嵌入式图像处理系统的软件设计论文[5篇范例]

第一篇：嵌入式图像处理系统的软件设计论文

摘要：随着我国智能化、信息化的不断发展，嵌入式系统在多媒体通信、交通控制以及个人数据处理中得到了广泛的应用，计算机视觉技术的应用范围也逐渐增强。嵌入式图像处理系统嵌入式系统和计算机视觉技术的有效融合，可用于网络摄像机、视频监控等领域，采用的是网络化嵌入式硬件系统对图像进行处理，具有重大的运用价值。

关键词：嵌入式；图像处理系统；软件设计

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1674-6708（2016）156-0080-02

DOI:10.16607/j.cnki.1674-6708.2016.03.049

在很多领域中，由于科学技术的不断发展，不可避免的需要使用大量的数据，面对这些算法复杂的数据，传统的图像处理系统已经不能满足要求。嵌入式图像处理系统在通讯、医药等方面都发挥着非常重要的作用，正是因为各个领域获得的图像数据越来越多，如何对图像数据快速准确的进行处理显得格外重要。所以需要设计出更优化的图像处理。

1嵌入式系统概述

1.1嵌入式系统的概念

嵌入式系统是建立在计算机技术基础上的应用型专用计算机系统，其软件和硬件都可以剪裁，系统对成本、功耗、功能都提出了更高的要求，具有可靠性强、体积小等优点，可以实现对其他设备的监视、控制和管理。随着嵌入式系统的不断发展，嵌入式系统已经渗透到人们的生活中，无论是在工业、服务业还是消费电子等领域都得到了广泛的应用。

1.2嵌入式系统的特点

与普通的计算机系统相比，嵌入式系统的专用性更强，一般是面向特定运用的，嵌入式处理器一般应用在用户设计的特定系统中，集成性高、体积小、功耗低，不仅具有方便携带的优点，操作系统更是实时操作的，可以满足实时性较强的场合要求。将嵌入式系统运用到应用程序中，在芯片上直接运行而不需要操作系统，未来可以充分利用更多的系统资源，用户需要选择RTOS开发平台，保障软件的质量。嵌入式系统主要包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统是基础，软件系统是灵魂，复杂程度非常高。

2系统软件设计

基于RF5软件系统总体设计：嵌入式图像处理系统和传统处理系统一样，主要包括硬件和软件两个方面，硬件包括系统的硬件平台，软件包括嵌入式操作系统和图像处理算法两个方面。其中硬件平台又包括图像储存模块、通信模块和显示模块等，主要是为系统的软件系统提供支持。在图像处理过程中，硬件系统可以为其提供计算、显示、存储等条件[1]。RF5是以DSP和XDAIS为基础的代码参考框架，在DSP软件的设计和开发中具有重要的作用，参考框架在整个程序中具有非常重要的作用，是整个运用应用程序的蓝本。RF5的数据处理元素包括通道、单元、任务和XDAIS算法，这4个元素之间具有紧密的联系，独立又联系。嵌入式操作系统是整个系统的核心系统，提供了包括图形处理任务管理在内的各项管理，经过硬件的初始化、图像信息存储、图像信息显示等过程实现图像处理和存储。

3软件模块化程序实现

3.1初始化模块

软件系统的初始化模块主要包括处理器、RF5模块化初始化、图像处理算法、视频捕获、视频显示通道等。处理器和系统板初始化是指设备重启之后，通过软件配置的方式对外围设备进行配置和选择。系统在进行工作的时候，初始化模块是其执行的第一个任务，执行完初始化模块之后，程序的控制权将会转变到调度程序中，由调度程序来调度接下来的任务。

3.2视频捕获和显示模块

3.2.1视频捕获的实现

视频捕获主要负责将外部的视频解码器解码生成的数字视频信号采集收集起来，并且这个采集的过程非常方便，可以实现实时采集，最终形成的图形处理也是可以实时处理的，可以随时随地对大数据的图像进行处理，这也是其最大的优点和特点。采集到的数字视频信号进入到系统外扩的存储器中，从而实现视频的捕获。视频采集可以自动采集，当单元进入自动采集状态，完成了图像的采集之后，视频端口都会向系统自动发出中断请求，中断服务程序便开始发挥自身的功能，对图像的存储区进行连续更新，图像存储区一旦更新之后，图像采集系统就会采集下一个图像数据，最终进入一个循环。当视频端口的FIFO装满了采集的数据之后，会发生中断信息，进入EDMAISR中断服务程序将视频数据送入到SDRAM中[2]。

3.2.2视频显示的实现

视频显示的实现是通过视频图像显示模块来实现的，视频图像处理模块处理后的图像经过显示模块处理，处理之后将图像编码成数字视频流，标准数字视频流经过系统编码转化为虚拟视频信号，经过解码器之后视频流就变成了标准的模拟视频信号，分别经过EDMA控制器和EDMAISR之后最终进入到视频端口的缓冲区中，经过缓冲器之后，信号会使EDMA中断，送入新的图像信号，并在显示器上显示出来，视频显示的流程。输出作用在外部编辑器中。

3.3图像处理模块

图像处理模块比较灵活，是指在嵌入式的环境下实现对图像的处理。在图像处理系统中，又包括系统功能模块和图像增强模块。系统功能中包含图像增强功能，除了图像功能之外，还包括图像的几何变换、形态运输和图像分析。在图像增强模块中又包括图像的预处理和边缘检测、直方图修正、中值滤波、灰度变换调整，而图像预处理又包括图像平滑和图像锐化。图像平滑就是消除噪声对图像造成的影响，图像平滑的处理是通过高斯低通滤波法来实现，这样做虽然可以消除图像受到噪声的影响，但同时也存在着一定的弊端，图像经过处理之后会变得模糊。图像锐化的目的就是让模糊的图像重新变得清晰。图像模糊是由于图像受到平均或积分运算而造成的，图像锐化就是对其进行逆运算，重新使图像变得清晰[3]。

