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Optical image encryption via ptychography

Optical image encryption via ptychography
Optical image encryption via ptychography

Optical image encryption via ptychography

Yishi Shi,1,2,*Tuo Li,1Yali Wang,1Qiankun Gao,1Sanguo Zhang,3and Haifei Li4 1College of Material Science and Opto-Electronic Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China

2State Key Laboratory of Information Security,Institute of Information Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing100093,China 3School of Mathematical Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China

4Ordnance Repair Factory of Air Force,Guangzhou510500,China

*Corresponding author:optsys@https://www.wendangku.net/doc/1011144564.html,

Received February5,2013;revised March10,2013;accepted March26,2013;

posted March27,2013(Doc.ID184976);published April24,2013

Ptychography is combined with optical image encryption for the first time.Due to the nature of ptychography,not

only is the interferometric optical setup that is usually adopted not required any more,but also the encryption for a

complex-valued image is achievable.Considering that the probes overlapping with each other is the crucial factor in

ptychography,their complex-amplitude functions can serve as a kind of secret keys that lead to the enlarged key

space and the enhanced system security.Further,since only introducing the probes into the input of common sys-

tem is required,it is convenient to combine ptychography with many existing optical image encryption systems for

varied security applications.?2013Optical Society of America

OCIS codes:(100.2000)Digital image processing;(100.4998)Pattern recognition,optical security and encryption;

(110.1650)Coherence imaging;(060.4785)Optical security and encryption.

https://www.wendangku.net/doc/1011144564.html,/10.1364/OL.38.001425

Ptychography is a powerful technique for coherent imag-ing[1–3]that has already been applied in the x-ray[4,5], optical[6,7],and electronic domains[8].Its merits include good quality of both the recovered amplitude and phase distribution and unlimited size of the specimen to be im-aged[9].In ptychography,the specimen is enlightened by multiple probes,generating multiple diffraction patterns in the far field.Since the neighboring probes cover up some common area of the specimen,their diffraction patterns partially carry the common information about the https://www.wendangku.net/doc/1011144564.html,ing all the diffraction patterns,all the information of the complex-valued specimen can be recovered with a phase retrieval algorithm.Unlike holography,ptychogra-phy does not require a reference beam.On the other hand, like holography,it is capable of reconstructing the com-plex amplitude of the object[3].

Optical security has become an attractive research branch in optics in the past two decades[10].Recently, some new techniques of optical encryption based on im-aging have emerged,such as those based on ghost imag-ing[11]and diffractive imaging[12],since the procedure for image decryption in an optical security system is quite similar to the process for specimen reconstruction in an imaging system.Some physical factors of imaging are introduced into the optical security system,which bring several new advantages for the purposes of secu-rity.In this Letter,we apply ptychography in optically en-crypting the complex-amplitude image.It demonstrated that introducing ptychography can not only simplify the architecture of an optical encryption system but also greatly enhance its security by enlarging the key space. Figure1shows the schematic of optical image encryp-tion via ptychography.Since it is convenient to apply pty-chography to nearly all current optical image encryption systems,we just take the classical optical encryption sys-tem with random-phase encoding in both the input and Fourier planes as an example.It is actually suitable at least for other double random-phase encoding systems, such as the systems in the fractional Fourier domain or in the Fresnel domain[10].The first probe P1is incident to the secret image f o(Lena)located in the input

plane.P1only covers the upper right of f o,as shown with light red color(Probe1)in Fig.1.Then it is modulated by

double random-phase-only masks M1and M2that are

fixed in the input plane(x,y)and in the Fourier plane (p,q),respectively.Subsequently,the intensity ID1of the

first diffractive pattern is recorded by a sensor in the out-

put plane.In the same way,the probe is moved to illumi-nate the upper left,lower left,and lower right of the input

image,respectively.Note that the core concept of per-

forming ptychography is that the multiple probes used to scan the specimen require being overlapped with each

other.Thus the applied probes P1to P4,are partially over-

lapped,which is shown in Fig.1in different colors.The above process of encryption can be expressed as ID i j FT f FT f P i·f o·exp jM1 g·exp jM2 gj2;(1) where P i i 1;2;…;n stands for the probe that enlightens the secret image and ID i is the corresponding

intensity of the diffraction pattern.In this case n equals4.

In Eq.(1),FT f?g stands for Fourier transformation.

Now

Fig.1.Schematic of optical image encryption via ptychogra-phy:an example with random-phase encoding in both the input and the Fourier planes.

May1,2013/Vol.38,No.9/OPTICS LETTERS1425

0146-9592/13/091425-03$15.00/0?2013Optical Society of America

the procedure of encryption is accomplished.These intensities f ID i g are the cipher texts of the secret image. With the cipher texts and the correct phase keys,the plain text can be extracted by employing the decryption algorithm.From the perspective of mathematics,it can be thought of as a special case of ptychographical iterative algorithm[3]that is described as below:

1.Guess the complex value of the input image

f g x;y ,and then begin the following iterative process.

