嵌入式圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)﹡

李鵬飛

（貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

嵌入式圖像技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前電子產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并已應(yīng)用于智能交通、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的基于PC的圖像采集設(shè)備，成本高而且體積大，因而限制了它在便攜設(shè)備、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。開(kāi)發(fā)小型化、低功耗、速度快的圖像采集系統(tǒng)具有很好的工程應(yīng)用前景。該系統(tǒng)采用三星公司基于ARM9的S3C2440[2]搭建硬件平臺(tái)，采用高速率的 USB攝像頭，在 ARM-Linux的操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集與顯示。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以一款基于 ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器S3C2440為核心，通過(guò)外擴(kuò)存儲(chǔ)器（Flash/SDRAM）、圖像輸入模塊，上位機(jī)通信模塊，LCD顯示模塊等來(lái)構(gòu)建硬件平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1）S3C2440微處理器：S3C2440是韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的16/32位 RISC嵌入式微處理器。該芯片處理速度快、功耗極低，與其他 ARM 芯片相比，具有豐富的片內(nèi)外圍接口。其內(nèi)部集成LCD顯示控制器以及FLASh控制器，硬件搭建較簡(jiǎn)易。

2）外部存儲(chǔ)器：S3C2440支持從NAND FLASH啟動(dòng)，NAND FLASH具有容量大、比NOR FLASH價(jià)格低等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用一片K9F1208作為NAND FLASH存儲(chǔ)器系統(tǒng)，容量大小為 64MB，用來(lái)存放操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其他數(shù)據(jù)；采用一片HY57V561620CT作為SDRAM，容量大小為 32 MB。

3）圖像輸入模塊：采用 USB接口的宇宙通QC301攝像頭作為圖像采集系統(tǒng)的輸入設(shè)備。USB端口可以滿足即插即用的要求，傳輸速度快。

4）上位機(jī)通信模塊：上位機(jī)采用普通常用 PC機(jī)（CPU主頻1.7 GHz，內(nèi)存512M）,通過(guò)RS232接口與開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行程序的輸入與調(diào)試，以便及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和更新。

5）LCD顯示模塊：模塊采用三星4.3英寸液晶屏LTV350QV-F05，它是256色、分辨率為 480×272的TFT液晶屏，帶觸摸屏。具有輕薄、體積小、耗電量低、無(wú)輻射及映像穩(wěn)定不閃爍等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

2.1 操作系統(tǒng)的移植

硬件環(huán)境確定以后，首先，要為 linux設(shè)計(jì)一個(gè)BootLoader[3]，通過(guò)BootLoader來(lái)初始化硬件，引導(dǎo)linux運(yùn)行。Bootloader設(shè)計(jì)可以在ads中實(shí)現(xiàn)。然后，針對(duì)硬件環(huán)境，和設(shè)計(jì)的BootLoader修改linux內(nèi)核。接下來(lái)，在Linux操作系統(tǒng)下建立編譯linux的交叉編譯環(huán)境。最后，配置、編譯、連接linux，下載編譯得到的映像文件到Flash，通過(guò)BootLoader來(lái)啟動(dòng)linux。

2.2 USB數(shù)碼攝像頭的驅(qū)動(dòng)

在Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。V4L是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)[4]。在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì) USB口數(shù)碼攝像頭驅(qū)動(dòng)，首先下載相應(yīng)的內(nèi)核補(bǔ)丁，解壓安裝之后，進(jìn)入內(nèi)核配置選項(xiàng)，加載驅(qū)動(dòng)，重新編譯內(nèi)核，使驅(qū)動(dòng)以靜態(tài)編譯的方式被加載到內(nèi)核中。(1)Multimedia devices --- > <*>Video For Linux(2)USB Support --- > <*>Support for Host-side USB---USB Host Controller Driver Drivers <*>OHCI HCD support (3)USB Multimedia devices <*>USB SPCA5XX Sunplus/Vimicro/Sonix jpeg Cameras

2.3 LCD設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊

LCD顯示采用framebuffer技術(shù)，它是圖形界面顯示的接口[5]。Linux內(nèi)核根據(jù)硬件描述抽象出framebuffer設(shè)備，用戶態(tài)的進(jìn)程能夠直接寫(xiě)屏。將Frame buffer映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，寫(xiě)操作可以反應(yīng)在顯示設(shè)備上。此系統(tǒng)中framebuffer的設(shè)備文件是/dev /fb0。幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要基于兩個(gè)文件：①Linux/include/linux/fb.h；②linux/drivers/video/fbmem.c。由于其為字符設(shè)備，所以采用“文件層——驅(qū)動(dòng)層”的接口方式。幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口直接對(duì)LCD硬件操作，而fbmem.c能記錄并管理數(shù)個(gè)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

