采用基于ARM的嵌入式技术。同时根据视觉节点的目标检测功能，学习研究了目标检测算法的实现过程。同时对目标检测算法中涉及的图像处理技术进行了相应的学习与研究。
第三章主要是节点硬件的设计，在这章介绍整个视觉节点设计的硬件系统，另外学习研究了基于SAMSUNG S3C2440微处理器进行视觉节点设计的相关外围电路原理。
第四章主要是对目标检测算法的学习与研究，学习研究了光流法、帧差法、背景差法的原理，并且通过相应的仿真实验对各自目标检测效果进行对比分析，同时联系实际目标检测时背景变化的条件，采用了基于帧差法和背景减法的该进型目标检测法，另对该方法进行原理学习和研究，通过相应的仿真实现得出具体的实际效果。
第五章对本次毕业设计工作做了一个简单的总结与展望。
第2章 视觉检测实现的方案设计与研究
基于嵌入式的视觉传感器节点设计是以视觉检测理论为背景，结合嵌入式开发以及相应的目标检测技术，从所获取现场图像数据中分析提取出被检测对象的特定信息。嵌入式视觉节点的应用为目标检测提供了一种新的实现方法，然而基于嵌入式的视觉节点设计仍然是一种不断发展中的技术，相关的理论研究仍处在不断成熟和完善中，实现上也再不断结合新出现的开发方法，因此本章将对基于嵌入式的视觉节点设计与研究的方案进行论证和研究，对课题中涉及到的关键技术进行学习和研究。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1563.html