4结论

嵌入式图像处理系统的软件系统主要包括初始化模块、视频捕获模块、视频显示模块和图像处理模块，在确定了整个软件系统的程序流程之后，就可以分别设计纷纷模块的程序，最终完成整个软件系统的设计。

参考文献

[1]吴锡强.探析嵌入式图像处理系统的设计与实现[J].计算机光盘与软件，2015，12（3）：307-309.[2]蒋立丰.嵌入式图像处理系统的设计与研究[D].东华大学，2013，22（21）：11-13.[3]宋琦，牟晓光.嵌入式图像处理系统设计[J].信息技术与信息化，2015，22（31)：116-117

第二篇：嵌入式主控软件设计心得

嵌入式主控软件设计模式初探

1.软件框架简述

根据本人近三年的嵌入式主控软件经验，基于VxWorks的嵌入式的主控软件大概有以下几个模块

图2 大功率通信控制器主控软件架构

各模块简述如下：

1)初始化模块

用于系统必备资源的初始化工作，设备通信前需要将各通信接口如CAN控制器、RS-232、RS-485控制器初始化至适当的状态，申请发送/接收数据缓冲区；显示程序图形库一般采用VxWorks自带的windML实现，因此需要初始化windML相关参数以便能在屏幕上正确显示。如果采用其他图形库，则需要考虑其它图形库的初始化工作。上述相关参数初始化完毕后系统进入按键检测、按键处理、控制处理模块。

2)按键检测和按键响应模块

对于用户的按键输入为什么需要设置两个模块来完成呢？只使用一个按键模块实现能否可行呢？实践表明，采用一个按键模块有一定的风险。假设用户在某时刻按键，系统立即对该按键进行处理(可能该处理需要较长时间)，在按键处理进行的过程中用户又按下一个键。由于系统正在进行按键处理工作，无法对再一次按键进行响应，该按键响应会被忽略，无法完成用户的预期任务。因此，把按键处理划分为按键检测模块和按键响应模块的好处在于检测模块将按键检测值缓存，等按键响应模块完成响应后再从该缓存中读取下一个键值，保证用户的每一次按键都能被正确记录。

—1—

研发中心设计案例集2007年9月

3)控制模块

控制模块和各应用层相关，无法一概而论，只能视情况而定。

5)显示模块

显示同控制分离是主控软件设计的主要特点之一。显示模块作为系统软件中的一个任务来实现，与按键响应模块、业务模块、控制模块采用自定义协议通信，根据这些模块发送的遥控协议进行界面显示。将显示单独作为一个模块有以下两点原因：

1)一旦用户似于遥控盒的设备需求，该设备能实现对控制器的遥控显示功能，在遥

控盒软件设计时显示模块就可以直接移植到遥控盒的主控软件设计中，减少工作量。

2)显示模块涉及到屏幕刷新操作时会占用一定的时间，显示模块如果直接在相关控

制模块中实现则会影响到控制模块的实时性能。

3.优先级上的考虑

主控软件设计中需要考虑多个任务之间的优先级问题，从目前的设计经验上来看业务单元、信道机调度需要最高优先级，因为中长波、短波通信系统过程中业务单元对信道机的实时性要求最高，按键检测和按键响应优先级次之，显示模块优先级最低。显示任务放在系统比较空闲的时候显示不至于影响到整个系统的实时性能。对于同等优先级的任务最好加上taskDelay(0)语句，因为同等优先级的任务采用分时隙调度的方式，taskDelay(0)能该任务在运行时隙结束时被其它同等优先级的任务抢占到CPU资源。

除端口查询外，采用while(1)或者FOREVER类似结构的无限循环的任务必须拥有信号量、消息等挂起本身的能力。否则，系统运行时从windView中观察：该任务即使优先级最低为255时，也会无休止的占用大量的系统资源，影响系统实时性。

4.总结

本文试图根据经历的几个嵌入式主控软件项目中提取一些设计经验和心得体会，有些经验只是在项目实际开展过程中的观察总结，抛砖引玉，希望对各位有所帮助。

第三篇：嵌入式论文

信息工程学院

课程设计报告书

专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 0312412 学 号： 031241217 学生姓名： 肖文洲 指导教师： 刘三军

计算机专业嵌入式系统课程的研究与实践

【摘 要】随着电子技术的发展，嵌入式技术成为当今信息技术发展的主流技术。嵌入式技术作为高校计算机专业的一个新方向已被许多学校采用。本文通过对嵌入式技术的分析，提出了嵌入式系统课程体系建设的基本方法，包括专业培养计划、嵌入式系统教学实践平台建设以及嵌入式系统教学模式与教学方法创新等。【关键词】嵌入式技术；研究与实践；计算机专业

随着电子技术和信息技术的快速发展及嵌入式硬件技术与软件技术的不断成熟，嵌入式系统的应用越来越广泛，如智能家电、手机、汽车电子、网络通信及电子娱乐产品等，随之而来的是社会对嵌入式产品开发人才的需求也越来越多。因此，许多高校都开设了嵌入式系统开发方面的系列课程。由于嵌入式系统课程涉及的知识面宽、实践性强，对实验教学的要求较高，包括实验教师、硬件配置、实验项目的设置等。因此，作为对新技术研究和探索最活跃的群体，高等院校如何接受嵌入式技术带来的挑战，尽快开设嵌入式系统的相关理论与实验课程，并逐渐形成较规范的教学体系已成为一个重要的研究课题。

