嵌入式數碼相機的設計與實現

胡湘娟+楊毅+曾賢東

收稿日期：2013-05-28

作者簡介：胡湘娟（1980—），女，湖南湘潭人，講師，碩士，研究方向：電路與系統。

通訊聯系人，E-mail：huxiangjuan@126.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0101-04

摘 要：介紹基于linux的嵌入式數碼相機的設計與實現，設計使用的是linux系統內核。整個系統的硬件部分以S5PV210開發板作為測試儀主體，TFT-LCD觸摸屏做為控制器，TF卡作為相片存儲介質。在為開發板搭建好環境后，編寫主程序，觸屏驅動程序以及數碼相機各種功能的觸發函數，制作操作界面等等。最后達到了觸屏操作數碼相機實現各種功能。通過實際的測試應用，證明該軟件硬件運行良好，能滿足設計的要求，為嵌入式數碼相機的設計提供了參考。

關鍵詞：嵌入式；數碼相機；移植；S5PV210

中圖分類號：TP332 文獻標識碼：A

The Design and Realization for the Embedded Digital Camera

HU Xiang-juan1， YANG Yi2 ，ZENG Xian-dong1

（1. Department of Information Engineering，Shaoyang Univerity，Hunan Prov.，Shaoyang，Hunan 422000，China；

2.No.5 Middle School of Shaoyang，Hunan Prov.， Shaoyang，Hunan 422000，China）

Abstract：The design and realization for the embedded digital camera based on Linux was introduced in this paper. This design is using Linux system kernel. The whole system hardware including： S5PV210 development board as a tester lord， TFT-LCD touch screen button as a controller，use TF card as a picture storage media. The Software design is more complex. First build a good environment for the development board， write the main program. Then write the program for the touch screen driver and the trigger function for various functions of the digital camera. Last complete the user interface. The touch screen of system can be operation this digital camera， and realize the various functions. System operation is reliable in practical application， and satisfied demand of system design. It affords a reference for Embedded digital camera.

Key words：embedded；digital camera；transplantation； S5PV210

1 引 言

數碼相機，英文名“Digital Camera”，是現在通信、計算機產業、照相機產業高速發展的產物。隨著電信、計算機的普及和家庭化，數碼相機作為計算機的圖像輸入設備，不僅能采集靜止圖像，而且能采集視頻圖像和音頻信號，便于計算機存儲和處理，容易實現網絡傳輸，其應用領域日益廣泛。

新款數碼相機不斷推出新的概念，一是它代表了一種全新的生活方式；二是數碼相機本身就是一種區別于傳統相機的新事物；三是數碼相機有著其前瞻性、時尚性特點；四是它存在的基礎就是最新的科技技術。

本論文針對基于Linux的嵌入式數碼相機的設計和實現進行了研究，設計主要任務是要實現數碼相機的基本功能，即對采集圖像的實時顯示、瀏覽控制、存儲等。同時為嵌入式數碼相機的設計提供了參考。

2 嵌入式系統與數碼相機

嵌入式系統及其技術是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術等先進技術應用于具體設備產品的關鍵系統和技術[1]。在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后 PC 時代，嵌入式系統已經滲透到各領域[2]。隨著芯片技術的快速發展，嵌入式系統的性能逐步提高，功能也越來越豐富。嵌入式系統在眾多領域的應用給我們的生活帶來了便利，并且對人們的生活方式的改變和生活質量的提高具有重要的影響。在這些領域中，消費電子產品的應用具有更為廣泛的潛力，尤其是便攜式消費電子產品。

數碼相機，是現在通信、計算機產業、照相機產業高速發展的產物。其工作原理[1]是以電子存儲設備作為攝像記錄載體，通過光學鏡頭在光圈和快門的控制下，實現在電子存儲設備上的曝光，完成被攝影像的記錄。數碼相機是由鏡頭、CCD/CMOS光電傳感器、ADC模數轉換器、MPU（微處理器）、內置存儲器、LCD顯示器、SD CARD可移動存儲器以及相應的接口等部分組成[3]。