2.For the k th iteration,f g x;y is illuminated by the

i th probe,which is modulated with M1and M2in the in-put and Fourier planes;the intensity is acquired as

ID k ig j FT f FT f P i·f k ig·exp jM1 g·exp jM2 gj2:(2)

3.Substitute the amplitude term of ID k i x;y with the detected intensity ID io x;y ,while preserving the phase:

ID k i ID io 1∕2· ID k ig∕j ID k ig j :(3)

4.Take the inverse Fourier transform of ID k i x;y to the Fourier plane and divide by M2,then take the other inverse Fourier transform and divide by M1:

f k

igN

FT?1f FT?1ID k i·exp ?jM2 g·exp ?jM1 :(4)

5.Renew f k igN x;y with f k i 1 gN x;y according to

f k

i 1 g

f k i

g βP i f k igN f k ig P i ∕ P i α ;(5)

whereαandβare the adjustment factors;the former is used to ensure the denominator is nonzero,and the latter is employed for the iterative adjustment[3].

(6)Repeat the above steps2through5for all probes and now an entire iteration is completed.

(7)Calculate the correlation coefficients(Co)be-tween the decrypted and secret images:

Co f;f o cov f;f o σf·σf o ?1;(6) where f and f o denote the recovered and the original am-plitudes or phase functions of the object,respectively, cov f;f o is the cross-covariance between f and f o, andσf is the standard deviation.The value of Co ranges in[0,1].If it equals1the best decryption is achieved.

(8)If the Co reaches the threshold value,finish the iterations and obtain the decrypted image f.

We have performed a series of simulations to test the proposed technique.Since one important property of ptychography is that not only the amplitude but also the phase distribution of a specimen is retrievable[3],a com-plex-amplitude image was tested in the simulations.The image to be encrypted is shown as Fig.2(a)in gray and Fig.2(b)in color,which present the amplitude and phase terms,respectively.The amplitude term“Lena”and the phase term“baboon”are both256×256pixels in0–255 scale,which are distributed in[0,1]and[0,2π],respec-tively.Two phase keys M1and M2are statistically inde-pendent and randomly distributed in[0,2π];one of them is shown as Fig.2(c).Figure2(d)gives one typical dif-fraction pattern corresponding to a certain probe.

A set of probes employed in simulations are shown as Fig.3,in which the upper four and lower four images represent the amplitude and phase distributions of the four probes,respectively.The gray levels are used to de-note the different amplitude distributions as shown in Figs.3(a)–3(d).In Figs.3(e)–3(h),the colors stand for the differences of phase functions just as in Fig.2(b), without the color bars.Figure3(a)and3(e)can be deemed as the complex amplitude of the original probe, and another three probes are generated by rotating at 90°,180°,and270°,respectively.In the experiments, complex-amplitude distributed probes are achievable by use of a spatial light modulator(SLM).The SLM is suit-ably encoded and located in the front focal plane of a Fourier-transformed lens,conveniently generating the required distributions of probes in the back focal plane of the lens,which is the same plane that the secret image is fixed on.Note that the black regions of the amplitudes in Figs.3(a)–3(d)indicate where the incident light is totally blocked.Thus the area of any two mutually over-lapping probes occupies two quadrants,which simply satisfies the core concept of ptychography.

First,let us examine its feasibility.Three kinds of probes have been tested,including the pure-amplitude, the phase-only,and the complex-amplitude probes,the amplitudes and phase distributions of which are already shown in Fig.3.The corresponding cipher texts are not presented here for brevity.Employing the above decryp-tion algorithm,Fig.4shows the amplitude and phase functions of decrypted images all obtained after200iter-ations.Some noises can be found in the decryptions for the pure-amplitude probes.However,for all three kinds of probes,it is clear that we decrypted nearly all the information,consisting of both the amplitude and the phase,and the values of Co are quite closed to1. Second,the diversity of the probes has been tested for optical encryption.For the sake of brevity,we only

show Fig.2.(a)Amplitude,(b)phase term of the secret image, (c)one of phase keys,and(d)a typical diffraction

pattern.

Fig. 3.Four employed probes.(a)–(d)Amplitudes and (e)–(h)phase distributions of the probes.

1426OPTICS LETTERS/Vol.38,No.9/May1,2013

three types of probes,named as K1,K2,and K3in Fig.5,which all belong to the pure-amplitude type without any phase distributions.Note that the K1probes are just an example,as was the given schematic in Fig.1.All black regions still indicate the light fully shielded,and it is also implied that the probes in each type satisfy the core re-quirement of overlapping for ptychography.In several iterations less than 200,we can obtain decryptions of good quality similar to those presented in Fig.4,which are not shown for brevity.

Third,inspired by the above results of the probes ’di-versity,we have examined whether the probes can serve as a new kind of secret keys for an optical encryption system combined with ptychography.With the correct phase keys but the wrong probes,the simulation results are presented in Fig.6after 2000iterations of the decryp-tion algorithm.Figures 6(a)and 6(b)show the decryp-tions when we employed the pure-amplitude probes of type K1for encryption but decrypted with the disordered probes in K1.Also for the pure-amplitude probes,the probes of type K2were used to decrypt the cipher texts that were encrypted by the probes in K1,obtaining the decryptions as shown in Figs.6(c)and 6(d).On the other hand,we tested the phase-only probes that are already shown in Figs.3(e)–3(h).Figures 6(e)and 6(f)present the amplitudes and phase terms of the decryptions acquired with disordered phase-only probes,while Figs.6(g)and 6(h)are the results when using the probes