一、嵌入式系统教学的特点

设置嵌入式系统课程的目的是让未来的软硬件开发人员了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法的概念、方法和工具。同时由于嵌入式系统对其他学科领域的渗透，其他相关专业的学生也有学习该课程的需求与必要。如其他电子、自动化专业都可开设相应的选修课程，在某种程度上可以提升毕业学生的竞争力、就业率。嵌入式系统课程的教学内容应包括嵌入式系统体系结构、硬件构架、软件编程及外围设备接口和驱动等，注重培养学生的设计能力和软件开发能力;尽量反映该领域近年来最新的理论与技术，使学生了解学科的最新发展。嵌入式系统课程的特点是涉及知识面广、综合性强、实践性强，并且学科发展快，因而学习难度大，难以形成一个简单明确的知识体系。同时该课程讲授难度很大，它要求教师不仅具备一般的计算机系统的软硬件知识，而且需要真正从事过嵌入式系统的开发实践，才能对嵌入式系统中的实时性等抽象概念和系统调试过程有感性认识。嵌入式系统教学主要有以下三个特点:(1)基础性。嵌入式系统技术涉及多个专业，如计算机工程、软件工程、工业自动控制、机电工程、精密仪器和电子工程等，嵌入式技术与各个专业相互渗透融合，将逐渐形成新的学科研究方向，因此，嵌入式系统可作为上述各专业的基础平台课，以强化专业基础知识。(2)综合性。嵌入式系统是软件和硬件设计的完美结合。它涉及电子信息、计算机、自动控制等诸多专业相关课程的内容，如语言、微机原理、单片机设计和操作系统等课程，有很强的综合性，因此，可以有效地对学生进行综合能力的培养。(3)实践性。嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程。实验是嵌入式系统课程的重要组成部分，缺乏实验的嵌入式系统课程学习是纸上谈兵，因此，学生必须通过大量的实验和实践环节，来加深对嵌入式系统理论知识的理解。

二、适合计算机专业的嵌入式系统课程体系

嵌入式系统涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，专业性强，包括了操作系统、微机原理、编程语言程序设计、计算机网络和接口设计等内容，是软件、硬件的完美结合。因此，嵌入式系统的设计原理与技术不是一门课程所能讲授的，需要建立一个课程体系。

嵌入式系统本身就是计算机系统。从广义上讲，目前计算机科学与技术专业的课程体系中所设置的许多专业基础课，比如数字逻辑、C/C++程序设计、计算机网络等，对嵌入式系统设计的学习者来说同样重要。在此，只从狭义的角度探讨嵌入式系统的课程体系设置。

由于嵌入式系统涉及的知识面广、应用层面广，所以应针对嵌入式系统设计与应用的不同层面的需求，设置不同层面的课程体系。从狭义上划分，嵌入式系统课程体系可以有以下三个不同的层面: 第一层面:针对将来只是应用嵌入式系统硬件、软件平台来进行二次开发的学生而言，应侧重培养其基于某个嵌入式系统平台上(包括硬件平台和软件平台)进行应用系统设计和开发的能力。因此，针对这一层面的学生应开设以下几门主要课程: 《嵌入式实时操作系统》：选取一个具体的操作系统比如uCLinux为例，讲授嵌入式操作系统的原理及应用，重点介绍如何进行任务划分、如何编写I/ O驱动程序等。《嵌入式系统设计》：重点介绍嵌入式系统设计步骤、方法，重点介绍嵌入式应用软件的开发技术，以及嵌入式系统的测试技术及软件优化技术。《嵌入式网络技术》：重点介绍基于嵌入式环境下的网络通信技术及应用，比如I2C总线技术、USB接口技术、嵌入式Web技术等，掌握相关的通信技术及接口编程。

第二层面:针对将来从事嵌入式系统平台设计及合作开发的学生而言，除需要学习上述三门课程外，还必须开设《嵌入式系统结构》课程。该课程重点介绍某个具有代表性的嵌入式CPU(如ARM系列)的系统结构、汇编指令系统、中断管理机制、常用外围接口，使学生掌握嵌入式平台设计的基础知识。前提是学生具备数字逻辑方面的相关基础知识。对于与第一个层面相同的课程，其授课中重点也不完全一样。比如，《嵌入式操作系统》课程可以嵌入式Linux为主，重点介绍进程调度、进程间通信、内存管理和I/O驱动机制等，使学生具备进行操作系统的裁剪、移植的基本能力。

第三层面:针对将来从事SOC(systemonChip)系统设计及开发的学生而言。主要课程有数字逻辑设计与应用、电子电路原理与PCB技术、EDA技术(FPGA设计及应用)、嵌入式系统结构、嵌入式操作系统等，偏重于底层的设计。

通过以上分析可以看出，第一层至第三层分别是嵌入式系统中由软到硬、由高层至底层的三个不同应用层次，对应不同的知识结构需求。第一层偏软，对底层的系统结构及接口等要求较低，是在当前比较容易实现的一个培养方向。在计算机本科专业中，软件方向比较适合开展第一个层面的嵌入式系统教学，应用方向比较适合开展第二个层面的嵌入式系统的教学。根据以上分析，可以提出在计算机本科专业开设嵌入式系统方向需要参照的课程体 系:(1)专业基础课:嵌入式系统概论、嵌入式系统原理与接口技术。(2)专业必修课:嵌入式操作系统、嵌入式系统应用设计。

(3)专业选修课:嵌入式网络技术、嵌入式系统测试技术、嵌入式工程应用(即行业领域，如移动通信技术与应用、数字家庭网关技术等)、分布式嵌入式系统原理与设计等。

作为课程体系的一部分，实践教学是嵌入式系统教学的关键。实践教学设置的总体指导思想是:以培养创新动手能力为核心，建立“系统的多级课程实践”的实验体系，包含课程基础实验、课程设计、综合项目设计;同时，以“项目为中心”设计多层次的集中实践题目，各层次的题目难度不等，以适合不同层次的学生[4]。

(1)每门课保证至少30%以上的上机或实验学时，完成基础实验项目。(2)至少有两门课的课程设计(约两周)，如ARM汇编程序设计、操作系统移植实验、LCD/触摸屏等接口实验等等。(3)至少完成一个综合课程设计(课余时间+综合实训时间共约40学时)，类似于一个简单的工程项目，有设计、编程调试、性能测试等完整的步骤如手机游戏、校园导航、电子词典、嵌入式WEB服务器等。

(4)校企合作，建立实习基地，联合完成项目设计。

三、嵌入式系统课程体系在计算机专业的实践

我们在分析了企业对嵌入式人才需求的基础上，提出了“在计算机本科专业培养嵌入式系统人才”的具体实施方案，并在2007级、2008级本科生中进行了实践。

该课程定位为实验研究型。目标是通过嵌入式实验平台学习构建一个嵌入式系统的一般方法，熟悉一些常用的微处理器、存储器、外设接口并学习软硬件设计方法。掌握嵌入式操作系统，定制内核，编译下载调试，编写驱动程序和应用程序等，最后要求实现或部分实现一个具体嵌入式应用的解决方案，并在硬件平台上实现出来。

