周建萍，劉洪英，2，皮喜田，3，趙亞雄

（1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶400030；2.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術(shù)研究中心 重慶400030；3.新型微納米器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 重慶400030）

便攜式耳鼻喉設(shè)備視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周建萍1，劉洪英1，2，皮喜田1，3，趙亞雄1

（1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶400030；2.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術(shù)研究中心 重慶400030；3.新型微納米器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 重慶400030）

隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中。為了實(shí)現(xiàn)耳鼻喉設(shè)備的小型化與便攜式，本文設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式Linux和S3C6410微處理器的耳鼻喉視頻采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了耳鼻喉圖像的實(shí)時(shí)預(yù)覽、拍照、圖像查看等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)耳鼻喉圖像的采集和保存，圖像質(zhì)量比較清晰，在便攜式耳鼻喉設(shè)備領(lǐng)域中，具有一定的使用價(jià)值。該系統(tǒng)在基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)和普通家庭中具有一定的推廣意義。

耳鼻喉；嵌入式；S3C6410；v4l2；視頻采集

耳鼻喉是關(guān)系人體整個(gè)免疫系統(tǒng)的重要器官，其診斷工作非常重要[1]。目前，大部分醫(yī)院都是采用電子內(nèi)窺鏡對(duì)耳鼻喉進(jìn)行診斷和治療，該設(shè)備體積比較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)便攜式[2-3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)醫(yī)療的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備[4]。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[5]?；诖?，文中設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式Linux和S3C6410微處理器的耳鼻喉視頻采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了耳鼻喉設(shè)備的小型化和便攜式，能夠?qū)Χ呛韴D像進(jìn)行采集和保存。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM11芯片S3C6410X-66H作為核心處理器，用于引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)、加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)工作[6]，選取香港微視公司生產(chǎn)的醫(yī)用模擬攝像頭（型號(hào)為MC08A-2）與TVP5150芯片構(gòu)成的視頻解碼模塊相連，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換[7]，視頻解碼模塊通過(guò) Camera接口接入 S3C6410，S3C6410在外圍電路的配合下共同完成耳鼻喉圖像采集工作， 然后通過(guò)群創(chuàng)3.5寸顯示屏LQ035NC111，實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的嵌入式操作系統(tǒng)是Linux-2.6-96，采用Ubuntu12.04作為宿主機(jī)進(jìn)行Linux程序的開發(fā)，所采用的交叉編譯工具鏈?zhǔn)莑inux-arm-gcc 4.2.2，采用QT開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)模擬攝像頭圖像的采集與實(shí)時(shí)預(yù)覽的程序設(shè)計(jì)。

2.1 TVP5150驅(qū)動(dòng)移植

TVP5150與S3C6410芯片是采用IIC方式進(jìn)行通信[8]。在linux內(nèi)核中對(duì)TVP5150驅(qū)動(dòng)程序?qū)M(jìn)行移植后，在配置內(nèi)核時(shí)直接添加TVP5150驅(qū)動(dòng)模塊的支持[9]：

2.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

2.2.1 Qt開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)采用奇趣科技開發(fā)的Qt作為開發(fā)軟件，它不僅支持跨平臺(tái)的C++程序編程、控制臺(tái)應(yīng)用程序的編寫，還支持圖形界面的開發(fā)[10]。隨著Qt被Digia公司收購(gòu)，它的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，如今它可以運(yùn)行在linux、wince、android等多種平臺(tái)上。同時(shí)，Qt Creator作為一個(gè)輕量級(jí)集成開發(fā)環(huán)境，為它提供了具有良好的編程界面，支持跳轉(zhuǎn)和自動(dòng)提示功能，使用十分方便[11-12]。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序整體實(shí)現(xiàn)的功能如圖2所示。打開該系統(tǒng)電源，系統(tǒng)先顯示開機(jī)動(dòng)畫，持續(xù)3秒后進(jìn)入程序主界面，該界面主要包括耳鼻喉檢查、圖片查看、系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)功能菜單選擇。耳鼻喉檢查主要用于耳鼻喉圖像的實(shí)時(shí)預(yù)覽和拍照保存功能的實(shí)現(xiàn)。圖片查看用于圖像的加載、瀏覽、上下翻頁(yè)、放大縮小、刪除等功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置用于時(shí)間和亮度參數(shù)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)。選擇相應(yīng)的功能菜單，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

從圖12中可知，此時(shí)SCLK的高電平持續(xù)時(shí)間為500 ns，時(shí)鐘周期為12.4 μs，時(shí)鐘頻率為80.65 kHz，符合三線串行接口的時(shí)序要求。

圖2 應(yīng)用程序整體的實(shí)現(xiàn)功能

1）視頻采集功能的實(shí)現(xiàn)

V4L2（Video For Linux2）驅(qū)動(dòng)通常用于Linux視頻開發(fā)，它為L(zhǎng)inux系統(tǒng)圖片、視頻、音頻的采集提供了豐富的API接口，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集設(shè)備和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，可以讀取和控制視頻設(shè)備[13-14]。利用V4L2實(shí)現(xiàn)視頻采集的過(guò)程如圖3所示[15]。

