单片机摄像头数据采集与处理

单片机摄像头数据采集与处理 目 单片机摄像头数据采集与处理 _自动化学院_院(系) 自动化_专业 学 号 08009123 姓 名 孙博 指导教师 符影杰 顾问教师 起止日期 2012.12.20 – 2013.06.10 地点 中心楼 224东南大学毕业设计(论文)报告 摘要 单片机摄像 头数据采集与处理 摘要 随着计算机的发展，随着图像采集处理技术的进步和社会 的发展，其被广泛的运用于社会社交，远程医疗及实时监控等各个方面。图像测量 是一种非接触式的检测，可应用于工业、民用等许多领域。图像采集与处理是 图像测量的基础，关系到测量的精度与速度。基于单片机摄像头图像采集与处理技 术拥有广泛的应用市场和广阔的发展前景。 本文中基于低功耗单片机的摄像式实时 图像测量系统，通过图像测量的方法，可直接安装在常规电表前，采用摄像技术和 图像识别技术实现数据采集，将读表数据直接在单片机中处理并显示出结果，采用 串口传输技术将数据存储于上位机上并显示，无需人工干预，具有成本低、安装简 单、智能化程度高的特点。 针对本设计的特点，采用一种基于图像处理技术的数码 管检测系统，设计了静态图像采集和静态图像处理的控制。首先，通过分析与 实验，完成各功能模块核心元件的选型与外围电路设计。经过硬件调试，完成了最 小系统、图像采集、数据存储、结果显示和数据传输等功能模块的硬件设计。其次， 在硬件平台的基础上，实现各个功能模块的软件功能。 基 于 本 装 置 的 控 制 要 求 ， 分 别 选 用 了 MSP430F149 单 片 机 和STC12LE5A60S2 单片机和 OV7670 图像传感器作为核心部件，设计并完成了两套图像测量系统。实验结果表 明，该装置满足测量，达到了研究的预期目的。关键词:图像测量、图像处理、 摄像头、单片机 .I.东南大学毕业设计(论文)报告 Abstract Singlechip camera data acquisition and processing Abstract With the development of computer technology along with the development of image acquisition andprocessing technology and the progress of society image technology is widely used in socialnetworkingtelemedicine and real-time monitoring. Image measurement is a sort of non-contactmeasurement which can be applied to many fields such as industrial civil. Image acquisition andprocessing is the basis of image measurement which is related to the precision and speed of measurement.Image acquisition and processing technology based on singlechip has a widely application prospect fordevelopment. Camera image real-time measurement system based on low power consumption MCU in this paperthrough the method of image measurement can be directly installed in the conventional electric meterwhich adopt the realization of data acquisition camera technology and image recognition technologyprocessing the reading data directly in the MCU and display the results. It uses serial transmissiontechnology to store data to the PC and display without manual intervention having the characteristics oflow cost simple installation high intelligent degree. According to the characteristics of the design using a digital detection system based on the imageprocessing technique a control scheme is designed for the static image acquisition and static imageprocessing. Firstly through analysis and experiment complete the design and selection of keycomponents of peripheral circuit of each function module. After hardware debugging completed thehardware design of the minimum system image acquisition data storage results display and datatransmission module. Secondly based on the hardware platform realize each function module of softwarefunction. Based on the requirements of the device MSP430F149 chip and STC12LE5A60S2 MCU andOV7670 image sensor is used as a core component I designed and completed the two sets of imagemeasurement system. The experimental results show that the device meets the measurement requirementsand achieves the expected goal.KEYWORDS: Image measurement，image processing，camera，singlechip. . II .东南大学毕业设计(论文)报告 目录目录摘要 ........................................................................................................ IABSTRACT ........................................................................................... II第 1 章 绪论 .......................................................................................... 3 1.1 项目背景、研究现状与研究意义 .................................................... 3 1.1.1 项目背 景 ................................................................................. 3 1.1.2 研究现 状 ................................................................................. 3 1.1.3 研究意 义 ................................................................................. 3 1.2 本论文所做的主要工作与所要达到的目标 ...................................... 