课程的主要内容包括:(1)典型嵌入式系统的基本配置､硬/软件综合设计方法和流程､应用范例｡(2)硬件环境微处理器､存储器､I/O 口､外设接口和驱动､电源转换和管理､总线､硬件调试｡(3)嵌入式操作系统､操作系统内核､Linux 和uCLinux､任务和任务调度､实时 OS､ GUI､API､文件系统等｡(4)嵌入式网络通过和计算机网络结合, 开发基于网络接的应用｡(5)软件开发过程､交叉编译､链接调试､下载､板级支持包｡(6)驱动程序､设备驱动机制､按键和触摸屏驱动､网口驱动､红外､USB 驱动｡

实验是嵌入式系统教学的一个比较重要的环节，实验大纲的制定是保证课程教学大纲目标实现的一个重要环节，制定出符合学生实际的实验大纲对计算机科学与技术专业培养目标的实现至关重要。按难易程度的不同，实验内容分为两个层次：基本实验与综合应用实验。基本实验目的是让学生了解嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程，进行基本的嵌入式程序开发。综合应用实验目的是让学生综合运用前面所学到的知识，按照指定的题目，自行设计开发嵌入式应用程序。基本实验包括嵌入式软件开发基础实验、人机接口实验、通信与音频接口实验、简单驱动程序实验和嵌入式操作系统移植实验等。对于综合应用实验，给出多个题目，选择其一，学生也可以自选题目。设备选 择 了 北 京 博 创 公 司 所 开 发 的PXA270教学实验平台,由于 PXA270 性能好,实验开发板的外围设备又很丰富，使得实验选题更加灵活。

课程设计及毕业设计中对所学知识的运用与提高在理论学习结束后，学生对嵌入式系统开发的各个环节有了较深入的理解与掌握。我们的方法是在课程设计和毕业设计中深化学习。课程设计中，结合实验用开发平台，选择了如MP3模拟控制系统等在实际中真正是嵌入式大行其道的应用领域。在毕业设计中，我们布置了诸如“嵌入式智能控制器”，“嵌入式音频控制器”，“内核裁减”设计等工作，这些设计要求学生从软硬件协同设计到软硬件的测试方法等有深刻的掌握。还有组织学生参加大学生嵌入式设计竞赛等教学活动。

四、结束语

随着嵌入式应用的迅猛发展,企业对嵌入式人才需求的缺口越来越大,越来越多的高校开始加强嵌入式系统的教学和科研,培养更多的适应社会需求嵌入式系统人才。本文所设置的针对计算机本科专业的嵌入式系统课程体系,融合了企业的需求和计算机专业的特点,符合实际应用。针对两年实践中存在的问题,在以后的教学中将不断完善。

参考文献：

[1]田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[2]符意德.嵌入式系统教学及实验内容的探讨[J].军工高

[3]贾志平.嵌入式系统原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.[4]柳翔.嵌入式软件工程人才培养的探索与实践[J].计算机教育,2005,5.

第四篇：软件设计模式浅析论文

软件设计模式浅析

陈亚东

（中原工学院软件学院，河南 郑州450000）

摘要：什么是软件设计模式呢？其实广义的来讲，软件设计模式是可解决一类软件问题并且能反复使用的软件设计方案；狭义的来讲，软件设计模式是对被用来在特定场景下解决一般设计问题的类和相互通信的对象的描述。是在类和对象的层次描述的可反复使用的软件设计问题的解决方案。软件设计模式通常描述了一组相互紧密作用的类与对象。

在课堂学到的软件设计模式，我学习的并不好，对各种模式的运用和实现，感觉简单，但是要做起来还是有些难度。本文简单讲述了以面向对象技术为基础的软件设计模式的分析。

关键词：设计模式；设计方案；面向对象

中国分类号：TP311.5文献标志码：A

Software design patterns is

analysed

Chenyadong

（Zhongyuan University of TechnologySoftware college，henan zhengzhou450000）Abstract: What is a software design pattern? Actually, broadly speaking, the software design pattern is a type of the software can solve the problem and the repeated use of the software design;Narrowly speaking, the software design pattern is to be used in specific scenarios and communicate with each other to solve the problem of general design of the description of the object.Is described in the level of the classes and objects can be repeated use of the software design of the solution of the problem.Software design patterns usually describes a set of mutually close function classes and objects.Learned in the class of software design pattern, I'm not a very good learning, for the use of various patterns and implementation, feeling is simple, but want to do or some difficulty.This article simply describes the software design based on object-oriented technology pattern analysis.Key words: design patterns;Design scheme;object-oriented

对于软件设计模式，从上课到现在，我在头脑中还没有一个完整的概念，主要是因

为我的基础比较差，凭自身能力还不能写出

来一个项目。通过上网搜索，知道了什么是

软件设计模式，它是一套被反复使用，多数

人知晓的，经过分类编目的，代码设计经验的总结，使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性

[1]厂模式、单例模式、生成器模式、工厂方法模式、原型模式、适配器模式等等。

一、设计模式 模式是用来描述所交流的问题及解决方案的,一个完整的设计模式主要由模式名称、问题、解决方案、效果四个基本要素组成。设计模式体现的是程序整体的一种构思，所以有时候它也会出现在分析或者是概要设计阶段中，设计模式的核心思想是通

过增加抽象层，把变化部分从那些不变的部[2][2]。软件设计模式分为基础模式、委托模式、接口模式、代理模式、创建型模式、抽象工

分中分离出来。这就是我所了解的设计模式。设计模式有五种原则，“开-闭”原则（OCP）、单一职责原则(SRP)、里氏代换原则(LSP)、依赖倒置原则(DIP)和接口隔离原则(ISP)[3]，设计模式就是实现了上面所说的五种原则，从而达到了代码复用、增加可维护性的目的。

