嵌入式图像采集系统的设计与实现﹡

李鹏飞

（贵州大学 计算机科学与信息学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

嵌入式图像技术已经成为当前电子产品研发领域的热点，并已应用于智能交通、网络通信、计算机视觉等领域[1]。传统的基于PC的图像采集设备，成本高而且体积大，因而限制了它在便携设备、移动通信等领域的应用。开发小型化、低功耗、速度快的图像采集系统具有很好的工程应用前景。该系统采用三星公司基于ARM9的S3C2440[2]搭建硬件平台，采用高速率的 USB摄像头，在 ARM-Linux的操作系统上实现数字图像数据的采集与显示。

1 系统硬件结构设计

硬件系统设计是以一款基于 ARM920T内核的嵌入式微处理器S3C2440为核心，通过外扩存储器（Flash/SDRAM）、图像输入模块，上位机通信模块，LCD显示模块等来构建硬件平台，如图1所示。

图1 系统硬件结构

1）S3C2440微处理器：S3C2440是韩国三星公司生产的16/32位 RISC嵌入式微处理器。该芯片处理速度快、功耗极低，与其他 ARM 芯片相比，具有丰富的片内外围接口。其内部集成LCD显示控制器以及FLASh控制器，硬件搭建较简易。

2）外部存储器：S3C2440支持从NAND FLASH启动，NAND FLASH具有容量大、比NOR FLASH价格低等特点。本设计采用一片K9F1208作为NAND FLASH存储器系统，容量大小为 64MB，用来存放操作系统、应用程序和其他数据；采用一片HY57V561620CT作为SDRAM，容量大小为 32 MB。

3）图像输入模块：采用 USB接口的宇宙通QC301摄像头作为图像采集系统的输入设备。USB端口可以满足即插即用的要求，传输速度快。

4）上位机通信模块：上位机采用普通常用 PC机（CPU主频1.7 GHz，内存512M）,通过RS232接口与开发平台完成数据通信，进行程序的输入与调试，以便及时对系统进行优化和更新。

5）LCD显示模块：模块采用三星4.3英寸液晶屏LTV350QV-F05，它是256色、分辨率为 480×272的TFT液晶屏，带触摸屏。具有轻薄、体积小、耗电量低、无辐射及映像稳定不闪烁等特点。

2 系统软件模块设计

2.1 操作系统的移植

硬件环境确定以后，首先，要为 linux设计一个BootLoader[3]，通过BootLoader来初始化硬件，引导linux运行。Bootloader设计可以在ads中实现。然后，针对硬件环境，和设计的BootLoader修改linux内核。接下来，在Linux操作系统下建立编译linux的交叉编译环境。最后，配置、编译、连接linux，下载编译得到的映像文件到Flash，通过BootLoader来启动linux。

2.2 USB数码摄像头的驱动

在Linux下，设备驱动程序可以看成Linux内核与外部设备之间的接口。V4L是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数[4]。在系统平台上对 USB口数码摄像头驱动，首先下载相应的内核补丁，解压安装之后，进入内核配置选项，加载驱动，重新编译内核，使驱动以静态编译的方式被加载到内核中。(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设备驱动模块

LCD显示采用framebuffer技术，它是图形界面显示的接口[5]。Linux内核根据硬件描述抽象出framebuffer设备，用户态的进程能够直接写屏。将Frame buffer映射到进程地址空间之后，就可以直接进行数据的读写操作，写操作可以反应在显示设备上。此系统中framebuffer的设备文件是/dev /fb0。帧缓冲设备驱动程序主要基于两个文件：①Linux/include/linux/fb.h；②linux/drivers/video/fbmem.c。由于其为字符设备，所以采用“文件层——驱动层”的接口方式。帧缓冲设备驱动层接口直接对LCD硬件操作，而fbmem.c能记录并管理数个底层设备驱动。