數碼相機是集光學、機械、電子一體化的產品。它集成了影像信息的轉換、存儲和傳輸等部件，具有數字化存取模式，與電腦交互處理和實時拍攝等特點。光線通過鏡頭或者鏡頭組進入相機，通過成像元件轉化為數字信號，數字信號通過影像運算芯片儲存在存儲設備中。

第一代數碼相機在上世紀八十年代問世，以數字攝像頭的形式出現，功能簡單但構造復雜。經過三十多年的發展，數碼相機已經在各個領域以各種形式出現，功能強大且集成度高。而且數碼相機無論在外觀、架構、尺寸、功能、性能等各方面都發生了巨大的變化，主要經歷了PCB、DSP、SOC等3個不同的系統構成。隨著SOC概念的推廣和設計的不斷成熟，基于SOC芯片的數碼相機系統已成為市場的主流[4，5，6，7]。

3 基于Linux的數碼相機的設計

基于嵌入式的數碼設計方案以ARM如s5pv210、Intel xscale等強大的嵌入式CPU為架構，速度在800M-1GHZ。嵌入WINCE、Linux等操作系統，能實現多媒體的編解碼。嵌入式微處理器具備設計數碼相機所要求的基本硬件部分，并給出底層開發代碼。使系統在功能上和穩定性能上都優于其他方案。

基于Linux的數碼相機設計的任務是要求實現數碼相機的拍照及照片瀏覽、相片保存等功能，在拍照過程中LCD液晶屏可實時顯示攝像頭采集到的圖像，并可對攝像界面進行放大、縮小，在檢測到“拍照”按鈕按下后可獲取照片并進行保存，還可以對獲取到的相片進行瀏覽。相片保存至TF卡，可獨立于數碼相機連接至PC機進行相片讀取、瀏覽。

設計分為兩大部分，即軟件部分和硬件部分。其中軟件部分包含經過ARM編譯的可執行程序，觸屏操作的源代碼，以及linux操作系統，Bootloader，內核，根文件，arm-linux-gcc交叉編譯工具鏈，Windows自帶的超級終端，燒錄工具軟件等。

硬件部分包括S5PV210開發板，攝像頭，LCD觸摸屏，串口線，并口線，直流電源，PC機，TF卡等。

4 硬件接口配置

圖1為數碼相機的硬件模塊框圖，采用TFT-LCD作為主控制器，S5PV210開發板作為處理器，通過觸摸屏進行照相控制、圖像縮放控制、相片瀏覽等，LCD液晶屏進行主體顯示，以TF卡作為圖片存儲介質。

在設計的前期，要使用到串口并口進行Bootloader，kernel，root的燒寫。網絡模塊用來掛載特制的根文件系統，這樣可以方便程序的調試。USB接口用來連接PC機或掛載U盤實現數據交換及系統調試。系統測試時，保證TFT-LCD接到開發板上，將USB轉接線線接到電腦USB接口上，U盤插到開發板上，接好揚聲器和電源。然后通過電腦的超級終端進行程序激活，程序啟動成功后就可進行觸屏操作了。硬件接口配置如圖2所示。

5 軟件模塊

數碼相機軟件部分按照模塊化程序設計，主函數通過調用子函數實現系統功能，主要完成TFT-LCD屏、MPEG4解碼器、TV編碼器、DAC、UFAT文件系統的初始化及SD卡掛載、中斷使能等工作。等待接收命令并做處理。

軟件模塊主要分為以下幾部分：

1） Bootloader與kernel的配置

2） 配置編譯u-boot和內核

3） 制作根文件系統

4） 燒錄鏡像文件

5） 安裝交叉編譯編譯工具鏈

6） 程序移植

7） 編寫主程序和功能子程序

8） 設計功能界面

數碼相機的功能界面是通過QT這個圖形開發工具實現的[8]，可實現實時顯示、拍照和照片瀏覽等功能，不同界面可互相更換。拍照操作界面和相片瀏覽界面分別見圖3和圖4。

圖3所示拍照操作界面設置了“放大、縮小”按鈕可以改變采集到的圖像界面的大小，按下“拍照”按鈕可以對實時顯示到的圖片進行照相形成相片，并自動保存到TF卡中。圖4所示相片瀏覽界面可以顯示當前已拍攝相片的總張數及所顯示相片的序號數，設置按鈕實現對相片進行上一張、下一張瀏覽及刪除的操作。不同界面可通過“返回”按鈕進行切換。