在设计模式经典著作《GOF95》中，设计模式从应用的角度上被分为三个大的类型，分别是创建型模式、结构型模式和行为型模式。又根据模式的范围分，模式既用于类又用于对象，类模式是处理类和子类之间的关系，这些关系通过继承建立，是静态的，在编译时刻便确定下来了；对象模式是处理对象间的关系，这些关系在运行时刻是可以变化的，更具动态性。从某种意义上来说，几乎所有模式都使用继承机制，所以“类模式”只指那些集中于处理类间关系的模式，而大部分模式都属于对象模式的范畴。

二、设计模式的分类

创建型设计模式是用来创建对象的模式，抽象了实例化过程，工厂模式、抽象工厂模式、单件模式、生成器模式、原型模式都属于创建型设计模式。简单来说一下创建型结构模式有哪几种模式吧，首先说一下工厂模式，工厂模式：客户类和工厂类分开，消费者任何时候需要某种产品，只需要向工厂请求即可，消费者无须修改就可以接纳新产品；缺点就是当产品修改时，工厂类也要做出相应的修改。比如：如何创建及如何向客户端提供。抽象工厂模式：为一个产品族提供统一的创建接口，当需要这个产品族的某一系列的时候，可以从抽象工厂中选出相应的系列创建一个具体的工厂类。单件模式：保证一个类有且仅有一个实例，提供一个全局访问点。生成器模式：将复杂对象创建与表示分离，同样的创建过程可创建不同的表示，允许用户通过指定复杂对象类型和内容来创建对象，用户不需要知道对象内部的具体构建细节。原型模式：通过“复制”一个已经存在的实例来返回新的实例（不新建实例）。被复制的实例就是“原型”，这个原型是可定制的。原型模式多用于创建复杂的或者耗时的实例，因为这种情况下，复制一个已经存在的实例使程序运行更高效；或者创建值相等，只是命名不一样的同类数据。这几种模式老师也让做过作业，做起来感觉也挺简单的。

结构型模式讨论的是类和对象的结构，它采用继承机制来组合接口或实现（类结构型模式），或者通过组合一些对象来实现新的功能（对象结构型模式）。结构型模式有这几种模式，组合模式：定义一个接口，使之用于单一对象，也可以应用于多个单一对象组成的对象组。装饰模式：给对象动态添加额外的职责，就好像给一个物体加上装饰物，完善其功能。代理模式：在软件系统中，有些对象有时候由于跨越网络或者其他障碍，而不能够或者不想直接访问另一个对象，直接访问会给系统带来不必要的复杂性，这时候可以在客户程序和目标对象之间增加一层中间层，让代理对象来代替目标对象打点一切，这就是代理模式。享元模式：Flyweight是一个共享对象，它可以同时在不同上下文（Context）使用。外观模式：外观模式为子系统提供了一个更高层次、更简单的接口，从而降低了子系统的复杂度，使子系统更易于使用和管理。外观承担了子系统中类交互的责任。桥梁模式：桥梁模式的用意是将问题的抽象和实现分离开来实现，通过用聚合代替继承来解决子类爆炸性增长的问题。适配器模式：将一个类的接口适配成用户所期待的接口。一个适配器允许因为接口不兼容而不能在一起工作的类工作在一起，做法是将类自己的接口包装在一个已存在的类中。对于这几种模式，我理解的太笼统，也不太明白，只是根据这些定义来用心理解来消化。

行为型设计模式着力解决的是类实体之间的通讯关系，希望以面向对象的方式描述一个控制流程。行为型设计模式种类比较多，其中观察者模式和访问者模式运用的比较多。模版模式：定义了一个算法步骤，并允许子类为一个或多个步骤提供实现。子类在不改变算法架构的情况下，可重新定义算法中某些步骤。观察者模式：定义了对象之

间一对多的依赖，当这个对象的状态发生改变的时候，多个对象会接受到通知，有机会做出反馈。迭代子模式：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。责任链模式：很多对象由每一个对象对其下一个对象的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递，直到链上的某一个对象决定处理此请求。发出这个请求的客户端并不知道链上的哪一个对象最终处理这个请求，这使系统可以在不影响客户端的情况下动态的重新组织链和分配责任。备忘录模式：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。命令模式：将请求及其参数封装成一个对象，作为命令发起者和接收者的中介，可以对这些请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销操作。状态模式：允许一个“对象”在其内部状态改变的时候改变其行为，即不同的状态，不同的行为。访问者模式：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。解释器模式：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。中介者模式：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。策略模式：定义一组算法，将每个算法都封装起来，并且使它们之间可以互换。策略模式使这些算法在客户端调用它们的时候能够互不影响地变化。因为是学时太少的原因，老师讲的模式并不多，这几个模式好多都没有讲，我们只能根据一些书籍和资料来学习。

三、模式分析

对于工厂模式，是最常见的一种模式之一。在面向对象编程中, 常用的方法是用new操作符构造对象实例，但在有些情况下，new操作符直接生成对象会带来一些问题。创建对象之前必须清楚所要创建对象的类信息，但个别情况下无法达到此要求，譬如打开一个视频文件需要一个播放器对象，但是用户可能不知道具体播放器叫什么名字，需要系统分派给这个视频文件一个合适的播放器，这种情况下用new运算符并不合适。许多类型对象的创造需要一系列步骤，比如需要计算或取得对象的初始设置，需要选择生成哪个子对象实例，在生成需要对象之前必须先生成一些辅助功能对象。在这些情况, 新对象的建立就是一个 “过程”，而不仅仅是一个操作。为了能方便地完成这些复杂的对象创建工作，可引入工厂模式。工厂模式的实例分析： // EventFactory类

public class EventFactory:LogFactory{

public override EventLog Create(){

return new EventLog();} }

// FileFactory类

public class FileFactory:LogFactory{

public override FileLog Create(){

return new FileLog();} }

客户程序有效避免了具体产品对象和应用程序之间的耦合，增加了具体工厂对象和应用程序之间的耦合，在类内部创建对象通常比直接创建对象更灵活，通过面向对象的手法，将具体对象的创建工作延迟到子类，提供了一种扩展策略，较好的解决了紧耦合问题。