2.4 应用程序的设计

设计采用的图像采集系统软件部分主要包括图像获取模块、图像处理模块、图像显示模块[6]。系统软件结构如图2。

图2 嵌入式图像采集系统结构图

首先，打开摄像头设备，获取操作摄像头设备的文件描述符，进而获取其一系列设备参数信息，将信息从内核空间拷贝到用户程序空间，在用户空间修改数据信息。由于通常最快的磁盘访问还是比最慢的内存访问要慢，所以系统采用内存映射的方式截取图像，加快I/O访问速度。用函数vd->map=mmap(0,vd-> mbuf.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED, vd->fd,0)将摄像头相应的设备文件映射到内存区，在映射内存区进行数据的读写。

其次，本设计摄像头采集的是JPEG图片格式，由于LCD只能显示RGB格式的图像数据，所以要将采集到的数据进行解码转换成RGB格式。libjpeg是一个被广泛使用的JPEG压缩/解压缩函数库，它能够读写 JPEG图像文件，因此颜色空间转换、降采样/增采样、颜色量化之类的工作由 libjpeg库完成。系统所用的 Framebuffer设备的颜色深度为16位，采用5-6-5的颜色格式——即R（红色）在16bit中为高5位，G（绿色）在16 bit中为中间6位，B（蓝色）在16 bit中取低5位； libjpeg解压出来的图像数据为24位RGB格式，所以必须进行数据转换。对于24位的RGB，一个字节表示一种颜色分量，将其转换为RGB565的方法为：对于R字节，右移3位，对于G字节，右移2位，对于B字节，右移3位，然后将所有右移所得到的值拼接起来，就能够得到16位的颜色值[7]。

最后，操作LCD设备，获取显示设备文件描述符，得到framebuffer固定信息，如图形硬件上实际的帧缓存空间大小、硬件是否能够加速等信息。得到FrameBuffer屏幕变化的信息，主要是Framebuffer的长度、宽度以及颜色深度等。然后将 framebuffer映射到内存中，通过数据填充函数将之前通过数据处理获得的RGB565颜色值写到framebuffer中，这样就可以在LCD显示设备上看到采集到的图像[8]。图像采集的具体实现流程如图3。

图3 图像采集流程

3 系统运行测试

实验中设定系统向驱动申请4个帧缓冲进行循环队列采集，实验设置采集到的图像为30帧。在实验室条件下，将系统串口线与 PC机连接，配置好超级终端，实现系统与PC机在windows下的通信，在 Linux下进入要存放程序的目录/tmp，将图像采集系统程序通过点击超级终端菜单中的“发送文件”将图像采集系统程序传送至 tmp目录下，用命令chmod 777 caiji改变文件权限，使文件可执行。最后执行程序，采集到的图像如图4示。

图4 实验结果

实验结果表明：本系统可以实现图像的采集，视频采集实现的效果比较流畅，在光线较暗的情况下，摄像头仍能采集到视频数据，并能够在LCD上显示。较windows下的视频采集效果要相对清晰。

4 结语

设计在基于ARM9处理器s3C2440主要架构硬件平台基础上，实现了嵌入式图像采集系统。该系统体积小、携带方便，有着广阔的应用前景。下一阶段的工作可以完善图像采集系统功能，比如图像数据的处理与压缩，人工智能等算法。

[1] 屈执勤,吕杨.基于 ARM Lniux的图像采集与蓝牙传输[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(08):28-30.

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[3] 刘地军,钟宏.基于ARM架构的视频服务器设置[J].信息安全与通信保密,2006(12):97-99.

[4] 张简,孔翠香.嵌入式无线视频小车的设计与实现[J].通信技术,2011,44(11):113-115.

[5] 王培珍,徐俊生.基于ARM9的嵌入式 Linux图像采集系统设计[J].智能控制、检测技术及应用,2007(10):85-88.

[6] 唐六华,唐建明,向红权.嵌入式Linux下OLED显示功能模块实现[J].信息安全与通信保密,2009(06):55-57.

[7] 王海珍,藤艳平.嵌入式 Linux 实时调度算法及应用[J].计算机工程与设计,2010(21):4592-4597.

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