6 多媒體數碼相機運行結果

完成多媒體數碼相機的軟硬件兩部分設計，成功移植[9]后，就可以通過觸屏進行相機的控制。通過實際的測試應用，該軟件硬件運行良好，能滿足設計的要求。其實現的功能總結如下：

1）將取景實時顯示在LCD液晶屏上

2）對取景界面的大小進行放大、縮小控制

3）取景拍照

4）相片瀏覽

5）顯示當前已拍攝相片總指數

6）實現相片上一張、下一張瀏覽及刪除的操作

7）觸屏操作數碼相機，實現對各種功能的控制和操作

8）TF卡保存拍攝相片

7 結 語

嵌入式系統是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式數碼相機是嵌入式系統技術的一個典型應用。

本設計屬于近年新興的嵌入式數碼相機領域課題。以ARM9處理器為核心建立嵌入式系統，擴展其功能，完成硬件的定制，程序的設計和移植，并通過多次的調試與完善以測試基本功能，進而編寫基于TFT-LCD的嵌入式人機交互操作界面。

本文作者創新點：①設計是基于S5PV210的嵌入式系統，并且完成了程序移植，實現了圖形化操作；②具有液晶顯示及觸屏控制功能，用當前非常流行的觸摸屏技術來取代相機的傳統按鈕操作；（3）采用TF卡作為相片存儲介質，使得拍攝相片可獨立于相機轉移到PC機或TV機上顯示。

而基于嵌入式linux的數碼相機的設計與實現還有待完善和發展，還可以增加其他功能，如提高相片像素，提高遠景拍攝效果，進行圖像增強，增加攝像功能、定時拍照功能及聲控功能，還可增加MP3/MP4、GPS導航功能[10，11]、游戲功能等等，真正實現多功能智能數碼相機。

參考文獻

[1] 侯雨石，陳永飛，何玉青，等.數碼相機原理與系統設計研究[J]，光學技術，2002，28（5）：452-456.

[2] 李年攸.基于Linux的多媒體播放器的軟件設計與實現[J].三明學院學報，2009，26（4）：391-395.

[3] 梁明亮，張惠敏，徐冰.基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的接口設計[J].計算機測量與控制， 2011， 19（3）： 691-693，718.

[4] Texas Instruments.Incorporated.TMS320DM365 Digital Media System-on-Chip（DMSoC）[M].Apr.2010

[5] Les Wilson，Jeff Critten. 數碼相機的DSP SoC設計方法[J].電子設計應用， 2003， （12）

[6] 王學軍，項敏. 一種數碼相機解決方案--高性能單芯片系統TMS320DSC21[J].廣東自動化與信息工程， 2004， 25（1）：20-26.

[7] 蔡金，嵌入式高清工業相機研究與實現[D].杭州：浙江大學碩士畢業論文.

[8] 劉玉萍.Mplayer的嵌入式移植[J].西南民族大學計算機科學與技術學院，2011， 20（1）： 106-109.

[9] 陳敬， 向偉.基于嵌入式Linux的QT/Embedded移植與應用開發[J].電腦與信息技術， 2013， 21（1）：57-59.

[10]張慧敏.嵌入式 GPS 定位系統的設計與實現[D].重慶：重慶大學碩士學位論文.

[11]張之剛.結合GPS功能的安全數碼相機的研究及仿真系統實現[D].重慶：重慶大學碩士學位論文.

