基于USB的静态图像传输与控制系统

论文摘要

本文所设计的模块是基于AT91SAM9263硬件平台,要求在1秒时间内实现图像采集并将图像数据进行JPEG编码压缩后经USB接口传递给主机。在实际设计中,由于AT91SAM9263本身拥有图像传感器接口(ISI)可以和各种CMOS图像感应器连接。在本文中所采用的OV9650图像感应器需要专有的SCCB总线进行控制,所以必须有AT91SAM9263使用通用IO口软件模拟出该总线协议来配置OV9650。通过OV9650采集到的RGB565格式的图像数据的数据量偏大,需要采用合适的JPEG编码进行压缩处理。在本系统中对JPEG标准库的进行了移植,并且针对JPEG编码中采用的离散余弦变化(DCT)大量采用浮点计算,而AT91SAM9263没有用于浮点计算的协处理器,直接采用编译器的浮点库效率效率不高的情况,采用浮点数据定点化、移位—加减替换乘法以及其它充分利用ARM内核32位整型数据处理能力的优化方法提高程序的执行速度。在USB固件设计过程中,充分利用ATMEL提供的协议库实现了通信和控制过程。通过上述的各种优化手段,对于最耗费系统资源的JPEG编码模块的执行效率提高了近90%,使整个系统采集图像的时间达到设计文档中要求的规定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概况
• 1.2 系统技术要点
• 1.3 模块化的设计
• 2 图象采集模块
• 2.1 概述
• 2.2 硬件设计
• 2.3 图像采集模块的软件设计
• 2.3.1 实现SCCB 总线的软件模块设计
• 2.3.2 图像采集模块的软件设计
• 3 图像处理的软件模块设计
• 3.1 JPEG 图像压缩技术基础研究
• 3.1.1 JPEG 图像压缩简介
• 3.1.2 JPEG 图像压缩技术
• 3.2 JPEG 图像压缩相关算法
• 3.2.1 图像压缩编码方法
• 3.2.2 JPEG 图像压缩概况
• 3.2.2.1 去除视觉上的多余信息
• 3.2.2.2 去除数据本身的多余信息——Huffman 编码的原理
• 3.3 JPEG 图像压缩原理分析
• 3.3.1 色彩空间color space
• 3.3.2 色彩深度color depth
• 3.3.3 离散余弦变换 DCT
• 3.3.4 量化
• 3.3.5 “Z”字形编排
• 3.3.6 行程编码
• 3.3.7 范式 Huffman 编码
• 3.4 JPEG 文件的存储格式
• 3.4.1 图片的识别信息
• 3.4.2 量化表的实例
• 3.4.3 图像信息段
• 3.4.4 Huffman 表的实例
• 3.4.5 图像数据段实例分析
• 3.5 AT91SAM9263 平台上JPEG 编码的优化途径
• 3.5.1 针对ARM 平台的一般优化方法
• 3.5.1.1 通用方法
• 3.5.1.2 处理器相关的优化方法
• 3.5.1.3 指令集相关的优化方法
• 3.5.1.4 存储器相关的优化方法
• 3.5.1.5 编译器相关的优化方法
• 3.5.2 AT91SAM9263 平台针对JPEG 编码的优化
• 3.5.2.1 离散余弦变换的优化
• 3.5.2.2 浮点计算的优化
• 3.5.3 AT91SAM9263 平台优化总结
• 4 USB 传输和控制模块
• 4.1 USB 模块概述
• 4.2 AT91SAM9263 USB 模块硬件结构分析
• 4.3 USB 的固件设计与实现
• 4.3.1 初始化配置
• 4.3.2 传输方式的实现
• 4.3.3 设备固件协议栈
• 5 测试和实验结果
• 5.1 代码测试环境
• 5.2 变量类型优化测试
• 5.3 浮点数据定点化后的计算速度提升
• 5.4 采用“移位—加减”指令替换乘法指令后的优化
• 5.5 JPEG 模块整体优化后的运行时间测试
• 5.6 结论
• 6 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文