基于ide硬盘的数字图像存储技术研究

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近年来做为数据存储介质的硬盘，接口智能化程度越来越高，容量不断增大，体
* t- T5 `6 c9 B; v$ `积不断变小，并可脱离系统主机，控制起来比较方便，已经受到人们的普遍重视。在
' @- N( C. n7 D  M0 X! e许多以单片机为核心的持续数据采集存储应用系统中，利用嵌入式计算机实现数字相
6 ?# G5 Q+ j! D  h! p机输出图像在IDE硬盘中的直接、快速，稳定、连续存储和读取，对于数字图像监控
系统的小型化和大容量具有重要的意义，同时也可对其它以图像存储为目的的系统提
3 ], S( G( S0 `- H供参考方案。
1 v  m, W( P- u本设计介绍了一种基于AVR单片机(ATmegal6)控制的IDE(集成驱动器电子设
1 k1 Z  @/ S' m8 V- K备)硬盘高速数字图像采集和存储系统，提出了采用乒乓方式对硬盘进行读写控制以提
高系统存储速度，并按照文件格式进行记录，缩短了系统数据处理周期，为系统快速
: h/ u& }- f+ x+ U- o分析、处理目标提供依据，这样从根本上解决了存储、速度、记录图像信息完整性三
1 v3 p% Y$ K) F  |8 b者之间的矛盾。
' [) X0 p2 G3 ?% {% u此方案已经调试成功，实现了占用较少的单片机资源，却能比较方便的控制硬盘
/ e! l9 k9 Y& j% D  u进行稳定实时存储功能，而存入硬盘内部的数据能以文件的格式在电脑中识别打开和
做相应的处理。本设计有较大的扩展使用空问，在实验室研发和实际的生活当中都有
# V/ M; y, [% }很重要的现实意义。
§1．1数字图像存储的意义
随着数字技术的广泛应用，数码相机、图像扫描仪日渐普及，由此生成的图像文
件容量不断增加，将文件，图像等数据信息孤立、永久的存储于数码相机等采集装置
或某一台电脑中，显然是不可能，也不现实的；过量的图像文件需要备份以腾出硬盘
7 m" ?8 d2 ?" \1 d空间，数据文件有的需要外传，有的资料需要共享，还有预防误操作和病毒攻击而必
( h! l; ]( E1 o7 u/ d须备份等等。
1 S: U. M( M1 ~' J# x; w在做好大量图像数据文件安全、妥善存储的同时，如何方便快捷的在电脑之间、
7 X& V: ?- @3 y) U电脑与外设间传输数据文件也备受关注。因此，具备一两种以上适合自已需要的数据
' z/ q5 Q/ k7 M5 @0 _4 \0 s9 }2 _文件存储方式和传输途径非常重要。
由于图像信息具有信息量丰富、直观生动等特点，所以对图像信息进行深入分析
, o& X8 ]$ k/ F和处理是进行科学研究和工程应用的有效手段。随着高帧频、大阵列CCD图像传感器
5 t( \: c4 z1 I( f; @的出现，使我们有能力观察到快速运动目标的姿态、轨迹，尤其是特定阶段的瞬间变
9 Z% m4 O2 c! e3 b化，这为我们获取更多的图像信息，进行更深入精确的研究提供了先决条件。在当今
/ {& n6 B( R6 W: p" D! T$ {2 V的信息社会中，高速图像存储技术的应用将体现在国家发展中的军事、民用、医学、
科研等各个领域，诸如：空间观测、海洋开发、气象分析、城市规划、医疗设备、军
$ ?! j! d8 ?3 W% s8 W" A/ E事侦察和目标测量等。但是，能否把这种大信息量的图像数据实时完整的保存下来，
是现在图像存储任务面临的严峻问题，因此，实现高速图像数据存储具有很重要的现
+ E. p  \$ Q5 w) ]实意义。
0 h1 ?. A( @! q+ q§1．2数字图像存储技术的历史
提到图像存储，人们自然想到与生活息息相关的摄录像设备，比如录像机、照相
; b8 {! W/ V9 C* {机等，这类设备简单实用，被广泛应用于人们的日常生活和科技科研领域。但这类设