圖3 視頻采集程序的流程圖

首先確定攝像頭在Linux系統(tǒng)中的所對(duì)應(yīng)設(shè)備文件 （/dev/video0）后， 調(diào)用 cam_fd=open（"/dev/ video0"，O_RDWR）函數(shù)實(shí)現(xiàn)攝像頭的打開。接著調(diào)用ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap））函數(shù)獲取攝像頭的屬性信息之后，對(duì)攝像頭的數(shù)據(jù)輸出格式進(jìn)行設(shè)置：fb.fmt.width=320；fb.fmt.height= 240；fb.fmt.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB565。初始化設(shè)置完成之后，采用mmap（）內(nèi)存映射方法實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的讀取。首先調(diào)用ioctl（intfd，int request，struct requestbuffers*req）函數(shù)申請(qǐng)緩沖區(qū)，接著通過(guò)ioctl（cam_fd，VIDEOC_QUERYBUF，structv4l2_buffer *buf）函數(shù)查詢分配的V4L2緩沖區(qū)信息，同時(shí)調(diào)用mmap（）函數(shù)設(shè)定內(nèi)存映射起始地址，空間大小等參數(shù)，使用內(nèi)存映射后，應(yīng)用程序可以直接從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)。 然后 通過(guò) ioctl（int fd，int request，strcutv4l2_buffer*buf）函數(shù)將空的視頻緩沖區(qū)投放到視頻緩沖區(qū)隊(duì)列中，從而啟動(dòng)視頻采集，獲取連續(xù)圖像，最后調(diào)用pixmap.loadFromData（buf，320*240*2+66，" bmp"， NULL） 和 painter.drawPixmap （0， 0，fitPixmap）兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)預(yù)覽。

2）圖像拍照功能的實(shí)現(xiàn)

調(diào)用capture_jpg（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像拍照功能，把當(dāng)前圖像保存到S3C6410處理器的SD卡目錄下。在拍照過(guò)程中，需要相應(yīng)的JPEG庫(kù)文件來(lái)支持。

3）圖像查看功能的實(shí)現(xiàn)

① 圖片加載、查看

設(shè)置指定文件夾為S3C6410處理器的SD卡目錄：/media/mmcblk0p1文件夾，對(duì)文件夾進(jìn)行遍歷后獲取圖像信息，將其加載到ListWidget中[16-17]，從而實(shí)現(xiàn)圖片的加載功能；調(diào)用ShowPicture（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖片查看功能。

調(diào)用 ShowPreviousPicture（）和 ShowNextPicture（）兩個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖片的翻頁(yè)功能。

③圖片刪除

將需要監(jiān)視的文件夾路徑添加到QFileSystemWatcher m_watcher中 ， 同 時(shí) 調(diào) 用DeletePicture（）和on_directoryChanged（QString）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖片刪除功能。

④圖片放大縮小

調(diào)用changelabel（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖片放大縮小功能。

3 系統(tǒng)測(cè)試

應(yīng)用程序在宿主機(jī)（PC機(jī)）上運(yùn)行成功后，進(jìn)行交叉編譯生成在S3C6410處理器上能運(yùn)行的可執(zhí)行文件。對(duì)人體模型的喉嚨進(jìn)行圖像采集，采集結(jié)果如圖4所示。從圖中可以清晰地看到喉嚨氣管，由于是用人體模型作為測(cè)試對(duì)象，所以采集到的圖像和真實(shí)的喉嚨圖像還是存在一定的區(qū)別，后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)真實(shí)患者進(jìn)行測(cè)試。總體來(lái)說(shuō)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)耳鼻喉圖像的采集，圖像質(zhì)量比較清晰。

圖4 系統(tǒng)采集到的喉部圖

4 結(jié) 論

文中的系統(tǒng)以S3C6410處理器為核心，利用醫(yī)用模擬攝像頭實(shí)現(xiàn)了耳鼻喉圖像的實(shí)時(shí)采集、保存、圖像查看等功能，解決了耳鼻喉設(shè)備的小型化和便攜式。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、便攜式、體積小、成本低等特點(diǎn)，經(jīng)進(jìn)一步產(chǎn)品化設(shè)計(jì)之后在我國(guó)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)和普通家庭中具有一定的應(yīng)用前景。

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Design of video capture system of portable equipment of otolaryngology

ZHOU Jian-ping1，LIU Hong-ying1，2，PI Xi-tian1，3，ZHAO Ya-xiong1
（1.School of Biological Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2.Chongqing Medical Devices and Electronic Engineering Technology Research Center，Chongqing 400030，China；3.New Key Laboratory of Micro Nano Devices and Systems Technology，Chongqing 400030，China）

With the rapid development of embedded technology，it has been widely used in medical equipment.In order to realize the miniaturization and portable of Ent equipment，This paper designs a video acquisition system based on embedded Linux and S3C6410 microprocessor.It realizes the real time preview of the ear，nose and throat images，taking and saving pictures，image viewing and other functions.The experimental results show that the system can achieve a good image acquisition and preservation，image quality is relatively clear，and has a certain application value in the field of portable otolaryngology equipment.This system has certain promotion significance in the basic medical institutions and ordinary families.

ENT；embedded；S3C6410；v4l2；video capture

TN06

：A

：1674-6236（2017）08-0168-03

2016-06-29稿件編號(hào)：201606225

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（2015BAI01B14&2013BAI03B04）

周建萍（1992—），女，浙江溫州人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用。