with totally different phase distributions.As shown in Figs.6(a)–6(h),all decryptions are random noises other than only a little shadow-like signal of the probes or the secret image.Further,we have taken other tests regard-ing the security of the probes and obtained quite similar results to Fig.6.These simulations indicate that high-quality decryptions are not acquirable when using the wrong probes.In other words,the amplitudes and phase functions of the probes can serve as the secret keys.In conclusion,we apply ptychography in optical image encryption.Successfully securing a complex-valued image is achievable for the 4f encryption system via pty-chography.In our method,the optical setup is simplified by avoiding the interferometric optical path,and the sys-tem security is also enhanced by employing complex-amplitude probes that can effectively enlarge the key space.As it is easy to combine ptychography with many current optical image encryption systems,it has potential for varied security purposes,such as double-image or three-dimensional information encryption and hiding.The authors quite appreciate the anonymous reviewers for their constructive comments.This research was sup-ported by NNSF of China (60907004),K.C.Wong Foun-dation,the President Fund of UCAS,the Fusion Fund of Research and Education,and CAS.

References

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(2010).

Fig.4.Amplitude and phase function,respectively,of the de-crypted complex-valued images corresponding to three differ-ent types of probes:(a),(b)pure amplitude;(c),(d)phase only;and (e),(h)complex

amplitude.

Fig.5.Diversity of the probes was tested with other series of probes:(a)–(d)K1,(e)–(h)K2,and (i)–(l)

K3.

Fig.6.Security enhancement due to ptychography.

May 1,2013/Vol.38,No.9/OPTICS LETTERS 1427

字符设备基础

Linux 字符设备基础 字符设备驱动程序在系统中的位置 操作系统内核需要访问两类主要设备,简单的字符设备,如打印机,键盘等;块设备,如软盘、硬盘等。与此对应,有两类设备驱动程序。分别称为字符设备驱动程序和块设备驱动程序。两者的主要差异是:与字符设备有关的系统调用几乎直接和驱动程序的内部功能结合在一起。而读写块设备则主要和快速缓冲存储区打交道。只有需要完成实际的输入/输出时,才用到块设备驱动程序。见下图: Linux 设备驱动程序的主要功能有: ● 对设备进行初始化; ● 使设备投入运行和退出服务; ● 从设备接收数据并将它们送到内核; ● 将数据从内核送到设备; ● 检测和处理设备出现的错误。 当引导系统时,内核调用每一个驱动程序的初始化函数。它的任务之一是将这一设备驱动程序使用的主设备号通知内核。同时,初始化函数还将驱动程序中的函数地址结构的指针送给内核。 内核中有两X 表。一X 表用于字符设备驱动程序,另一X 用于块设备驱动程序。这两X 表用来保存指向file_operations 结构的指针, 设备驱动程序内部的函数地址就保

存在这一结构中。内核用主设备号作为索引访问file_operations结构,因而能访问驱动程序内的子程序。 从开机到驱动程序的载入 系统启动过程中可能出现几种不同的方式检测设备硬件。首先机器硬件启动时BIOS会检测一部分必要的设备,如内存、显示器、键盘和硬盘等等。机器会把检测到的信息存放在特定的位置,如CMOS数据区。而另外某些设备会由设备驱动程序进行检测。 1 开机 2 引导部分(linux/config.h,arch/i386/boot/bootsect.S) 3 实模式下的系统初始化(arch/i386/boot/setup.S) 4 保护模式下的核心初始化 5 启动核心(init/main.c) init函数中函数调用关系如下: main.c init() filesystems.c sys_setup() genhd.c device_setup() mem.c chr_dev_init() 至此,驱动程序驻入内存。 设备驱动程序基本数据结构: struct device_struct 系统启动过程中要登记的块设备和字符设备管理表的定义在文件fs/devices.c中:struct device_struct { const char * name; struct file_operations * fops; }; static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV]; static struct device_struct blkdevs[MAX_BLKDEV]; 其实块设备表和字符设备表使用了相同的数据结构。在某些系统中,这些设备表也称作设备开关表,不同的是它们直接定义了一组函数指针进行对设备的管理。而这里系统用文件操作(file_operations)代替了那组开关。文件操作是文件系统与设备驱动程序之间的接口,系统特殊文件在建立的时候并没有把两者对应起来,只是把设备的缺省文件结构和i节点结构赋给设备文件,而真正的对应定义在系统启动之后,当设备被打开时时才进行的。 操作blkdev_open和chrdev_open定义在文件devices.c中,它们的基本功能是当设备文件初次打开时,根据该文件的i节点信息找到设备真正的文件操作接口,然后更新原来的设