. k1 ?# z- U% J, B( [备由于面向需求对象不同以及其工作原理和结构及材料的限制，仅仅能满足慢速图像
的摄录，而无法捕获目标瞬间变化的特性，达不到高速摄录的要求。下面简单介绍一
下图像存储发展的历史：
电影的诞生开创了以胶片记录图像的纪元。以胶片这种形式记录，可以实现很好
的图像质量要求，同时高速摄影机的出现，也使胶片记录在速度上取得了长足进展。
但是，由于胶片记录是以感光材料的曝光来实现的，所以要想使影像再现，必须要经
8 m8 K  a5 P! S8 Z4 Y9 {过胶片冲洗这一步骤，而胶片的冲洗不仅需要专门的设备，而且冲洗的周期也长。为
了达到高质量的冲洗效果，需要采用性能优良的冲洗设备，而这样的设备一般成本较
5 c3 j0 D. i' R/ }7 S4 p0 g高。因此，胶片记录虽然可以实现高速记录，同时也完整的保存了原始图像信息，但
2 N' d% l- Q2 s% r是胶片冲洗时间长，无法达到快速再现图像的目的，不能满足在事后快速看到记录的
1 d" R- v% J  P! I& b/ t图像并迅速进行处理的时间要求，使得整个事后处理周期长，延缓了工作进程。在数
! n' o# [# C% d! t/ z, j据保存方面，胶片的保存时间、占用空间都无法同现在的磁盘记录或者光盘记录相媲
美。
# D7 _+ P0 }8 C. N- z8 j所以这种图像存储技术已经远远不能满足包括科学研究、资源普查、军事技术、
医疗卫生等领域的应用要求，人们为了用图像及时地传递各种信息，便开始了对图像
处理技术的研究。然而，图像处理技术的真正发展还是在本世纪60年代以后，一方面
$ j7 I/ D5 v8 q; v# y- W- m) l是由于受到航天技术发展的刺激：另一方面，也是由于做为图像处理重要工具的数字
1 x! x; a6 V- x( X计算机和不同类型的数字化仪器及显示器有了突飞猛进的发展。在各种图像处理技术
中，图像的实时存储技术一直是大家都非常关注的技术，是国内外研究的热点之一。
自从电脑在我们的生活和科技领域的应用普及之后，图像的存储方式发生了重大
0 g( B% N# L- X7 Q" n4 H# _的变化，许多基于电脑而产生的存储设备应运而生：
1．软盘，用传统的3．5英寸软盘进行拷贝，是较早开始使用的、以软驱支持的数
据存储方式。普通软盘的缺点是：存储容量太小，读写速度慢，磁盘易损坏，可靠性
2 f" \9 @2 {+ _$ o, x差。这种方式，适合暂时拷贝携带一点TXT、WORD文字文件和少量JPEG压缩格式、
几百KB(千字节)大小的数字图像文件。
2．MO存储盘，以MO为代表包括ZIP、SMART MEDIA等在内的各种大容量
0 X  s5 x5 n8 D( W1 c4 w3 s0 I% K储存装置，都需要专用的驱动器。MO是磁光盘，属于传统磁盘技术与光技术结合的
产物，大小类似于传统的3．5英寸软盘，可存储从几百至数千MB的数据文件。
其优点是：小巧易带，读取快、耐擦写、寿命长、安全性好，对环境要求低。不
: n; E( e, k( O& I# B* P' ?过，由于设备接口不兼容，通用性差，加上沉重的电源盒、连接器显得繁琐麻烦，盘
% ~' e2 F6 y% y" y1 M! v! k' Q0 @9 ^片成本价格高，所以不能普及，使用者较少，产品在市场上也不多见。这种方式，仅
( v1 G, U5 a& {& G3 c3 g适合部分对存储有较高质量要求的专业用户。
" o/ V" ^* Y& {  x3．闪存，(Flash Memory)是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所
存储的数据信息)的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为
单位，区块大小一般为256KB到20MB。闪存是电子可擦除只读存储器(EEPROM)
的变种，EEPROM与闪存不同的是，它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯
片擦写，这样闪存就比EEPROM的更新速度快。由于其断电时仍能保存数据，闽存通
常被用来保存设置信息，如在电脑的BIOS(基本输入输出程序)、PDA(个人数字助
$ o) _* Z% l. X/ _理)、数码相机中保存资料等。另一方面，闪存不像RAM(随机存取存储器)以字节
为单位改写数据，因此不能取代RAM。
闪存卡(Flash Card)是利用闪存(Flash Memory)技术达到存储电子信息的存储
6 W, V4 u( T8 Z7 x器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中做为存储介质，所以样
3 S' ^* x# e0 p$ x子小巧，有如一张卡片，所以称之为洲存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪
存卡大概有SM卡、CF卡、MMC卡、SD卡、Memory Stick(记忆棒)、XD卡和微硬
& }9 ^$ ~8 \# t5 @3 ~盘这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。
+ P+ {$ K. u- ]" m4．硬盘：将圆形的磁性盘片装在一个方的密封盒子里，有了硬盘之后，人们使用
  V, c+ s% o; Z6 u. [& {+ O, {1 J计算机就方便多了，不但可以把数据处理结果存放在硬盘中，还可以把很多输入到计
6 w1 s' c. H" _2
算机中的数据存储到硬盘中，使得这些数据可以反复使用，避免了重复劳动。
移动硬盘，它也是以硬盘为存储介质，由笔记本硬盘和硬盘盒组成，强调便携性
的存储产品。目前，主流移动硬盘是以3．5英寸的台式机硬盘和2．5英寸的笔记本硬盘
- |- a: W+ b9 v3 E* ]0 m0 j1 j: d为基础，只有很少部分用1．8英寸的微型硬盘。其中3．5英寸的硬盘尺寸宽、重量大，
. v' p# N8 X3 o& d; Z缺乏特殊防震设计，携带也不方便，但有价格和容量优势；2．5英寸硬盘抗震性能好，
, b$ O% O/ Z( O4 h% k+ b尺寸、重量都较小，在移动硬盘中应用最多：1．8英寸硬盘目前价格太高，无法普及。
移动硬盘的数据读写模式与标准IDE硬盘相同，采用USB或IEEEl394高效的串行接
% o( U5 p; ]3 @( h/ v# C- b* v# K口标准，支持即插即用和热插拔，性能稳定，能够以较高的速度与系统进行数据传输。
移动硬盘提供的20GB、40GB、80GB等巨大的存储空间，基本上满足了需求。这种方
& S. ?: Z' B" T) M+ I式，合适大量数据文件的存储备份、在家用、办公电脑之间拷贝传输之用。
5．光盘，现在普及的CD．RW刻录机，能刻录CD和CD．RW两种光盘。一张标
4 ?- G2 h3 J/ S3 K( n2 K# `0 j' z称700MB容量的空白CD盘片可以有效刻写670MB，一张650MB容量的CD．RW盘
片可以有效刻写493MB。CD．RW盘片价格稍责一些，虽然是可反复擦写，但有一定
; Y/ _6 e$ h# m) `的使用次数和寿命，一旦用旧了，读和写都面临困难，此外CD盘片只能用于刻录机，
普通光驱对此不认。CD．RW盘片每张成本很低，用它刻录的最大优势在于存储容量永
" J& S, H9 }4 \$ O: S' S/ r+ ]无限量，还能一份复制多份，能被普通光驱读认，不足是不能编辑修改，删除数据后
) p4 M1 b# m# W' X, \  @- w腾不出有效空间，用于数据交换显得有些浪费。
6．磁盘阵列PAID自面世以来，应用非常广泛，技术也很成熟，目前已经发展到
# Y- ^6 [1 P7 e7 B第七代，但在图像采集系统中，现成的PAID却难以应用，原因是现在产品化的PAID
7 ]$ |( H  u0 ^4 M都是基于PCI总线的，不能脱离笨重的计算机，专门开发存在很大的难度【IJ。