第一代數碼相機在上世紀八十年代問世，以數字攝像頭的形式出現，功能簡單但構造復雜。經過三十多年的發展，數碼相機已經在各個領域以各種形式出現，功能強大且集成度高。而且數碼相機無論在外觀、架構、尺寸、功能、性能等各方面都發生了巨大的變化，主要經歷了PCB、DSP、SOC等3個不同的系統構成。隨著SOC概念的推廣和設計的不斷成熟，基于SOC芯片的數碼相機系統已成為市場的主流[4，5，6，7]。

3 基于Linux的數碼相機的設計

基于嵌入式的數碼設計方案以ARM如s5pv210、Intel xscale等強大的嵌入式CPU為架構，速度在800M-1GHZ。嵌入WINCE、Linux等操作系統，能實現多媒體的編解碼。嵌入式微處理器具備設計數碼相機所要求的基本硬件部分，并給出底層開發代碼。使系統在功能上和穩定性能上都優于其他方案。

基于Linux的數碼相機設計的任務是要求實現數碼相機的拍照及照片瀏覽、相片保存等功能，在拍照過程中LCD液晶屏可實時顯示攝像頭采集到的圖像，并可對攝像界面進行放大、縮小，在檢測到“拍照”按鈕按下后可獲取照片并進行保存，還可以對獲取到的相片進行瀏覽。相片保存至TF卡，可獨立于數碼相機連接至PC機進行相片讀取、瀏覽。

設計分為兩大部分，即軟件部分和硬件部分。其中軟件部分包含經過ARM編譯的可執行程序，觸屏操作的源代碼，以及linux操作系統，Bootloader，內核，根文件，arm-linux-gcc交叉編譯工具鏈，Windows自帶的超級終端，燒錄工具軟件等。

硬件部分包括S5PV210開發板，攝像頭，LCD觸摸屏，串口線，并口線，直流電源，PC機，TF卡等。

4 硬件接口配置

圖1為數碼相機的硬件模塊框圖，采用TFT-LCD作為主控制器，S5PV210開發板作為處理器，通過觸摸屏進行照相控制、圖像縮放控制、相片瀏覽等，LCD液晶屏進行主體顯示，以TF卡作為圖片存儲介質。

在設計的前期，要使用到串口并口進行Bootloader，kernel，root的燒寫。網絡模塊用來掛載特制的根文件系統，這樣可以方便程序的調試。USB接口用來連接PC機或掛載U盤實現數據交換及系統調試。系統測試時，保證TFT-LCD接到開發板上，將USB轉接線線接到電腦USB接口上，U盤插到開發板上，接好揚聲器和電源。然后通過電腦的超級終端進行程序激活，程序啟動成功后就可進行觸屏操作了。硬件接口配置如圖2所示。

5 軟件模塊

數碼相機軟件部分按照模塊化程序設計，主函數通過調用子函數實現系統功能，主要完成TFT-LCD屏、MPEG4解碼器、TV編碼器、DAC、UFAT文件系統的初始化及SD卡掛載、中斷使能等工作。等待接收命令并做處理。

軟件模塊主要分為以下幾部分：

1） Bootloader與kernel的配置

2） 配置編譯u-boot和內核

3） 制作根文件系統

4） 燒錄鏡像文件

5） 安裝交叉編譯編譯工具鏈

6） 程序移植

7） 編寫主程序和功能子程序

8） 設計功能界面

數碼相機的功能界面是通過QT這個圖形開發工具實現的[8]，可實現實時顯示、拍照和照片瀏覽等功能，不同界面可互相更換。拍照操作界面和相片瀏覽界面分別見圖3和圖4。

圖3所示拍照操作界面設置了“放大、縮小”按鈕可以改變采集到的圖像界面的大小，按下“拍照”按鈕可以對實時顯示到的圖片進行照相形成相片，并自動保存到TF卡中。圖4所示相片瀏覽界面可以顯示當前已拍攝相片的總張數及所顯示相片的序號數，設置按鈕實現對相片進行上一張、下一張瀏覽及刪除的操作。不同界面可通過“返回”按鈕進行切換。

6 多媒體數碼相機運行結果

完成多媒體數碼相機的軟硬件兩部分設計，成功移植[9]后，就可以通過觸屏進行相機的控制。通過實際的測試應用，該軟件硬件運行良好，能滿足設計的要求。其實現的功能總結如下：