带拖车的轮式移动机器人系统的建模与仿真

系统仿真学报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 2000 Vol.12 No.1 P.43-46 带拖车的轮式移动机器人系统的建模与仿真 杨凯 黄亚楼 徐国华 摘 要: 带拖车的轮式移动机器人系统是一种典型的非完整、欠驱动系统。本文建立了带多个拖车的移动机器人系统的运动学模型,对系统的运动特性进行了分析,并在此基础上对系统的运动进行了数值仿真和图形仿真,验证了理论分析的正确性。 关键词: 移动机器人系统; 运动学模型; 龙格-库塔法; 计算机仿真 中图分类号: TP242.3 文献标识码:A 文章编号:1004-731X (2000) 01-0043-4 Modeling and Simulation of Tractor-trailor Robot Systems' Kinematics YANG Kai, HUANG Ya-lou (Department of Computer and System Science, Nankai University, Tianjin 300071) XU Guo-hua (Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080,China) Abstract: A mobile robot with multi-trailers is a typical nonholonomic, underactuated system. This paper establishes a kinematic model for such system. Based on the kinematic model, the motion of the system is analytically studied, and the simulation of the motion for this system is conducted with the means of Runge-Kutta method and computer graphics. It proves that the theoretical analysis is right. Keywords: mobile robot; underactuated system; Runge-Kutta; computer simulation 1 引言 移动机器人是机器人学中的一个重要分支,本文所讨论的是一种特殊类型的移动机器人系统——带拖车的轮式移动机器人(Tractor-trailer robot),它由一系列相互铰链在一起的多个二轮式刚体小车组成,运行在一个平面上。带拖车的轮式移动机器人系统的一种情形是由一个卡车型的牵引车拖动着一个或多个被动的拖车组成,牵引车可以执行类似于汽车那样的运动:驱动轮向前或向后运动,转向轮向左或向右转向,拖车跟踪牵引车的运动路径。 作为典型的欠驱动、非完整系统,带拖车的移动机器人系统的运动学、规划、控制等方面的研究明显不同于其它机器人系统,由于系统运动规律、控制特性上的理论结果亟待验证,因此,带拖车的移动机器人系统的仿真是极有价值的。 本文针对一般结构形式的带拖车的移动机器人系统建立系统的运动学模型,研究模型的递推形式以解决拖车节数变化带来的模型重构问题,同时就一些问题开展理论分析与仿真验证。 2 系统的运动学模型 2.1 基本假设与变量说明 为了使所建立的数学模型对各种车体链接形式均成立,这里以非标准型带拖车的轮式移动机器人系统为研究对象,所谓非标准型就是相邻两车体的链接点不在前一车体的轮轴上而是在链接轴的某点上(如图1所示),且假设:整个系统是在平面上运动;车轮是无滑动的;车体关于其纵向轴线对称;车轮与地面是点接触,且是纯滚动运动;车体是刚体; 用于车体连接的关节之间是无摩擦

一个简单的演示用的Linux字符设备驱动程序.

实现如下的功能: --字符设备驱动程序的结构及驱动程序需要实现的系统调用 --可以使用cat命令或者自编的readtest命令读出"设备"里的内容 --以8139网卡为例,演示了I/O端口和I/O内存的使用 本文中的大部分内容在Linux Device Driver这本书中都可以找到, 这本书是Linux驱动开发者的唯一圣经。 ================================================== ===== 先来看看整个驱动程序的入口,是char8139_init(这个函数 如果不指定MODULE_LICENSE("GPL", 在模块插入内核的 时候会出错,因为将非"GPL"的模块插入内核就沾污了内核的 "GPL"属性。 module_init(char8139_init; module_exit(char8139_exit; MODULE_LICENSE("GPL"; MODULE_AUTHOR("ypixunil"; MODULE_DESCRIPTION("Wierd char device driver for Realtek 8139 NIC"; 接着往下看char8139_init( static int __init char8139_init(void {

int result; PDBG("hello. init.\n"; /* register our char device */ result=register_chrdev(char8139_major, "char8139", &char8139_fops; if(result<0 { PDBG("Cannot allocate major device number!\n"; return result; } /* register_chrdev( will assign a major device number and return if it called * with "major" parameter set to 0 */ if(char8139_major == 0 char8139_major=result; /* allocate some kernel memory we need */ buffer=(unsigned char*(kmalloc(CHAR8139_BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL; if(!buffer { PDBG("Cannot allocate memory!\n"; result= -ENOMEM;

字符设备驱动程序

Linux字符设备驱动(转载) 来源: ChinaUnix博客日期:2008.01.01 18:52(共有0条评论) 我要评论 Linux字符设备驱动(转载) 这篇文章描述了在Linux 2.4下,如何建立一个虚拟的设备,对初学者来说很有帮助。原文地址:https://www.wendangku.net/doc/1011144564.html,/186/2623186.shtml Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合,通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作,如open ()、close ()、read ()、write () 等。 Linux主要将设备分为二类:字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行;而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。 下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备:这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var,而这个设备的名字叫做"gobalvar"。对"gobalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。 驱动程序是内核的一部分,因此我们需要给其添加模块初始化函数,该函数用来完成对所控设备的初始化工作,并调用register_chrdev() 函数注册字符设备: static int __init gobalvar_init(void) { if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops)) { //…注册失败 } else