3第 2 章 总体设 计 ................................................................................... 3 2.1 基于图像处理的相关方案............................................................... 3 2.1.1 图像处理相关理 论 ................................................................... 3 2.1.2 图像采 集 ................................................................................. 3 2.1.3 图像处 理 ................................................................................. 3 2.2 控制方案设计 ................................................................................ 3 2.2.1 处理器的选型 .......................................................................... 3 2.2.2 图像处理解决方案 ................................................................... 3 2.2.3 系统可行性分 析....................................................................... 3 2.3 系统方案设 计 ................................................................................ 3 2.3.1 装置的组成及工作原理 ............................................................ 3 2.3.2 系统的设计要 点....................................................................... 3第 3 章 系统硬件设 计 ............................................................................ 3 3.1 系统元件选 型 ................................................................................ 3 3.1.1 处理 器..................................................................................... 3 3.1.2 图像传感器模块....................................................................... 3 3.1.3 显示单元 LCD1602 ................................................................. 3 3.2 硬件电路设 计 ................................................................................ 3 3.2.1 单片机开发板外围电路和硬件 ................................................. 3 3.2.2 图像传感器接 口....................................................................... 3 3.2.3 LCD 显示接 口 .......................................................................... 3 3.3 硬件结构设计总图 ......................................................................... 3 . III .东南大学毕业设计(论文)报告 目录 3.4 本章小结 ....................................................................................... 3第 4 章 系统软件实现 ............................................................................ 3 4.1 软件开发环境介绍 ......................................................................... 3 4.1.1 IAR .......................................................................................... 3 4.1.2 KEIL ........................................................................................ 3 4.2 图像采集与存储............................................................................. 3 4.2.1 初始化时钟与 OV7670 ............................................................ 3 4.2.2 图像采集存储与串口发送 ........................................................ 3 4.3 上位机图像显示软 件...................................................................... 3 4.3.1 串口通 信 ................................................................................. 3 4.3.2 绘 图 ........................................................................................ 3 4.3.3 主要程序架构 .......................................................................... 3 4.4 单片机图像处理与显示 .................................................................. 3 4.4.1 单片机图像处 理....................................................................... 3 4.4.2 图像处理结果显示 ................................................................... 3 4.5 软件系统总流 程............................................................................. 3 4.6 本章小 结 ....................................................................................... 3第 5 章 总结与展望 ................................................................................ 