§1．3数字图像存储技术的现状
$ G# ~1 m' N" O0 S7 ~近年来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，使得用CCD摄像机开始大量的
6 Y0 T/ T0 A9 }. j& V0 a6 ^$ {0 E普及，许多数字图像采集设备和存储设备发展迅速。
* t  K2 D, M& L: {比较典型的产品如法国IMASYS公司的DVRlooo系统：
(1)系统组成：
一台使用INTEL CPU的标准PCI总线工控机(配备一块美国IMAGING公司
IC．PCI图像采集卡和一块SCSl3 RAID卡)；一个标准工控磁盘阵列箱(容量最小3GB，
最大84GB)；
; E" ?9 O4 T5 i: x(2)系统平台： Microsoft Windows NT 4．0操作系统；图像来源：可接标准黑白
% b- B& D  V4 T1 W8 |7 w摄像机、彩色摄像机、数字摄像机和高帧频摄像机；
/ |( g0 ?& ?9 K: s, a; f+ F图像规格：最高分辨率512×512(黑白)，256X256(228帧／秒)；图像位数：8bit；
5 H8 d. X. T2 s* t+ [连续记录时间：最长3小时。
但是，基于计算机的图像记录系统仍有以下不足：
第一，要想实现图像的记录则必须要经过图像采集这一过程，图像采集由专门的
; G& @! \9 b/ c* O- H图像采集卡来实现；经过采集过后的图像数据由计算机读入到系统内存，然后计算机
再将系统内存中的图像数据读出写到存储的硬盘上。整个过程经过了计算机的系统总
线和系统的内存，二者将采集和最后的存储连接起来。
由此可以看出，数据是两次经过系统总线和系统内存，即包括一次写入一次读出，
耗时较多；第二，现代的计算机操作系统大多为多任务的。操作系统的多任务性就存
在任务调度的问题，这样在任务调度的过程中，必然存在某一任务被暂时挂起的情况。
/ u, O8 q! u6 i: Z' `! f硬盘直写技术也得到了越来越多的应用。如北京伊甸公司推出的单片机控制直写
移动硬盘的产品(S／．,-811)，它可实现对移动硬盘(FAT32格式)的读写操作，对移动
硬盘的容量无限制，主要功能如下：
+ b* R/ i4 U) @' A4 M3 q- W1，检测移动硬盘的状态(如接入，拔出)；
2，创建文件和目录；
3，打开一个已经创建的文件和目录；
2 u1 D" d2 e, y* Z% ^5 I" i4，从文件中读取指定长度和指定位置的数据；
, i" s9 e& R# m5，写数据到指定文件的指定地址；
6，列举目录下的文件和目录；7
7，删除文件和且录；
+ ~3 U3 [6 m' }  [4 L, B, O8，查询容量和剩余空间。
4 f3 m' I3 `( W2 c但它的读写速度受到单片机CPU速率等方面的限制，仅达到40Kbytes．100Kbytl58；
3 E2 s) H# n5 E2 k每秒，已经不满足现在需要设计的需要。
! n9 Z& R( R$ ?5 g6 w: a# v! u+ t还有的采用压缩编码算法，减少数据量再进行记录。当今图像压缩技术的发展非
/ d7 l9 s! A8 r) g9 ?常快，如对于局部图像可以实现无损压缩，还原后图像逼真如初，这对于某些应用方
面(如Intemet图像传输、影视视频、可视电话、医用影像处理等)已经可以满足需要，
; m6 A/ y/ [( {3 a* ]6 Q3 O7 i! X但是对于精密测量设备来说，采用压缩方法存储复杂背景下的目标图像，会损失一些
% X( l% o" h# B8 J3 L! Y0 }- Y" ?细节和精度，并且带来算法上的复杂，不利于硬件实现。
§1．4数字图像存储技术的应用领域
5 O0 E) C3 W' ?8 Y/ ?5 b: P1、可视对讲系统：可以将来客的图像记录存储，以备主人查看；可用于现有的可
视对讲系统升级改造。