linux字符设备驱动课程设计报告

一、课程设计目的 Linux 系统的开源性使其在嵌入式系统的开发中得到了越来越广泛的应用,但其本身并没有对种类繁多的硬件设备都提供现成的驱动程序,特别是由于工程应用中的灵活性,其驱动程序更是难以统一,这时就需开发一套适合于自己产品的设备驱动。对用户而言,设备驱动程序隐藏了设备的具体细节,对各种不同设备提供了一致的接口,一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件,用户程序可以像对其它文件一样对此设备文件进行操作。 通过这次课程设计可以了解linux的模块机制,懂得如何加载模块和卸载模块,进一步熟悉模块的相关操作。加深对驱动程序定义和设计的了解,了解linux驱动的编写过程,提高自己的动手能力。 二、课程设计内容与要求 字符设备驱动程序 1、设计目的:掌握设备驱动程序的编写、编译和装载、卸载方法,了解设备文件的创建,并知道如何编写测试程序测试自己的驱动程序是否能够正常工作 2、设计要求: 1) 编写一个简单的字符设备驱动程序,该字符设备包括打开、读、写、I\O控制与释放五个基本操作。 2) 编写一个测试程序,测试字符设备驱动程序的正确性。 3) 要求在实验报告中列出Linux内核的版本与内核模块加载过程。 三、系统分析与设计 1、系统分析 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口,设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,这样在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分,它完成以下的功能: 1、对设备初始化和释放; 2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据; 3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据; 4、检测和处理设备出现的错误。 字符设备提供给应用程序的是一个流控制接口,主要包括op e n、clo s e(或r ele as e)、r e ad、w r i t e、i o c t l、p o l l和m m a p等。在系统中添加一个字符设备驱动程序,实际上就是给上述操作添加对应的代码。对于字符设备和块设备,L i n u x内核对这些操作进行了统一的抽象,把它们定义在结构体fi le_operations中。 2、系统设计: 、模块设计:

一个简单字符设备驱动实例

如何编写Linux设备驱动程序 Linux是Unix操作系统的一种变种,在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的Unix系统,但它dos或window环境下的驱动程序有很大的区别。在Linux环境下设计驱动程序,思想简洁,操作方便,功能也很强大,但是支持函数少,只能依赖kernel中的函数,有些常用的操作要自己来编写,而且调试也不方便。本文是在编写一块多媒体卡编制的驱动程序后的总结,获得了一些经验,愿与Linux fans共享,有不当之处,请予指正。 以下的一些文字主要来源于khg,johnsonm的Write linux device driver,Brennan's Guide to Inline Assembly,The Linux A-Z,还有清华BBS上的有关device driver的一些资料. 这些资料有的已经过时,有的还有一些错误,我依据自己的试验结果进行了修正. 一、Linux device driver 的概念 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口,设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,这样在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分,它完成以下的功能: 1)对设备初始化和释放; 2)把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据; 3)读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据; 4)检测和处理设备出现的错误。 在Linux操作系统下有两类主要的设备文件类型,一种是字符设备,另一种是块设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时,实际的硬件I/O一般就紧接着发生了,块设备则不然,它利用一块系统内存作缓冲区,当用户进程对设备请求能满足用户的要求,就返回请求的数据,如果不能,就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的,以免耗费过多的CPU时间来等待. 已经提到,用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b),表示是字符设备还是块设备。另外每个文件都有两个设备号,第一个是主设备号,标识驱动程序,第二个是从设备号,标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备,比如有两个软盘,就可以用从设备号来区分他们。设备文件的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致,否则用户进程将无法访问到驱动程序. 最后必须提到的是,在用户进程调用驱动程序时,系统进入核心态,这时不再是抢先式调度。也就是说,系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环,不幸的是你只有重新启动机器了,然后就是漫长的fsck。 二、实例剖析 我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做,但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理.把下面的C代码输入机器,你就会获得一个真正的设备

字符设备驱动步骤

编写字符设备驱动框架的步骤 Step 1: 申请设备号(主要是申请主设备号) 有两种方式: ⑴静态申请 通过下面这个函数实现: int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); /* register_chrdev_region() - register a range of device numbers * @from: the first in the desired range of device numbers; must include * the major number. * @count: the number of consecutive device numbers required * @name: the name of the device or driver. * * Return value is zero on success, a negative error code on failure.*/ 这种方式主要用于,驱动开发者事先知道该驱动主设备号的情况。 ⑵动态申请 通过下面这个函数实现: int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) /* alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers * @dev: output parameter for first assigned number * @baseminor: first of the requested range of minor numbers * @count: the number of minor numbers required * @name: the name of the associated device or driver * * Allocates a range of char device numbers. The major number will be * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number) * in @dev. Returns zero or a negative error code.*/ 这种方式由系统动态分配一个设备号,返回的设备号保存在参数dev中。 Step 2 :注册字符设备 在linux 内核中用struct cdev表示一个字符设备。 字符设备的注册与注销分别通过下面的两个函数来实现: int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count); /** * cdev_add() - add a char device to the system * @p: the cdev structure for the device * @dev: the first device number for which this device is responsible * @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this * device * * cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it * live immediately. A negative error code is returned on failure.