工厂模式客户端程序： public class App {

public static void Main(string[] args){

LogFactory factory = new EventFactory();

//FileFactory factory = new FileFactory();

Log log = factory.Create();

log.Write();} }

对于抽象工厂模式，在软件系统中，经常面临“一系列相互依赖对象”的创建工作，由于需求变化，这“一系列相互依赖的对象”也要改变，如何应对这种变化呢？如何像工厂模式一样绕过常规的”new”，提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“多系列具体对象创建工作”的紧耦合呢？其中有一种说法就是可以将这些对象一个个通过工厂模式来创建。但是，既然是一系列相互依赖的对象，它们是有联系的，每个对象都这样解决，如何保证他们的联系呢？所以运用抽象工厂模式，是一种有效的解决途径。抽象工厂模式提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定他们具体的类。适用于一个系统独立于其产品创建、组合和表示时，一个系统由多个产品系列中的一个来配置时，强调一系列相关产品对象的设计以便进行联合时，提供一个产品类库，只想显示其接口而非实现时。抽象工厂模式的结构，如下图：

图1抽象工厂模式的结构

抽象工厂模式与工厂模式的区别就在于工厂模式提供一个接口，用于创建相关和依赖对象的家族，而不需要明确指定具体类。抽象工厂模式允许客户使用抽象接口来创建一组相关产品，而不需要关心具体实际产出的产品是什么。

对于适配器模式，是将一个类的接口，转换成客户期望的另一个接口，适配器让原本接口不兼容的类可以一起工作。打个比方

说，一个team要为外界提供S类服务，但team里面没有能够完成此项任务的member，只有team外的A可以完成这项服务。为保证对外服务类别的一致性（提供S服务），一是将A招安到team内，负责提供S类服务，二是A不准备接受招安，可安排B去完成这项任务，并让B做好A的工作，让B工作的时候向A请教，此时，B是一个复合体（提供S服务，是A的继承弟子）。这种模式的使用过程是客户通过目标接口调用适配器的方法对适配器发出请求，适配器使用被适配者接口把请求转换成被适配者的一个或者多个调用接口，客户接收到调用的结果，但并未察觉这一切是适配器在起转换作用。就是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。适配器模式有三种适用场合，一是使用一个已经存在的类，而它的接口不符合要求，二是创建一个可以复用的类，该类可以与其他不相关的类或不可预见的类（即那些接口可能不一定兼容的类）协同工作，三是使用一些已经存在的子类，但不可能通过子类化以匹配各自接口。对象适配器可以适配它的父类接口。适配器模式还分为了累适配器和对象适配器两种，这里就不再具体介绍了。适配器模式的优点就是方便设计者自由定义接口，不用担心匹配问题，而它的缺点是这个模式属于静态结构，由于只能单继承，所以不适用于多种不同的源适配到同一个目标。

对于命令模式，将一个请求封装为一个对象，可用不同请求对客户进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤消的操作。这种模式的适用性是抽象出待执行的动作以参数化某对象，在不同时刻指定、排列和执行请求，支持取消操作，支持修改日志，用构建在原语操作上的高层操作构造一个系统。命令模式的实现：

public class Receiver{//接收者public void action(){

System.out.println(“我在行动

");} }

public interface Command {//抽象命令

public abstract void execute();} public

class

ConcreteCommand

implements Command{//具体命令Receiver rcv;//含有接收者的引用

ConcreteCommand(Receiverrcv){this.rcv=rcv;}publicvoid execute(){rcv.action();}//执行命令}

public class Invoker{//请求者Command command;public command){

this.command=command;}

public void startExecuteCommand(){command.execute();} }

public class Application{//客户程序public static void main(String args[]){Command ConcreteCommand(r);

Invoker i=new Invoker();i.startExecuteCommand();} }

命令模式的结构：

command=new

void

setCommand(Command

图2命令模式的结构

命令模式中请求者不直接与接收者交互，即请求者不包接收者的引用，彻底消除了彼此之间的耦合。满足“开-闭原则”。如果增加新的具体命令和该命令的接受者，不必修改调用者的代码，调用者就可以使用新的命令对象；反之，如果增加新的调用者，不必修改现有的具体命令和接受者，新增加的调用者就可以使用已有的具体命令。由于请求者的请求被封装到了具体命令中，就可以将具体命令保存到持久化的媒介中，在需要的时候，重新执行这个具体命令。因此，使用命令模式可以记录日志。使用命令模式可以对“请求”进行排队。每个请求都各自对应一个具体命令，因此可以按一定顺序执行这些具体命令。

四、总结

在现代软件开发当中，软件设计模式起

到至关重要的作用。尤其是自从面向对象的语言普遍使用以后，促成了团队合作设计的软件设计几乎成了不可能完成的任务。软件设计模式在程序中的运用是非常广的，在程序设计的过程中，是对反复出现的问题的很用设计模式可确保更快的开发正确的代码，并且降低在设计或者视线中出现的错误的可能性。通过学习软件设计模式这门课程，了解到这么多种模式，虽然还不能熟练运用和操作，但是我会在以后的工作和实践中去多加锻炼。

Receiverr=new Receiver();热潮，而在此时，没有一个好的设计模式，i.setCommand(command);好的解决办法，是良好思路的经验集成。使

参考文献：

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[3]廖志刚，李增智。设计模式在系统中的应用[J]。计算机工程与应用，2002,(12):7-10

第五篇：基于FPGA SoPC的视频图像处理系统设计

基于FPGA+SoPC的视频图像处理系统设计

摘 要： 随着信息科技技术的深入研究与应用，在很多行业领域都应用到视频图像。该文对视频图像处理系统设计分析与研究关键通过SoPC及FPGA两大处理技术。系统采用视频转换芯片SAA7113完成视频图像采集模块的设计，采用CY7C1049 SRAM完成图像数据的存储，设计VGA显示输出控制关联模块，同时重新修改了显示芯片具体运作形式的配置信息，相结合产生VGA具有控制能力的信号；参考VGA显示器的运行原则，实现了VGA帧一致性信号与接口水平的提升。