3 5.1 总 结 .............................................................................................. 3 5.2 展 望 .............................................................................................. 3参考文 献 ................................................................................................ 3致 谢 ....................................................................................................... 3 . IV .东南大学毕业设计(论文)报告 第 1 章 绪论 第1章 绪论1.1 项目背景、研究现状与研究意义1.1.1 项目背景 随着计算机、多媒体和数据通信技术的高速发展，数字图像处理近年来得到了极大的重视和长足的发展，并在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信方面取得了广泛的应用。同时，人们对计算机视频应用的要求也越来越高，从而使得高速、便捷、智能化的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向，图像处理技术在目标跟踪、机器人导航、辅助驾驶中都得到越来越多的应用。由于图像处理的数据量大，数据处理相关性高，因此图像处理系统必须具有强大的运算能力。 从图像处理技术的发展来看，实时性在实际中有着广泛的应用。实时图像处理系统设计的难点是如何在有限的时间内完成大量图像数据的处理。因为要对图像进行实时处理，所以为了实现实时和快速，高效的处理，在这个系统中要求我们的图像处理速度要达到一定的速度 。为了快速的处理大数据量的多媒体信息，特别是活动图像信息，同时又能灵活的支持多种不同的应用，单片机的应用势在必行。 各种高性能单片机 1不仅可以满足在运算性能和实时性能方面的需要，而且由于单片机的可编程性，还可以在硬件获得系统设计的极大灵活性。近年来，单片机技术的发展不断将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展，对图像处理等领域的技术发展也起到了十分重要的推动作用。基于单片机2的图像处理系统也被广泛的应用于各种领域。1.1.2 研究现状 基于单片机的图像处理系统越来越受到人们的青睐。随着微型计算机的发展和普及，现代图像处理方式越来越向高速、小型、简洁的方向发展，图像处理逐渐由专用、笨重的图像处理机过渡到通用、小型方式，但是由于图像数据量大，算法复杂，使用软件来处理时，软件往往局限于计算机的配置，使得图像处理速度比较慢、实时性差、价格高，不能适应恶劣工作环境。以单片机为核心的硬件系统同样可以用来进行图像处理，为这个问题的解决带来了新的途径。 单片机的运算速度和运算精度不断地提高，片内的存储容量不断地加大，系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功能不断地增强，完全可以脱离 PC 机开发出基于单片机的图像系统。这种设计方案的优点是设计简单、灵活，成本比较低，便于实际中使用。 .1.东南大学毕业设计(论文)报告 第 1 章 绪论1.1.3 研究意义 在数字图像处理技术中，图像测量 3是一种非接触式的检测方法，可应用于工业、民用 等许多领域。随着计算机的发展，随着图像采集处理技术的进步和社会的发展，图像测量被广泛的运用于社会社交，远程医疗及实时监控等各个方面。 基于单片机摄像头数据采集与处理 4的实时读表技术就是图像测量的一个重要的应用。随着科技的发展和人们生活水平的提高，许多现有的电表已经不能满足人们的需求，比如数据的实时存储等功能的欠缺，使得人们需要对现有电表终端进行改造。通常，对现有电表终端的改造都是用新型智能电表替换原有常规电表，这不仅造成了资源的浪费，也增加了建设成本。本文中基于低功耗单片机的摄像式实时读表器，可直接安装在常规电表上，采用摄像技术和图像识别技术实现数据采集，将读表数据直接存储于单片机中，并采用串口传输技术将数据存储于上位机上，无需人工干预，具有成本低、安装简单、智能化程度高的特点。1.2 本论文所做的主要工作与所要达到的目标 根据单片机摄像头数据采集与处理的研究现状和实际应用的要求，设计了一种基于单片机的实时读表装置。采用图像的方法对电表的数码管进行检测并且将结果输出 5，并在此基础上设计相应的软硬件。 本课题要达到如下目标: (1)通过软件编程设置 OV7670 摄像头内部参数实现图像的采集 6。 (2)将采集到的图像转换为数字信号存储在 AL422 里。 (3)用 MSP430 单片机将存储在 AL422 内部的数字代码提取出来，通过串口通讯和上位机应用程序将图像数据显示在 PC 上。 (4)在 MSP430 单片机中通过相关图像算法得出所采集数码管图像的数据，从而将结果显示在 LCD1602 上。 (5)使用 C51 单片机再次实现(1)到(3)的功能。 .2.东南大学毕业设计(论文)报告 第 2 章 总体设计 第2章 总体设计 本文将对数码管图像的测量作为研究对象，致力于涉及一种快捷方便、成本低、精度高的图像测量系统。本章结合了图像处理的相关理论，分析了基于图像处理技术的数码管图像测量系统的可行性，根据系统需求确定控制方案和基本功能模块，完成系统的整体方案设计。2.1 基于图像处理的相关方案2.1.1 图像处理相关理论 自然界一般的图像都是模拟图像，处理器不能直接处理模拟信号，图像采集是处理器借助各种图像传感器获取数字的场景图像的过程，因此需要图像传感器将模拟图像通过采样和量化的过程数字化。 1彩色模型。 常见的面向硬件设备的彩色模型有 RGB 模型、YUV 模型;根据三基色理论，任何颜色都可以用三基色即红R、绿G、蓝B按照不同的强度匹配。常见的 RGB 格式有 RGB888、RGB555、RGB565。YUV 色彩模型来源于 RGB 模型，其特点是将亮度与色度分开，便于应用到图像处理中6。RGB 与 YUV 相互转化的公式如下: 图 2-1 RGB 与 YUV 格式的相互转化公式 本系统首先采用 RGB565 格式通过摄像头来采集数据，即用 5 位表示红色、6 位表示绿色、5 位表示蓝色，共 16 位，占 2 个字节或 32 位系统中的半字。随后通过 RGB 与 YUV 相互转化的公式将其转化为 YUV422 的格式，共 8 位，占 1 个字节，这样既有利于通过串口传输到上位机，也有利于在单片机中对图像进行检测，使得整个过程快捷方便，精度高。 2像素。 模拟的图像经过数字图像传感器采样后，把空间上连续的图像转化为离散的采样点，即像素。若干个像素按照逐行逐列的排列，来表示该位置画面的色彩及亮度情况。若采样结果每行像素为 M个，每列像素为 N 个，则组成了一个像素的阵列，整幅图像的大小为 MN 个像素。如本系统中使 .3.东南大学毕业设计(论文)报告 第 2 章 总体设计用的图像传感器采集的图像大小为 3202407。2.1.2 图像采集 图像输入设备主要包括镜头、传感器、A/D 转换器、处理器等 4 个部分。数字图像传感器分为两种，一种是电荷耦合器 件(CCD)作为光电转换器，另一种是互补型金属氧化物半导体(CMOS)作为光电转换器。CMOS 技术早期常用于数据存储技术，其制造成本和功耗都低于 CCD。随着半导体技术的发展，CMOS 技术逐渐应用于视频产品中，并且成像通透性、色彩还原性也逐渐媲美CCD 传感器。对比两种图像传感器，本系统选择性价比较高的 CMOS 图像传感器，节省了资源与图像预处理的复杂性，模块配有可调焦镜头以满足数码管图像检测的要求。2.1.3 图像处理 图像经过采样和量化后，一幅图像可以用数字化表达，通过处理器对数字信号的进一步处理，提取出所需要的信息。在本系统中，图像处理主要包括平滑滤波，阈值分割，局部提取等。2.2 控制方案设计 在控制方案设计中，处理器的选择和图像处理解决方案的确定是工作重点，正确的配置核心处理器和控制方案对图像采集、图像处理的性能起着重要作用。2.2.1 处理器的选型 各种处理器在计算机技术的基础上有着自身的优势，其软件硬件便于剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等参数有严格要求的系统。比如以 X86 为代表的嵌入式处理器，以 51 系 以列单片机为代表的微控制器， Texas Instrument 公司的 TMS320 为代表的 DSP 处.