一种欠驱动移动机器人运动模式分析

天津比利科技发展有限公司 李艳杰 ’马岩1,钟华2,吴镇炜2 ' 隋春平2 (1.沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110168;2.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳110016) 摘要:介绍了一种欠驱动移动机器人的机械结构。分析了该欠驱动移动机器人在平地行进 模式的特点,提出一种越障控制模式。在该越障控制模式中加入了障碍物高度计算算法, 使得移动机器人在越障过程中的智能控制更加高效。利用VB编写控制程序人机界面,在移 动机器人实物平台上进行了实验,实验结果证明了控制方法的有效性。 关键词:AVR单片机;欠驱动移动机器人;越障模式 中图分类号:TP242文献标志码:A Analysis of a Underactuated Mobile Robot Moving Mode LI Yan-jie',MA Yan',ZHONG Hua2,WU2hen-wej2,SUI Chun-ping2 (l.School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang110168,China;2.Robotics Lab,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang110016,China) Abstract:The mechanical structure of a kind of underactuated mobile robot was described in this paper.The charac- teristics of the underactuated mobile robot in the plains traveling mode was analyzed and a kind of obstacle-negotia- tion control mode was proposed.Due to calculate algorithm of obstacle's height was added to the the obstacle-nego- tiation control mode,the intelligent control of obstacle-negotiation becomes more efficient.The control procedure HMI was programmed by VB and the experiment was performed on the mobile robot platform.Experiment results show the control method was effective. Key words:AVR SCM;underactuated mobile robot;obstacle-negotiation mode 欠驱动机械系统是一类特殊的非线性系统,该容错控制的作用。因此,欠驱动机器人被广泛应用系统的独立控制变量个数小于系统的自由度个数【l】o于空间机器人、水下机器人、移动机器人、并联机器 欠驱动系统结构简单,便于进行整体的动力学分析人、伺服机器人和柔性机器人等行业。 和试验。有时在设计时有意减少驱动装置以此来增本文以四驱动、八自由度的欠驱动移动机器人加整个系统的灵活性。同时,由于控制变量受限等为实验对象,通过切换驱动器的工作模式来克服系原因,欠驱动系统又足够复杂,便于研究和验证各统不完全可控造成反馈控制失效【2】的缺点。以工控 种算法的有效性。当驱动器故障时,可能使完全驱机作为上位机,通过工控机的RS232串口与AVR 葫系统成为欠驱动系统,欠驱动控制算法可以起到单片机进行无线通讯。通过对驱动器反馈数据的分 收稿日期:2013-01-22:修订日期:2013-02-19 基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAK03801,2013BAK03802) 作者筒介:李艳杰(1969-),女,博士,教授,研究方向为智能机器人控制及机器人学;马岩(1988-),男,硕士研究生,研究方向为嵌入式控制;钟华(1977-),男,博士,副研究员,研究方向为机器人控制及系统集成。 Automation&Instrumentation2013(9) 一种欠驱动移动机器人运动模式分析

LINUX字符设备驱动编写基本流程

---简介 Linux下的MISC简单字符设备驱动虽然使用简单,但却不灵活。 只能建立主设备号为10的设备文件。字符设备比较容易理解,同时也能够满足大多数简 单的硬件设备,字符设备通过文件系统中的名字来读取。这些名字就是文件系统中的特 殊文件或者称为设备文件、文件系统的简单结点,一般位于/dev/目录下使用ls进行查 看会显示以C开头证明这是字符设备文件crw--w---- 1 root tty 4, 0 4月 14 11:05 tty0。 第一个数字是主设备号,第二个数字是次设备号。 ---分配和释放设备编号 1)在建立字符设备驱动时首先要获取设备号,为此目的的必要的函数是 register_chrdev_region,在linux/fs.h中声明:int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);first是你想 要分配的起始设备编号,first的次编号通常是0,count是你请求的连续设备编号的 总数。count如果太大会溢出到下一个主设备号中。name是设备的名字,他会出现在 /proc/devices 和sysfs中。操作成功返回0,如果失败会返回一个负的错误码。 2)如果明确知道设备号可用那么上一个方法可行,否则我们可以使用内核动态分配的设 备号int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,unsigned int count, char *name);dev是个只输出的参数,firstminor请求的第一个要用的次编号, count和name的作用如上1)对于新驱动,最好的方法是进行动态分配 3)释放设备号,void unregister_chrdev_region(dev_t first unsigned int count); ---文件操作file_operations结构体,内部连接了多个设备具体操作函数。该变量内部 的函数指针指向驱动程序中的具体操作,没有对应动作的指针设置为NULL。 1)fops的第一个成员是struct module *owner 通常都是设置成THIS_MODULE。 linux/module.h中定义的宏。用来在他的操作还在被使用时阻止模块被卸载。 2)loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);该方法用以改变文件中的当前读/ 写位置 返回新位置。 3)ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);该函数用 以从设备文件 中读取数据,读取成功返回读取的字节数。

