李鵬飛

（貴州大學 計算機科學與信息學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

嵌入式圖像技術已經(jīng)成為當前電子產品研發(fā)領域的熱點，并已應用于智能交通、網(wǎng)絡通信、計算機視覺等領域[1]。傳統(tǒng)的基于PC的圖像采集設備，成本高而且體積大，因而限制了它在便攜設備、移動通信等領域的應用。開發(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，采用高速率的 USB攝像頭，在 ARM-Linux的操作系統(tǒng)上實現(xiàn)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集與顯示。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

硬件系統(tǒng)設計是以一款基于 ARM920T內核的嵌入式微處理器S3C2440為核心，通過外擴存儲器（Flash/SDRAM）、圖像輸入模塊，上位機通信模塊，LCD顯示模塊等來構建硬件平臺，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

1）S3C2440微處理器：S3C2440是韓國三星公司生產的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，具有豐富的片內外圍接口。其內部集成LCD顯示控制器以及FLASh控制器，硬件搭建較簡易。

2）外部存儲器：S3C2440支持從NAND FLASH啟動，NAND FLASH具有容量大、比NOR FLASH價格低等特點。本設計采用一片K9F1208作為NAND FLASH存儲器系統(tǒng)，容量大小為 64MB，用來存放操作系統(tǒng)、應用程序和其他數(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)的輸入設備。USB端口可以滿足即插即用的要求，傳輸速度快。

4）上位機通信模塊：上位機采用普通常用 PC機（CPU主頻1.7 GHz，內存512M）,通過RS232接口與開發(fā)平臺完成數(shù)據(jù)通信，進行程序的輸入與調試，以便及時對系統(tǒng)進行優(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、無輻射及映像穩(wěn)定不閃爍等特點。

2 系統(tǒng)軟件模塊設計

2.1 操作系統(tǒng)的移植

硬件環(huán)境確定以后，首先，要為 linux設計一個BootLoader[3]，通過BootLoader來初始化硬件，引導linux運行。Bootloader設計可以在ads中實現(xiàn)。然后，針對硬件環(huán)境，和設計的BootLoader修改linux內核。接下來，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BootLoader來啟動linux。

2.2 USB數(shù)碼攝像頭的驅動

在Linux下，設備驅動程序可以看成Linux內核與外部設備之間的接口。V4L是Linux中關于視頻設備的內核驅動，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數(shù)[4]。在系統(tǒng)平臺上對 USB口數(shù)碼攝像頭驅動，首先下載相應的內核補丁，解壓安裝之后，進入內核配置選項，加載驅動，重新編譯內核，使驅動以靜態(tài)編譯的方式被加載到內核中。(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設備驅動模塊

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

2.4 應用程序的設計

設計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)軟件結構如圖2。

圖2 嵌入式圖像采集系統(tǒng)結構圖

首先，打開攝像頭設備，獲取操作攝像頭設備的文件描述符，進而獲取其一系列設備參數(shù)信息，將信息從內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訪問還是比最慢的內存訪問要慢，所以系統(tǒng)采用內存映射的方式截取圖像，加快I/O訪問速度。用函數(shù)vd->map=mmap(0,vd-> mbuf.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, vd->fd,0)將攝像頭相應的設備文件映射到內存區(qū)，在映射內存區(qū)進行數(shù)據(jù)的讀寫。

其次，本設計攝像頭采集的是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)進行解碼轉換成RGB格式。libjpeg是一個被廣泛使用的JPEG壓縮/解壓縮函數(shù)庫，它能夠讀寫 JPEG圖像文件，因此顏色空間轉換、降采樣/增采樣、顏色量化之類的工作由 libjpeg庫完成。系統(tǒng)所用的 Framebuffer設備的顏色深度為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（藍色）在16 bit中取低5位； libjpeg解壓出來的圖像數(shù)據(jù)為24位RGB格式，所以必須進行數(shù)據(jù)轉換。對于24位的RGB，一個字節(jié)表示一種顏色分量，將其轉換為RGB565的方法為：對于R字節(jié)，右移3位，對于G字節(jié)，右移2位，對于B字節(jié)，右移3位，然后將所有右移所得到的值拼接起來，就能夠得到16位的顏色值[7]。

最后，操作LCD設備，獲取顯示設備文件描述符，得到framebuffer固定信息，如圖形硬件上實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的長度、寬度以及顏色深度等。然后將 framebuffer映射到內存中，通過數(shù)據(jù)填充函數(shù)將之前通過數(shù)據(jù)處理獲得的RGB565顏色值寫到framebuffer中，這樣就可以在LCD顯示設備上看到采集到的圖像[8]。圖像采集的具體實現(xiàn)流程如圖3。

圖3 圖像采集流程

3 系統(tǒng)運行測試

實驗中設定系統(tǒng)向驅動申請4個幀緩沖進行循環(huán)隊列采集，實驗設置采集到的圖像為30幀。在實驗室條件下，將系統(tǒng)串口線與 PC機連接，配置好超級終端，實現(xiàn)系統(tǒng)與PC機在windows下的通信，在 Linux下進入要存放程序的目錄/tmp，將圖像采集系統(tǒng)程序通過點擊超級終端菜單中的“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 實驗結果

實驗結果表明：本系統(tǒng)可以實現(xiàn)圖像的采集，視頻采集實現(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清晰。

4 結語

設計在基于ARM9處理器s3C2440主要架構硬件平臺基礎上，實現(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。

[1] 屈執(zhí)勤,呂楊.基于 ARM Lniux的圖像采集與藍牙傳輸[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2007(08):28-30.

[2] 陳峰,郭爽,趙欣.基于QT和嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].通信技術,2011,44(10):109-111.

[3] 劉地軍,鐘宏.基于ARM架構的視頻服務器設置[J].信息安全與通信保密,2006(12):97-99.

[4] 張簡,孔翠香.嵌入式無線視頻小車的設計與實現(xiàn)[J].通信技術,2011,44(11):113-115.

[5] 王培珍,徐俊生.基于ARM9的嵌入式 Linux圖像采集系統(tǒng)設計[J].智能控制、檢測技術及應用,2007(10):85-88.

[6] 唐六華,唐建明,向紅權.嵌入式Linux下OLED顯示功能模塊實現(xiàn)[J].信息安全與通信保密,2009(06):55-57.

[7] 王海珍,藤艷平.嵌入式 Linux 實時調度算法及應用[J].計算機工程與設計,2010(21):4592-4597.

[8] 吳繁.基于 ARM嵌入式平臺的目標跟蹤系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢科技大學,2009.