关键词： 视频图像； 图像处理； FPGA； SoPC

中图分类号： TN919?34； TP271 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0059?05

Abstract： With the further research and application of information technology，video images are applied in many fields.The video image processing system based on two processing technologies of SoPC and FPGA was designed and analyzed.The video conversion chip SAA7113 was adopted in the design of video image acquisition module.CY7C1049 SRAM was used to complete image data storage.VGA display and output control module was designed.The configuration information of the operation mode of the display chip was modified，with which VGA work control signal was generated.According to the industrial standard of VGA display，the improvement of the VGA interface level and frame synchronization signal was realized.Keywords： video image； image processing； FPGA； SoPC

0 引 言

对视频图像进行处理的过程中，通常图像数据信息具有庞大的运算量与吞吐量，因此需要功能强大的视频图像处理系统。用个人计算机对图像进行处理，并行数据处理不能正常运行，所以不能达到实时性需求；选择DSP芯片对图像信息进行处理，因为处理器在运行时是按照指令顺序执行的，且数据位宽也是固定的，因而资源的利用率不高，限制了处理器的数据吞吐量，还要庞大的数据存储空间[1]。在信息技术不断发展与更新的时代，半导体技术也有了突飞猛进的发展，FPGA不仅拥有强大的功能特性，价格还很合理，并且还在及时的创新与研究，打造成为功能强大的硬件部件，选择FPGA对图像进行处理时，因为可编程逻辑超强的灵活性与庞大的存储空间，适用于图像的并行处理，处理速度很快，实现SoPC运行的目的，不断为用户系统提供便利，提升产品更新的速度，旨在研发具有特性的产品[2]。采用SoPC与FPGA技术对视频图像进行处理，不仅是未来图像处理技术发展的方向，也促进了嵌入型系统推广与应用[3]。因此，本文将会对图像处理技术SoPC与FPGA进行深入的分析与研究。系统总体设计方案

视频采集采用PHILPS公司的SAA7113来实现，通过I2C总线完成了对视频采集卡芯片SAA7113的初始化工作。VGA即输出模块。该输出卡选择使用的是TI企业编号为THS8134的芯片，这个芯片适用于图像处理的D/A器件。实现视频图像的采集，处理，存储和显示等功能。本文所研究的FPGA视频图像处理技术系统模型见图1。其中CCD摄像头主要功能就是搜取图像信息，通过采集卡A/D进行转换，生成格式为720 Pixels YUV4∶2∶2数字化特性的图像信息；基于FPGA图像处理系统采集的模块，就会自动将规格为720×576的全部图像信息存放在SRAM芯片内，图像模块就会实现对图像的处理，VGA显示模块的功能就是将更新同步的控制信号按照顺序进行显示，同时将处理过的图像信息在规定时间实现发送，最终VGA正常显示。

研究FPGA视频图像处理技术系统硬件运行方案见图2。系统划分为两大部分，包含可编程逻辑与图像信息采集以及VGA显示输出部分。其中采集模块的主要功能就是对CCD摄像头产生的电视信号进行接收，然后通过编号为SAA7113的处理芯片生成类型为ITU?656 4∶2∶2的数字化性图像。ITU?656具体定义是电信联盟指定的视频图像处理格式[4]。主要是实现信号转换、信号间的分离以及视频信号格式的转换等，最后将需要进行处理的视频数据信息，保存到芯片SRAM内。VGA显示输出就是对数字化图像信息实现D/A转换，最后通过显示器实现正常显示。可编程逻辑不仅可以实现对不同部分的逻辑控制，还能任意定制用户命令，目的是加快处理速度。总体来讲，可编程逻辑功能就是对采集模块与VGA显示输出实现管理与控制。FPGA采集数据控制原理

CCD的模拟信号根据SAA7111A存有的模拟端口AI11，AI12，AI21，AI22实现信号输入，在实现模拟处理之后，直接通过A/D转换器实现数字化亮度信号与色度信号的生成，然后对两种数字化信号进行处理。对亮度信号进行处理获取到的信息就会自动转送到色度信号处理器中，实现整体处理，生成UV与Y信号，信号经过格式化处理会通过VPO实现输出；剩下的就会直接转送到同步分离器，通过数字化PLL后就会生成与之对应的行信号HS与场信号VS，并且PLL驱动型触发器，生成与HS时钟信号相锁定的LLC2与LLC。上述所实现的功能全部由I2C总线控制实现，串行数据信号即SDA，串行时钟信号即SCL。

经过SAA7113实现解码数字码流符合ITU?656标准，这串码流是包含视频信号、定时基准信号和辅助信号[5]。视频信号以YUV 4∶2∶2的数据格式输出，Y分量代表黑白亮度分量，U和V分量表示彩色信息，并被实时保存到存储模块。开始搜取视频过程中，SAA7113视频图像的输出基于8位总线VPO，最后传送到FPGA。因为PAL采用隔行方式实现电视信号的扫描，传送方式分为偶数与奇数，经过数字化处理的数据保持不变，所以想获取全部图像就要把偶数与奇数场的数据进行还原。

此系统关键是对视频图像的解码芯片SAA7113的控制连接电路如图3所示。

2.1 SAA7113时序性

经过数字转换之后的图像信息通过VOP，在像素时钟频率LLC2（13.5 MHz）的同步下并行输出。其中，任何一个时钟都会与16位像素输出相吻合。行与HREF类似，其中高电平即代表一行所有像素，也就是周期为720个LLC2。场与VREF类似，高电平即代表输出的是一行所有图像，每场有286行；低电平代表的场的隐藏信号，分为26个周期。

输出管脚RTS0和RTS1是多功能复用管脚，根据不同的系统要求，通过对子地址寄存器SA12写入不同的控制字可将两输出管脚配置为行同步、帧同步、奇偶场同步等不同信号。本设计中RTS0=1即代表输出类型为奇数场，RTS0=0则为偶数场。FEI代表类型为使能的信号，处于0状态时，表示数据输出正常，处于1状态时，表示数据输出达到高阻标准。