基于动力学模型的轮式移动机器人运动控制_张洪宇

文章编号:1006-1576(2008)11-0079-04 基于动力学模型的轮式移动机器人运动控制 张洪宇,张鹏程,刘春明,宋金泽 (国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073) 摘要:目前,对不确定非完整动力学系统进行设计的主要方法有自适应控制、预测控制、最优控制、智能控制等。结合WMR动力学建模理论的研究成果,对基于动力学模型的WMR运动控制器的设计和研究进展进行综述,并分析今后的重点研究方向。 关键词:轮式移动机器人;动力学模型;运动控制;非完整系统 中图分类号:TP242.6; TP273 文献标识码:A Move Control of Wheeled Mobile Robot Based on Dynamic Model ZHANG Hong-yu, ZHANG Peng-cheng, LIU Chun-ming, SONG Jin-ze (College of Electromechanical Engineering & Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: At present, methods of non-integrity dynamic systems design mainly include adaptive control, predictive control, optimal control, intelligence control and so on. Based on analyzing the recent results in modeling of WMR dynamics, a survey on motion control of WMR based on dynamic models was given. In addition, future research directions on related topics were also discussed. Keywords: Wheeled mobile robot; Dynamic model; Motion control; Non-integrity system 0 引言 随着生产的发展和科学技术的进步,移动机器人系统在工业、建筑、交通等实际领域具有越来越广泛的应用和需求。进入21世纪,随着移动机器人应用需求的扩大,其应用领域已从结构化的室内环境扩展到海洋、空间和极地、火山等环境。较之固定式机械手,移动机器人具有更广阔的运动空间,更强的灵活性。移动机器人的研究必须解决一系列问题,包括环境感知与建模、实时定位、路径规划、运动控制等,而其中运动控制又是移动机器人系统研究中的关键问题。故结合WMR动力学建模理论的研究成果,对基于动力学模型的WMR运动控制器设计理论和方法的研究进展进行研究。 1 WMR动力学建模 有关WMR早期的研究文献通常针对WMR的运动学模型。但对于高性能的WMR运动控制器设计,仅考虑运动学模型是不够的。文献[1]提出了带有动力小脚轮冗余驱动的移动机器人动力学建模方法,以及WMR接触稳定性问题和稳定接触条件。文献[2]提出一种新的WMR运动学建模的方法,这种方法是基于不平的地面,从每个轮子的雅可比矩阵中推出一个简洁的方程,在这新的方程中给出了车结构参数的物理概念,这样更容易写出从车到接触点的转换方程。文献[3]介绍了与机器人动作相关的每个轮子的雅可比矩阵,与旋转运动的等式合并得出每个轮子的运动方程。文献[4]基于LuGre干摩擦模型和轮胎动力学提出一种三维动力学轮胎/道路摩擦模型,不但考虑了轮胎的径向运动,同时也考虑了扰动和阻尼摩擦下动力学模型,模型不但可以应用在轮胎/道路情况下,也可应用在对车体控制中。在样例中校准模型参数和证实了模型,并用于广泛应用的“magic formula”中,这样更容易估计摩擦力。在文献[5]中同时考虑运动学和动力学约束,其中提出新的计算轮胎横向力方法,并证实了这种轮胎估计的方法比线性化的轮胎模型好,用非线性模型来模拟汽车和受力计算,建立差动驱动移动机器人模型,模型本身可以当作运动控制器。 2 WMR运动控制器设计的主要发展趋势 在WMR控制器设计中,文献[6]给出了全面的分析,WMR的反馈控制根据控制目标的不同,可以大致分为3类:轨迹跟踪(Trajectory tracking)、路径跟随(Path following)、点镇定(Point stabilization)。轨迹跟踪问题指在惯性坐标系中,机器人从给定的初始状态出发,到达并跟随给定的参考轨迹。路径跟随问题是指在惯性坐标系中,机器人从给定的初始状态出发,到达并跟随指定的几何 收稿日期:2008-05-19;修回日期:2008-07-16 作者简介:张洪宇(1978-)男,国防科学技术大学在读硕士生,从事模式识别与智能系统研究。 ,

实验二:字符设备驱动实验

实验二:字符设备驱动实验 一、实验目的 通过本实验的学习,了解Linux操作系统中的字符设备驱动程序结构,并能编写简单的字符设备的驱动程序以及对所编写的设备驱动程序进行测试,最终了解Linux操作系统如何管理字符设备。 二、准备知识 字符设备驱动程序主要包括初始化字符设备、字符设备的I/O调用和中 断服务程序。在字符设备驱动程序的file_operations结构中,需要定义字 符设备的基本入口点。 open()函数; release()函数 read()函数 write()函数 ioctl()函数 select()函数。 另外,注册字符设备驱动程序的函数为register_chrdev()。 register_chrdev() 原型如下: int register_chrdev(unsigned int major, //主设备号 const char *name, //设备名称 struct file_operations *ops); //指向设备操作函数指针 其中major是设备驱动程序向系统申请的主设备号。如果major为0, 则系统为该驱动程序动态分配一个空闲的主设备号。name是设备名称,ops 是指向设备操作函数的指针。 注销字符设备驱动程序的函数是unregister_chrdev(),原型如下:int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name); 字符设备注册后,必须在文件系统中为其创建一个设备文件。该设备文件可以在/dev目录中创建,每个设备文件代表一个具体的设备。 使用mknod命令来创建设备文件。创建设备文件时需要使用设备的主设备号和从设备号作为参数。 阅读教材相关章节知识,了解字符设备的驱动程序结构。

简单字符设备驱动程序的设计

实验五:简单字符设备驱动程序的设计 实验学时:4 实验类型:(设计) 一、实验目的 1. 理解设备驱动程序的处理过程; 2. 掌握Linux设备驱动程序开发的基本过程和设计方法; 3. 学会编写简单的字符设备驱动程序。 二、实验条件 Linux操作系统gcc 三、实验原理及相关知识 设备驱动程序是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。 驱动程序的功能: ⑴接收由设备独立性软件发来的命令和参数,并将命令中的抽象要求转换为具体的要求。 ⑵检查用户I/O请求的合法性,了解I/O设备的状态,传递有关参数,设置设备的工作方式。 ⑶发出I/O命令。 ⑷及时响应由控制器或通道发来的中断请求,并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。 ⑸对于设置有通道的计算机系统,驱动程序还应能够根据用户的I/O请求,自动地构建通道程序。 设备驱动程序的处理过程: ⑴将抽象要求转换为具体要求 ⑵检查I/O设备请求的合法性 ⑶读出和检查设备的状态 ⑷传送必要的参数 ⑸工作方式的设置 ⑹启动I/O设备 Linux系统中,设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分,它与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口,用户可以像处理普通文件一样,对硬件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。