, s, I0 I1 N* K/ M高档可视门铃，当客人按下门铃按钮时，系统自动记录一幅客人的图像，当主人
回家后可以随时调阅。主人发现门口有可疑人员时，可以手动录像，便于公安部门取
证。
+ c8 D. I: `( ~5 R# g2、周界监控系统：可以在报警的同时记录下入侵者的图像，可以在一些场合替代
7 C$ }, j7 c' Y录像机，节省成本。
+ F( l: g, M; W一般超市已经安装了视频监控系统，只要加入开发的存储模块，当出现可疑人员
6 b  \* K9 S( w! s时，收银员可以手动或者遥控进行拍照录像，使窃贼或违章偷吃者，在图象证据面前
无话可说。
8 e' k( o, M! K1 |3 j! s5 m8 F. M3、家用报警系统：可以与现有的家庭报警器配合使用，增加一个摄像头，就可在
4
4 W4 f, Q2 @5 N1 q9 Z7 @报警的同时记录现场图像，为用户提供图像资料。
' ~/ h& M$ ^. ~; |3 k4、停车场管理系统：可以与装设在停车场出入口的摄像机及地感线圈配合，一旦
1 a: c% s; W7 V* C  y/ D: a6 x  v$ w有汽车进入(或驶出)时，就可以将车牌和车型捕捉存储，以便保安辨认，有利于提
高系统的性能，降低成本。
$ T; ?+ K3 e6 k# b5、视频仪器设备：可与视频医疗仪器或生产线用视频检测仪器配合使用，用于存
: ]1 {) N" i9 Q5 ^4 e9 d储所需的图像。
6、视频图像信号源：可做视频图像信号源，应用在生产线的每个工位，减轻企业
6 Q) D7 f- M6 L- a  D3 B* {购买仪器的费用。
7、监控拍照录放器：是中小型监控报警系统取代硬盘录像机的理想换代产品，可
用于防范出租车、中小巴士、私家车、长途汽车等机动车辆防盗防劫需要。
8 c0 t/ g# Z: L9 a- |8、其它场合：需要暂时存储图像的应用场合。
自动录像取证系统，在重要场合，配合防盗报警系统及人体红外探测器或者微波
人体探测器、振动传感器，可实现出现警情时自动录像多幅，有效取证。
3 Y7 w( x8 P1 t3 T$ U§1．5系统整体设计方案
* r$ L) U0 ?/ g! h9 D" p目前根据所查阅的文献资料，获得图像存储的相关研究工作成果，可以为本设计
的具体工作提供明确的方向指导。
# W9 C5 @3 n" L: {利用MCS．51来实现对数字图像的存储， 其性价比很高，不仅存储的容量大，而
( C- u+ `4 h$ J. _且掉电后数据也不会丢失，还可以加上相应的文件系统，处理速度虽然不是很快，但
是在音频和一般的数据记载应用还是比较广泛，但是MCS一51的数据总线是8位的宽
9 Y/ N) E$ q4 \1 _度，而IDE硬盘接口是16位的宽度，这样就需要外扩一个8255来完成传输，无形中
/ K) g) S5 A4 J在硬件电路设计中就增加了一定的难度，且一旦出现新的存储要求，系统可扩展性不
5 o1 D) C7 E) Z6 \$ N' J6 U/ n' n强。
) K* J9 i4 Z7 O+ _  z% K! w还有基于ARM以及DSP，FPGA，cpld的嵌入式系统等，一些目前比较先进的
0 y9 L: ?) r/ P) G( n. t处理器，也实现了控制IDE硬盘实现数字图像的存储，有些甚至做出了在Linux操作
系统下的硬盘驱动，这些设计的传输速率不容置疑，甚至可以达到20MB／S，而且系统
稳定，可扩展性很强，但是价格方面的确有些让人难以接受，少则上千，多则上万，
与所对应的产品比较其性价比不高。
因此，根据本设计是实现CMOS图像传感器输出的数字图像数据的硬盘存储。其
主要需要满足的指标是下表中图像传感器的具体参数：
表1-1 CMOS相机各项指标
图像传感器CMOS图像传感器OV7620
) M+ u$ e& _( b' V! I' A* u分辨率640×480标准VGA图像
7 s; y/ Y' E& b8 R* i8 ^0 I. b* m  a  w取景方式旁轴式光学取景
