基于ARM的圖像處理技術(shù)在電梯門系統(tǒng)的設(shè)計

1、第38卷第5期2010年10月浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報JO U RN A L OF ZHEJIA N G U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY V ol. 38N o. 5O ct. 2010基于ARM 的圖像處理技術(shù)在電梯門系統(tǒng)的設(shè)計邢海瀟, 趙國軍, 王 飛, 曾國偉, 陸鑫森(浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院, 浙江杭州310032摘要:電梯門系統(tǒng)作為電梯中的門戶, 其更好的安全性, 智能性一直是研究人員追求的. 系統(tǒng)采用了ARM 9高速處理器, 運用圖像處理技術(shù)對動態(tài)目標(biāo)進行檢測和簡單的預(yù)測, 當(dāng)電梯門完全打開或即將關(guān)閉時, 實時地檢測電梯門間區(qū)域范圍內(nèi), 當(dāng)有動態(tài)目標(biāo)出

2、現(xiàn)并向轎廂方向移動時, 迅速發(fā)出信號給電梯主控制器, 使之發(fā)出相應(yīng)的信號, 通過控制門機, 阻止電梯門的關(guān)閉. 實驗結(jié)果證明:所設(shè)計的系統(tǒng)的實時性, 適應(yīng)性和準(zhǔn)確性都基本滿足要求, 具有較大的實用價值. 關(guān)鍵詞:電梯門; ARM 9; 智能化; 圖像處理中圖分類號:T P273+. 5 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1006 4303(2010 05 0583 03Design of elevator door system based on ARM image processin g technologyXING H ai x iao, ZH AO Guo jun, WANG Fei, ZENG

3、Guo w ei, LU Xin sen(College of M echanical Engineering, Zhejiang University of Techn ology, H an gzhou 310032, ChinaAbstract:T he door system plays an im po rtant role in the elevato rs and its security and intellig ent operation have alw ay s been gr eatly concerned. T hus, a hig h speed ARM9pro c

4、essor is introducedto gether w ith image processing techno logy to facilitate dy namic targ et detectio n, tracking and predicting. T he detection and oper ation ar e completed in r eal tim e. For instance, people w ho need to use the elev ator can be quickly detected and r apidly responded, w hen t

5、he elevato r door is com pletely o pened or w ill be closed. Experimental results show that real time per for mance of the system can meet all basic requirements and the system can find w ide application. Key words:elevato r door; ARM 9; intelligent; imag e pro cessing 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

6、越來越大, 同時, 人們對電梯的要求也越來越高. 作為進出電梯轎廂安全保證, 門保護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)量的一個重要指標(biāo). 目前, 電梯門保護裝置主要分2大類:機械門保護, 光電門保護1. 隨著圖像識別技術(shù)的日新月異, 提出了基于ARM 的嵌入式圖像識別智能電梯門安全保護系統(tǒng). 通過硬件的設(shè)計和運用, 以及算法的研究, 開發(fā)出一套智能的通過圖像識別的電梯門安全保護系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng). 系統(tǒng)收稿日期:2009 03 20作者簡介:邢海瀟(1984 , 男, 浙江杭州人, 碩士研究生, 主要從事機電控制及自動化研究, E m ail:xinghaixiaogm ail.

7、 com.主要實現(xiàn)的功能:在電梯門即將關(guān)閉時有人以一定角度走向電梯門時, 系統(tǒng)能通過這個人的運動軌跡識別其是要乘電梯還是僅僅路過, 從而控制電梯門的開啟或關(guān)閉, 達到 聞香識客! 的功能.1 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)總體設(shè)計思路是用CMOS 攝像頭采集轉(zhuǎn)換視頻信號, 用ARM9內(nèi)核的高速主控芯片S3C2440A584浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報第38卷進行采集圖像的緩存控制, 并用動態(tài)檢測算法對圖像進行判別, 識別有無運動目標(biāo)出現(xiàn), 并進行軌跡分析. 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, 它還必須具有強大的計算能力和快速的處理能

8、力. 選用SAMSUN G 公司生產(chǎn)的帶CM OS 攝像頭接口的ARM 9核心的S3C2440A 處理器, 工作頻率可達400M H z 2. 該處理器使用ARM920T 控制器, A/D 轉(zhuǎn)換器, GPIO 等功能之外, 還集成了一個攝像頭接口(CA MIF , 該接口是圖像采集的核心部分. 同時處理器的可擴展能力較強, 可以支持未來系統(tǒng)的升級需要而留有余量. 硬件系統(tǒng)包括基于CM OS 攝像頭OV7620的圖像采集模塊, 存儲模塊, 圖像處理模塊, 通信模塊, 電源模塊等子模塊. 示意圖見圖 1.與微系統(tǒng)接口3.采用的OV7620圖像傳感器, 內(nèi)部集成了時序電路, 模擬信號處理電路, 數(shù)字

9、信號處理電路, 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 芯片有一個專用的視頻接口, 所以CPU 可以直接和CM OS 圖像傳感器連接. 連接示意圖見圖2.4圖2 圖像傳感器OV7620與S3C2440A 連接圖Fig. 2 L inked diag ram for Image senor of OV7620to S3C

10、2440A1. 2 圖像采集控制原理及配置圖1 系統(tǒng)總示意圖Fig. 1 System g ener al diag ramS3C2440A 的攝像頭接口(CAMIF 的模塊支持ITU RBT. 601/656YCbCr 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DM A 控制器進行數(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DM A 控制下傳輸?shù)絊DRAM, 一般這種模式用來提供圖像預(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