通常设备驱动程序接口是由结构file_operations结构体向系统说明的,它定义在include/linux/fs.h中。file_operations的数据结构如下: struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char_user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char _user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); ... }; ⑴open 入口点: open函数负责打开设备、准备I/O。任何时候对设备文件进行打开操作,都会调用设备的open入口点。所以,open函数必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作,如清除缓冲区等。如果设备是独占的。则open函数必须将设备标记成忙状态。 ⑵close入口点 close函数负责关闭设备的操作,当最后一次使用设备完成后,调用close函数,关闭设备文件。独占设备必须标记为可再次使用。 close()函数作用是关闭打开的文件。 ⑶read入口点 read函数负责从设备上读数据和命令,有缓冲区的I/O设备操作一般是从缓冲区里读数据。

简单的虚拟字符设备驱动的实现

简单的虚拟字符设备驱动的实现 Linux業已成为嵌入式系统的主流,而各种Linux驱动程序的类型中,字符设备无疑是应用最广泛的。本文实现了一个简单的虚拟字符设备的驱动程序,用以演示Linux字符设备驱动的基本原理。在嵌入式Linux的教学中具有重要的作用。 标签:Linux 驱动程序字符设备虚拟嵌入式 Linux作为一种开放源代码的操作系统,在嵌入式系统领域业已成为主流,而为嵌入式Linux系统开发设备驱动程序,也成为一项重要的工作。Linux系统中的驱动程序主要分为三种:字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络驱动程序。其中字符设备是一类只能顺序读写,没有缓存的驱动程序,其实现方法相对简单,而应用则最为广泛。在嵌入式Linux的教学中,字符设备驱动程序也是一项重要内容。为了让学生能够理解字符设备驱动程序的原理,需要一个简单的字符设备驱动的例子,用以进行演示。 一、基本原理 把设备当作文件处理,是Linux系统的重要思想,即“一切皆文件”。在用户空间中,应用程序对字符设备的操作跟读写普通文件没有什么区别,也是通过open()、close()、read()、write()等函数实现的。操作系统将这些用户空间中的函数分别映射到内核空间中由驱动程序提供的对应接口。因此,内核空间中的驱动程序就需要通过对对应接口函数的实现来实现对用户空间中应用程序的支持。 file_opreations是字符设备驱动中最重要的结构,它包含了字符设备各种可能的接口函数。通常在嵌入式编程中,我们不需要全部实现,只需要实现我们实际用到的接口就可以了,这样可以有效降低程序的大小。该结构被定义在头文件“linux/fs.h”中,使用时只需声明该结构的一个变量并进行填充即可。 二、环境准备 为了进行嵌入式Linux的开发,必须首先安装Linux系统。这里采用最常用的Windows系统+VMWare虚拟机的形式,系统版本为RedHat Enterprise Linux 6.4,其自带的内核版本为2.6.32-358.el6.i686。该版本比之前沿用的RedHat9更新,同时也是一个被验证过的非常稳定的系统。 交叉编译器采用网上下载的Arm-Linux-gcc 4.5.1版本,同样兼顾到版本更新和稳定性之间的平衡关系。 各软件的安装过程本文不再赘述。

字符设备驱动程序课程设计报告

字符设备驱动程序课程设计报告

中南大学 字符设备驱动程序 课程设计报告 姓名:王学彬 专业班级:信安1002班 学号:0909103108 课程:操作系统安全课程设计 指导老师:张士庚 一、课程设计目的 1.了解Linux字符设备驱动程序的结构; 2.掌握Linux字符设备驱动程序常用结构体和 操作函数的使用方法; 3.初步掌握Linux字符设备驱动程序的编写方 法及过程; 4.掌握Linux字符设备驱动程序的加载方法及 测试方法。

二、课程设计内容 5.设计Windows XP或者Linux操作系统下的设 备驱动程序; 6.掌握虚拟字符设备的设计方法和测试方法; 7.编写测试应用程序,测试对该设备的读写等操 作。 三、需求分析 3.1驱动程序介绍 驱动程序负责将应用程序如读、写等操作正确无误的传递给相关的硬件,并使硬件能够做出正确反应的代码。驱动程序像一个黑盒子,它隐藏了硬件的工作细节,应用程序只需要通过一组标准化的接口实现对硬件的操作。 3.2 Linux设备驱动程序分类 Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例,源代码的长度日益增加,主要是驱动程序的增加。虽然Linux内核的不断升级,但驱动程序的结构还是相对稳定。 Linux系统的设备分为字符设备(char

device),块设备(block device)和网络设备(network device)三种。字符设备是指在存取时没有缓存的设备,而块设备的读写都有缓存来支持,并且块设备必须能够随机存取(random access)。典型的字符设备包括鼠标,键盘,串行口等。块设备主要包括硬盘软盘设备,CD-ROM 等。 网络设备在Linux里做专门的处理。Linux的网络系统主要是基于BSD unix的socket机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据传递。系统有支持对发送数据和接收数据的缓存,提供流量控制机制,提供对多协议的支持。 3.3驱动程序的结构 驱动程序的结构如图3.1所示,应用程序经过系统调用,进入核心层,内核要控制硬件需要通过驱动程序实现,驱动程序相当于内核与硬件之间的“系统调用”。

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