VOP上图像数据格式如表1所示。存储模块设计

3.1 SRAM接口电路的功能设计

FPGA功能特性是把搜集到的图像信息储存到缓存内，为后期处理图像创造条件。该系统图像缓存选择使用2块SRAM，通过PING??PANG缓存控制模式的原理对其进行操作[10]。第一次采样时，FPGA就会自动通过SAA7113获取到第1帧图像数据存储于第一个SRAM内，采样完毕后，第二个SRAM内就会自动存储第2帧图像数据，并且还要处理第1块SRAM内的图像数据，工作结束后，行总线就会自动实现切换，与SRAM自动连接。本文采用了两片型号为CY7C1049的SRAM是对图像帧数据保存，两片缓存与SRAM读写实现切换主要基于软件控制。FPGA将采集到一帧图像数据保存到SRAM1中，同时后端的图像处理模块读出SRAM2中的图像数据进行处理。两块存储方式的SRAM实现行总线的转换，前提是任意1帧图像数据已经被处理或者是保存后，其中SRAM1内数据是为后期图像读出处理提供依据，SRMA2就会自动保存下面的图像数据，也就是任意一个内存状态为写入，剩余内存状态为读出。

3.2 SRAM读写控制时序功能设计

SRAM读写控制关键是遵循SRAM时序完成读写工作[11]。在视频图像解码模块正常运行时，SRAM就会根据地址模块生成的写信号与地址信息，实现图像信息的缓存；从缓存中读取图像信息时，就会通过自动运行SRAM生成的读信号与地址实现。SRAM控制模块的除了寻址信号外，还包含写使能信号W与片选信号CE以及输出使能信号OE。控制器为双口数据线接口，其中输入接口为读取数据，输出接口为读写数据，只有实施全方位的管理与控制，SRAM才会实现正常的读写功能。

图像存储器由两块SRAM构成，两者共同协调运行。在SRAM1成功获取到解码模块提供的图像信息时，SRAM2内存有的图像信息就会通过后期图像低级模块实现读取完成处理。两块缓存都正常完成以上工作后，就会实现切换，SRAM1内的图像信息实现读取，SRAM2就会自动获取图像信息。反反复复，成功启动并行操作方式，从而提升系统运作水平与能力。VGA视频显示设计

4.1 VGA显示方案框图展示

通过摄像头获取到图像模拟信号，然后实现数字信号的转换，此类信号格式参考YUV4∶2∶2，怎样将获取到的图像信息实现处理，然后根据SVGA格式800×600@60 Hz正常在VGA显示器上正常显示[12]。

本设计采用TI公司的THS8134作为D/A变换器，THS8134功能就是实现视频与图像格式的转换。此变换器不仅支持3～5 V电压的数字供电，还支持5 V电压的模拟供电。

采样效率为81 MSPS。同时三个D/A转换器与行场消隐信号以及同步信号构成一个THS8134。它的主要功能就是实现FPGA数字信号的转换，同时还支持VGA显示器进行显示。它输入格式主要有消隐控制信号，行场同步，数字时钟CLK与2路或1路ITU?65类型的YpbPr/RGB的4∶2∶2信号及是蓝图像信号的R[7..0]，G[7..0]，B[7..0]，红，绿信号等多种。它输出格式主要是分为模拟的红、蓝色弱信号与亮度信号。FPGA是VGA行场同步信号的主要构成。

4.2 VGA信号转换

采集到的数据是标准的YUV4∶2∶2格式，只有把YUV数据格式转换为RGB数据格式，图像才能正常显示。其中RGB指的是计算机内比较常用的色彩范围。主要是经过蓝、红、绿三种基色的调和生成别种颜色。因为它超强的独立性，所以在彩色电视机、系统成像以及计算机图像中得到大力的推广与应用。下式可以方便地实现数据格式的RGB转换：[R=1 024×1.164Y-16+1.596U-12G=1 024×1.164Y-16-0.813U-128-0.392V-128B=1 024×1.164Y-16+2.017U-128] 1）

值得注意的是，公式当中有很多系数是小数，而FPGA不包含浮点数。采用VerilogHDL编程前，需通过有限精度的方法消除浮点数运算。即先将数据扩大适当的倍数如2n，然后取整运算，最后把结果除以2n（将结果右移2n位）。

4.3 帧频变换

帧频的转换是通过复制帧实现的。PAL制式的信号帧频25 Hz，VGA显示器工作是帧频60 Hz，帧频比为5∶12。要转换为能够满足每秒60帧要求的视频信号，最简单的办法就是复制帧。在本设计中每隔5帧重复1帧。具体方法是，采集图像分辨率为720×572，则每帧图像有527行像素，奇偶各286行。在SRAM存有的帧图像信息被首次读取后，而计数器出现最大数值时，就会从头开始进行计数572×0.2≈114次。循环5个周期之后，此时SRMA内实现读取的图像数据就会达到114×5=570行，也就是添加了一帧数据，从而达到频率转换的目的。

4.4 VGA显示模块功能实现

前面针对VGA显示时序与THS8134时序进行分析与研究，将图像信息根据准确的顺序与帧时序传送到CRT显示器就是VGA显示模块设计目标。具体实现流程：第一步通过显示器的分辨率，按照VGA显示顺序实现帧同步与水平信号的构成，然后根据行与表查询像素的方法确定图像信息的具体位置，将构成完整的图像呈现在监视器。图像数据格式转换采用THS8134，在设计过程中需要提供准确的控制信号。想要图像正常显示在屏幕左上方的首个像素，就需要对显示复位进行设置，从而实现地址与计数的最初复位。结 语

该篇文章通过SoPCA与FPGA两种图像处理技术对视频图像处理系统进行了深入的研究与分析，充分展示了视频图像的显示、存储与采集以及处理等各个功能特性，同时还深入对FPGA内部资源进行挖掘。本设计稍经修改可以用于一定范围内的视频监视系统，即可体现一定的社会作用与价值。如果通过以太网络将采集到的视频信号进行传输，就可以不受距离的限制，实现远程监控。

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