11、要為M PEG 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)置一個剪輯窗口, 只有進入這個窗口的圖像數(shù)據(jù)才能夠傳輸?shù)絊DRAM.系統(tǒng)使用C 端口模式的DM A 進行數(shù)據(jù)的傳輸與儲存, 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DM A 控制器訪問的視頻采樣輸出緩沖的內(nèi)存地址, 接著我們就可以通過設(shè)置S3C2440A 的CA MIF 接口控制寄存器啟動一幀圖像的采集, 當(dāng)采集完一幀圖像時, CAM IF 接口會自動啟動一次DM A 通信把采集的圖像數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存, 傳輸結(jié)束后, 會產(chǎn)生一個中斷通.系統(tǒng)在S3C2440A 處理器的控制下從

12、CM OS 攝像頭采集信號, 經(jīng)過編碼、DM A 傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖, 接著由軟件對采集的信號進行壓縮打包. 然后用軟件對一幀幀圖像, 進行幀間差分、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電梯門機進行控制. 1. 1 圖像采集接口圖像傳感器接口電路是硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分, 因為系統(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)鍵問題. 圖像傳感器是獲取圖像的核心器件, 它的作用是將來自于鏡頭的光信號轉(zhuǎn)換為電信號.系統(tǒng)采用OmniVision 公司CMOS 攝像頭OV7620采集圖像, OV7620是VGA/QVGA, 326688像素

13、, 完全可編程數(shù)字單片攝像芯片. 像素矩陣664492, 處理像素640480; 設(shè)計中采用QVGA 輸出, 可以達到每秒輸出30幀的速度. 以隔行掃描或逐行掃 第5期邢海瀟, 等:基于A RM 的圖像處理技術(shù)在電梯門系統(tǒng)的設(shè)計5852 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括寫下位機ARM9的程序設(shè)計與上位機界面的軟件編寫. ARM9控制器的軟件設(shè)計是軟件設(shè)計的主體部分, 則主要實現(xiàn)以下功能:CM OS 圖像傳感器的驅(qū)動和控制、圖像的傳輸處理、人機交互功能、內(nèi)外數(shù)據(jù)通訊功能. CM OS 攝像頭的驅(qū)動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, 及算法的移植實現(xiàn);

14、 人機交互功能則包括鍵盤輸入發(fā)光二極管指示運行狀態(tài)等; 內(nèi)外數(shù)據(jù)通訊功能包括與上位機的通訊以及與外部電梯主控制器設(shè)備的通訊. 上位機主要通過Delphi 來完成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, 各個模塊相對獨立, 但它們通過主程序相貫通. 這樣設(shè)計的好處在于對程序進行分塊調(diào)試與試驗. 若日后由于程序量龐大而導(dǎo)致問題出現(xiàn), 到時就可以有針對性地對出錯的模塊進行詳細分析, 從而大大節(jié)省維護時間. 下面對ARM9控制器的軟件設(shè)計進行說明.圖3為S3C2440控制器整體軟件結(jié)構(gòu)圖, 其功能如下:程序一開始, 首先對各個模塊進行初始化; 然后由上位機

15、程序?qū)z像頭進行參數(shù)設(shè)置和修正; 緊接著, 上位機發(fā)出圖像采集命令, S3C2440的CAM IF 模塊對OV7620攝像頭進行圖像采集, 并把數(shù)據(jù)通過DM A 通道傳送到指定的RAM 中暫存. 接下來根據(jù)銨鍵確定是背景自學(xué)習(xí)狀態(tài)還是運動目標(biāo)識別狀態(tài). 從而分別調(diào)用背景建立任務(wù)和目標(biāo)識別任務(wù)來完成圖像的處理儲存和識別. 最后把圖像識別結(jié)果, 通過串口輸出經(jīng)485總線傳輸給電梯總控制器, 進而對電梯的機門進行控制. 雖然很多子程序都是通過中斷而觸發(fā)的, 這里, 之所以沒有把中斷觸發(fā)后的子程序直接在中斷函數(shù)里運行, 而是觸發(fā)后僅僅把標(biāo)志位置位, 然后通過主程序查詢?nèi)ミ\行子程序, 是因為由于程序量的

16、龐大, 不想在中斷中占用過多的處理時間, 以防到時過多中斷觸發(fā)同時出現(xiàn)而導(dǎo)致程序混亂 .圖3 控制器軟件總體流程圖F ig. 3 O ver all flow diag ram for contro ller各個初始化模塊的功能如下:各個IO 口初始化用于確定各個引腳輸入輸出功能; 串口1初始化用于確定與上位機界面通訊的相關(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; 各個外部中斷初始化用于對外部輸入產(chǎn)生中斷的相關(guān)寄存器進行設(shè)置; 定時器初始化用于對定時有需要的功能寄存器進行設(shè)置.于ARM9(S3C2440 的圖像處理技術(shù)的電梯門控制方法. 該方法經(jīng)過一系列的理論研究, 以及通過實驗證實, 與傳統(tǒng)的機械式, 光電式相比, 擁有識別空間廣, 識別反應(yīng)迅速等優(yōu)點. 實現(xiàn)了智能性, 實時性更好的電梯門保護裝置, 使得電梯門控制系統(tǒng)更具安全化, 智能化, 人性化, 具有較高的實用價值. 參考文獻:1 萬纓, 韓毅, 盧漢清. 運動目標(biāo)檢測算法的探討J. 計算機仿真, 2006, 23(10 :221 226.2 陳家盛. 電梯實用技術(shù)教程