2.4 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的圖像采集系統(tǒng)軟件部分主要包括圖像獲取模塊、圖像處理模塊、圖像顯示模塊[6]。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 嵌入式圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先，打開(kāi)攝像頭設(shè)備，獲取操作攝像頭設(shè)備的文件描述符，進(jìn)而獲取其一系列設(shè)備參數(shù)信息，將信息從內(nèi)核空間拷貝到用戶程序空間，在用戶空間修改數(shù)據(jù)信息。由于通常最快的磁盤(pán)訪問(wèn)還是比最慢的內(nèi)存訪問(wèn)要慢，所以系統(tǒng)采用內(nèi)存映射的方式截取圖像，加快I/O訪問(wèn)速度。用函數(shù)vd->map=mmap(0,vd-> mbuf.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, vd->fd,0)將攝像頭相應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，在映射內(nèi)存區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

其次，本設(shè)計(jì)攝像頭采集的是JPEG圖片格式，由于LCD只能顯示RGB格式的圖像數(shù)據(jù)，所以要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換成RGB格式。libjpeg是一個(gè)被廣泛使用的JPEG壓縮/解壓縮函數(shù)庫(kù)，它能夠讀寫(xiě) JPEG圖像文件，因此顏色空間轉(zhuǎn)換、降采樣/增采樣、顏色量化之類的工作由 libjpeg庫(kù)完成。系統(tǒng)所用的 Framebuffer設(shè)備的顏色深度為16位，采用5-6-5的顏色格式——即R（紅色）在16bit中為高5位，G（綠色）在16 bit中為中間6位，B（藍(lán)色）在16 bit中取低5位； libjpeg解壓出來(lái)的圖像數(shù)據(jù)為24位RGB格式，所以必須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于24位的RGB，一個(gè)字節(jié)表示一種顏色分量，將其轉(zhuǎn)換為RGB565的方法為：對(duì)于R字節(jié)，右移3位，對(duì)于G字節(jié)，右移2位，對(duì)于B字節(jié)，右移3位，然后將所有右移所得到的值拼接起來(lái)，就能夠得到16位的顏色值[7]。

最后，操作LCD設(shè)備，獲取顯示設(shè)備文件描述符，得到framebuffer固定信息，如圖形硬件上實(shí)際的幀緩存空間大小、硬件是否能夠加速等信息。得到FrameBuffer屏幕變化的信息，主要是Framebuffer的長(zhǎng)度、寬度以及顏色深度等。然后將 framebuffer映射到內(nèi)存中，通過(guò)數(shù)據(jù)填充函數(shù)將之前通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得的RGB565顏色值寫(xiě)到framebuffer中，這樣就可以在LCD顯示設(shè)備上看到采集到的圖像[8]。圖像采集的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3。

圖3 圖像采集流程

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)4個(gè)幀緩沖進(jìn)行循環(huán)隊(duì)列采集，實(shí)驗(yàn)設(shè)置采集到的圖像為30幀。在實(shí)驗(yàn)室條件下，將系統(tǒng)串口線與 PC機(jī)連接，配置好超級(jí)終端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)在windows下的通信，在 Linux下進(jìn)入要存放程序的目錄/tmp，將圖像采集系統(tǒng)程序通過(guò)點(diǎn)擊超級(jí)終端菜單中的“發(fā)送文件”將圖像采集系統(tǒng)程序傳送至 tmp目錄下，用命令chmod 777 caiji改變文件權(quán)限，使文件可執(zhí)行。最后執(zhí)行程序，采集到的圖像如圖4示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像的采集，視頻采集實(shí)現(xiàn)的效果比較流暢，在光線較暗的情況下，攝像頭仍能采集到視頻數(shù)據(jù)，并能夠在LCD上顯示。較windows下的視頻采集效果要相對(duì)清晰。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)在基于ARM9處理器s3C2440主要架構(gòu)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了嵌入式圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小、攜帶方便，有著廣闊的應(yīng)用前景。下一階段的工作可以完善圖像采集系統(tǒng)功能，比如圖像數(shù)據(jù)的處理與壓縮，人工智能等算法。

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