1）將取景實時顯示在LCD液晶屏上

2）對取景界面的大小進行放大、縮小控制

3）取景拍照

4）相片瀏覽

5）顯示當前已拍攝相片總指數

6）實現相片上一張、下一張瀏覽及刪除的操作

7）觸屏操作數碼相機，實現對各種功能的控制和操作

8）TF卡保存拍攝相片

7 結 語

嵌入式系統是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式數碼相機是嵌入式系統技術的一個典型應用。

本設計屬于近年新興的嵌入式數碼相機領域課題。以ARM9處理器為核心建立嵌入式系統，擴展其功能，完成硬件的定制，程序的設計和移植，并通過多次的調試與完善以測試基本功能，進而編寫基于TFT-LCD的嵌入式人機交互操作界面。

本文作者創新點：①設計是基于S5PV210的嵌入式系統，并且完成了程序移植，實現了圖形化操作；②具有液晶顯示及觸屏控制功能，用當前非常流行的觸摸屏技術來取代相機的傳統按鈕操作；（3）采用TF卡作為相片存儲介質，使得拍攝相片可獨立于相機轉移到PC機或TV機上顯示。

而基于嵌入式linux的數碼相機的設計與實現還有待完善和發展，還可以增加其他功能，如提高相片像素，提高遠景拍攝效果，進行圖像增強，增加攝像功能、定時拍照功能及聲控功能，還可增加MP3/MP4、GPS導航功能[10，11]、游戲功能等等，真正實現多功能智能數碼相機。

參考文獻

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第一代數碼相機在上世紀八十年代問世，以數字攝像頭的形式出現，功能簡單但構造復雜。經過三十多年的發展，數碼相機已經在各個領域以各種形式出現，功能強大且集成度高。而且數碼相機無論在外觀、架構、尺寸、功能、性能等各方面都發生了巨大的變化，主要經歷了PCB、DSP、SOC等3個不同的系統構成。隨著SOC概念的推廣和設計的不斷成熟，基于SOC芯片的數碼相機系統已成為市場的主流[4，5，6，7]。

3 基于Linux的數碼相機的設計

基于嵌入式的數碼設計方案以ARM如s5pv210、Intel xscale等強大的嵌入式CPU為架構，速度在800M-1GHZ。嵌入WINCE、Linux等操作系統，能實現多媒體的編解碼。嵌入式微處理器具備設計數碼相機所要求的基本硬件部分，并給出底層開發代碼。使系統在功能上和穩定性能上都優于其他方案。

基于Linux的數碼相機設計的任務是要求實現數碼相機的拍照及照片瀏覽、相片保存等功能，在拍照過程中LCD液晶屏可實時顯示攝像頭采集到的圖像，并可對攝像界面進行放大、縮小，在檢測到“拍照”按鈕按下后可獲取照片并進行保存，還可以對獲取到的相片進行瀏覽。相片保存至TF卡，可獨立于數碼相機連接至PC機進行相片讀取、瀏覽。

設計分為兩大部分，即軟件部分和硬件部分。其中軟件部分包含經過ARM編譯的可執行程序，觸屏操作的源代碼，以及linux操作系統，Bootloader，內核，根文件，arm-linux-gcc交叉編譯工具鏈，Windows自帶的超級終端，燒錄工具軟件等。

硬件部分包括S5PV210開發板，攝像頭，LCD觸摸屏，串口線，并口線，直流電源，PC機，TF卡等。

4 硬件接口配置

圖1為數碼相機的硬件模塊框圖，采用TFT-LCD作為主控制器，S5PV210開發板作為處理器，通過觸摸屏進行照相控制、圖像縮放控制、相片瀏覽等，LCD液晶屏進行主體顯示，以TF卡作為圖片存儲介質。

在設計的前期，要使用到串口并口進行Bootloader，kernel，root的燒寫。網絡模塊用來掛載特制的根文件系統，這樣可以方便程序的調試。USB接口用來連接PC機或掛載U盤實現數據交換及系統調試。系統測試時，保證TFT-LCD接到開發板上，將USB轉接線線接到電腦USB接口上，U盤插到開發板上，接好揚聲器和電源。然后通過電腦的超級終端進行程序激活，程序啟動成功后就可進行觸屏操作了。硬件接口配置如圖2所示。