存储器512K SRAM
摄影范围40厘米以上
帧速VGAl5帧／秒
9 k2 [% G% k  f电压5V
重量及尺寸1269 75×60×52．5mm
系统配置Windows XP，CPU Celeron 2．40GHz，内存512M
根据实际设计情况，图像传感器OV7620～秒钟传输15帧图像，其图像分辨率为
640*480像素，所以，在本设计中决定选用内部晶振为8M的ATMEGAl6做为控制器
实现控制硬盘进行存储的功能。AT EGAl6兼有MCS．51和一些高级处理器ARM，
( G: ~$ s: ?8 K5 j: E! LDSP的优点，既可满足设计需要，价格还比较低廉。
* c/ X0 \! [; Z本次设计的主要任务是要完成对CMOS图像传感器0V7620所采集的图像迸行实
/ W7 N9 f) g7 }+ }9 m6 [2 h$ H时有效的硬盘存储功能，根据上表主要有三个技术指标需要着重考虑：第一，硬盘存
储的速率足够快，且不能出现丢帧；第二，要有足够的存储容量，能满足所要求的存
储时间：第三，不能丢失图像信息。
5 I4 Q8 q7 d0 f2 y) O" V从容量上看，目前硬盘的容量可以做的很大(如单块硬盘可以达到160G)，故存
# e( ?( l& p; {2 x/ Z. Z1 k储容量上不存在问题。
从不能丢失图像信息的角度来看，虽然现在出现了很多好的图像压缩算法，但是
% E+ S& ]+ O( a% I. y# j/ j/ g任何压缩算法的采用不仅存在运行算法的耗时，更重要的是压缩会造成图像信息的丢
失。因此，综合分析，本设计采用无压缩的图像存储方式。
+ Y$ g- `0 L0 N0 m从满足存储速度方面，需要考虑以下几点：
首先，由于从CMOS图像传感器输出的图像数据是不问断的送给硬盘，但是硬盘
* z* z2 f( w0 b2 W* [要将数据写到盘片上，存在寻道所经历的磁头移动、读内部缓存等许多问题，硬盘本
身的存储和传感器传输图像所经历的时间不是等间隔的，因此需要将CMOS图像传感
, [6 k- I. |9 a7 r3 Y器传输过来的图像数据先通过一个合适大小的存储器，用来将数据做缓存处理以便协
5 a( K! @8 T  R调图像数据与存储速度之间的差异。
* n$ _! A" ~' Q9 T4 o0 W+ |1 Q" ?为了实现采集数据的快速有效虽无丢失的存储，缓冲存储器采用乒乓方式。乒乓
方式的存储器组成方式多种多样可以采用两片SRAM进行交替的存储，也可以采用
0 [6 ?, \' ~. L- ~FIFO进行乒乓存储，考虑到本设计的设备要求以及难度，虽然SRAM在进行乒乓存储
时会占用很多的管脚，硬件设计有些麻烦，但是在编程上却比较容易实现，所以采用
了两片SRAM的乒乓存储结构。
+ F7 a# ~, O0 c  x6 J7 L本系统采用的是两组存储器(型号628512)乒乓缓存，一组用于接收CMOS发送的
' S" L( `( [4 y7 C# q0 v; @6
数据，另外一组存储器与硬盘进行数据读取，这样交替工作，可以保证不丢失数据。
对于硬盘来说，在大部分时间内写数据到盘片上的速度要快于图像传感器输出数据的
速度，所以，在原理上来讲，选择大容量的缓冲存储器可以弥补在极短时间内写数据
& r, K5 }% H3 \; l) E3 W& K: k( o到盘片上的速度慢于图像传感器输出数据的速度的缺陷，这样有助于提高存储速度。
综上所述，本设计拟采用的图像采集装置是图像传感器0V7620，缓存采用两个
SRAM的乒乓结构，存储设备为希捷公司生产的10．2G的IDE硬盘，控制器为单片机
ATMEGAl6，设计本系统的硬件电路，整个系统的硬件结构框图如图1．1所示：
0 p. }" Y( Z! d, g5 H  ?
! _0 v1 G  k. g: H# L: \

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埋头拉线ing

采用乒乓方式对硬盘进行读写控制以提
高系统存储速度