5 軟件模塊

數碼相機軟件部分按照模塊化程序設計，主函數通過調用子函數實現系統功能，主要完成TFT-LCD屏、MPEG4解碼器、TV編碼器、DAC、UFAT文件系統的初始化及SD卡掛載、中斷使能等工作。等待接收命令并做處理。

軟件模塊主要分為以下幾部分：

1） Bootloader與kernel的配置

2） 配置編譯u-boot和內核

3） 制作根文件系統

4） 燒錄鏡像文件

5） 安裝交叉編譯編譯工具鏈

6） 程序移植

7） 編寫主程序和功能子程序

8） 設計功能界面

數碼相機的功能界面是通過QT這個圖形開發工具實現的[8]，可實現實時顯示、拍照和照片瀏覽等功能，不同界面可互相更換。拍照操作界面和相片瀏覽界面分別見圖3和圖4。

圖3所示拍照操作界面設置了“放大、縮小”按鈕可以改變采集到的圖像界面的大小，按下“拍照”按鈕可以對實時顯示到的圖片進行照相形成相片，并自動保存到TF卡中。圖4所示相片瀏覽界面可以顯示當前已拍攝相片的總張數及所顯示相片的序號數，設置按鈕實現對相片進行上一張、下一張瀏覽及刪除的操作。不同界面可通過“返回”按鈕進行切換。

6 多媒體數碼相機運行結果

完成多媒體數碼相機的軟硬件兩部分設計，成功移植[9]后，就可以通過觸屏進行相機的控制。通過實際的測試應用，該軟件硬件運行良好，能滿足設計的要求。其實現的功能總結如下：

1）將取景實時顯示在LCD液晶屏上

2）對取景界面的大小進行放大、縮小控制

3）取景拍照

4）相片瀏覽

5）顯示當前已拍攝相片總指數

6）實現相片上一張、下一張瀏覽及刪除的操作

7）觸屏操作數碼相機，實現對各種功能的控制和操作

8）TF卡保存拍攝相片

7 結 語

嵌入式系統是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式數碼相機是嵌入式系統技術的一個典型應用。

本設計屬于近年新興的嵌入式數碼相機領域課題。以ARM9處理器為核心建立嵌入式系統，擴展其功能，完成硬件的定制，程序的設計和移植，并通過多次的調試與完善以測試基本功能，進而編寫基于TFT-LCD的嵌入式人機交互操作界面。

本文作者創新點：①設計是基于S5PV210的嵌入式系統，并且完成了程序移植，實現了圖形化操作；②具有液晶顯示及觸屏控制功能，用當前非常流行的觸摸屏技術來取代相機的傳統按鈕操作；（3）采用TF卡作為相片存儲介質，使得拍攝相片可獨立于相機轉移到PC機或TV機上顯示。

而基于嵌入式linux的數碼相機的設計與實現還有待完善和發展，還可以增加其他功能，如提高相片像素，提高遠景拍攝效果，進行圖像增強，增加攝像功能、定時拍照功能及聲控功能，還可增加MP3/MP4、GPS導航功能[10，11]、游戲功能等等，真正實現多功能智能數碼相機。

參考文獻

[1] 侯雨石，陳永飛，何玉青，等.數碼相機原理與系統設計研究[J]，光學技術，2002，28（5）：452-456.

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[3] 梁明亮，張惠敏，徐冰.基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的接口設計[J].計算機測量與控制， 2011， 19（3）： 691-693，718.

[4] Texas Instruments.Incorporated.TMS320DM365 Digital Media System-on-Chip（DMSoC）[M].Apr.2010

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[7] 蔡金，嵌入式高清工業相機研究與實現[D].杭州：浙江大學碩士畢業論文.

[8] 劉玉萍.Mplayer的嵌入式移植[J].西南民族大學計算機科學與技術學院，2011， 20（1）： 106-109.

[9] 陳敬， 向偉.基于嵌入式Linux的QT/Embedded移植與應用開發[J].電腦與信息技術， 2013， 21（1）：57-59.

[10]張慧敏.嵌入式 GPS 定位系統的設計與實現[D].重慶：重慶大學碩士學位論文.

[11]張之剛.結合GPS功能的安全數碼相機的研究及仿真系統實現[D].重慶：重慶大學碩士學位論文.