基于Linux平臺的圖像采集系統的設計與實現

祝佳磊，于亞鵬

（1.清華大學 計算機科學與技術系，北京100084；2.61541部隊，北京100094）

0 引 言

圖像采集系統［1］作為最為基礎的使用攝像機進行科學研究的應用系統在日常生活中越來越普及。傳統的基于Windows操作系統的圖像采集系統，其技術已相當成熟，使用VS系列編程平臺和OpenCV開發庫［2］，很輕松的就可以研究和設計一個安全可靠的圖像采集系統。在各個研究領域，如軍事作戰圖像采集系統［3］，遠程圖像監控系統［4］、機器人圖像采集系統［5］，航天氣象采集系統［6］等，這些系統都要使用圖像采集系統對相關環境區域進行圖像采集，這些系統的硬件使用高清攝像頭，軟件使用圖像采集系統即可完成圖像的采集，這在Windows操作系統下相當容易，但是由于Windows操作系統和開發圖像采集系統的平臺都是基于外國平臺技術，不能保證國產軟件系統的開發使用的安全性，尤其在某些特殊領域，如航天氣象、遠程監控、海事監測等，急切需要具有我們自主產權的和具有創新獨立性的軟件開發平臺研制我們自己的圖像采集系統，而Linux系統作為一個開放的操作系統具有獨立性、創新性、可擴展性等優點，適合開發獨立的具有創新性的圖像采集系統［7－10］，但由于Linux系統是源碼開放，沒有一個相對統一的技術標準，各個軟件在其上的集成度低，軟件開發性差，這就需要我們運用相關技術在其上開發可應用的圖像采集系統。

1 圖像采集系統的研究發展

在早期的圖像采集系統的研究中，由于硬件大多采用的是裝有CMOS芯片的攝像機，由于CMOS芯片只能采集模擬信號，所以要使用模擬攝像機進行圖像采集系統的研究，還需要額外的對模擬信號進行處理以得到數字信號。在早期的研究中要使用電路芯片自行設計一個圖像采集系統，通常這樣的一個圖像采集系統［11］要用到圖像傳感器、信號處理器、幀存儲體以及LCD顯示器等，其原理是CMOS攝像頭經圖像傳感器感知環境圖像信息的電路信號，由信號處理器處理成數字信號，每一幀的圖像信號都存儲在幀存儲體中，最后這些都通過LCD顯示技術顯示出來。后來隨著計算機技術的發展，采集卡作為圖像采集系統不可缺少的硬件逐漸被應用在圖像采集系統中，利用圖像采集卡可以輕松的將模擬攝像機的圖像信號采集進來進行處理，采集卡的軟件界面也很輕松的應用在圖像采集系統中，所以利用采集卡和模擬攝像機可輕松的完成圖像采集系統的設計，模擬攝像機的圖像采集技術成熟易實現，但圖像采集的速度慢、抗干擾能力差，由于噪聲多造成采集的圖像不清晰，操作不方便，由于這些缺點這種技術已漸漸的被淘汰。

后來隨著攝像機技術的發展研制了數字攝像機，它采用USB接口、千兆網接口以及已經用于高速數字攝像機的CamLink接口等，采集圖像信息成數字信號，直接進入計算機，這樣不僅簡化了系統工作，還由于其相對抗干擾能力強而采集的圖像清晰，適用性強，隨著系統高集成化和模塊化的高速發展，真正意義上應用數字攝像機的圖像采集系統［12］才逐步發展起來，它們方便易用，通過安裝數字攝像機本身的軟件系統就可以實現圖像采集系統的平臺界面，人機交互性也很強，但這些數字攝像機都需要合適的驅動程序，才能實現計算機和數字攝像機之間的通訊和數據傳輸，這些技術都是基于外國的軟件技術，既不符合我們獨立創新開發一個軟件系統的要求，也不符合在一些保密性強、可擴展性的特殊環境下設計軟件系統的要求，因此，需要開發基于Linux平臺，更具有擴展功能強、安全可靠等優點的自主圖像采集系統。

2 圖像采集系統的實現

基于Linux系統的圖像采集系統一般由攝像機模塊、云臺控制模塊、攝像機控制模塊、圖像采集模塊和視頻處理模塊等5個模塊組成，系統使用云臺控制模塊控制云臺的轉動來帶動攝像機的轉動，使用攝像機控制模塊控制攝像機進行圖像采集，如圖1顯示的圖像采集系統的工作模型。

圖1 圖像采集系統工作模型

2.1 硬件系統

圖像采集系統離不開硬件系統的設計［13］，我們試驗用的硬件系統如云臺和攝像機選用的都是精心挑選的高端PTU云臺和攝像機，PTU云臺通過串口方式傳輸控制信號，具有轉速高、可變速的優點，非常適用于承載高清攝像機，攝像機我們選用高清晰的CCD數碼攝像機，選用了具有可數碼調焦，數碼調整光圈的高性能鏡頭。云臺安裝在實驗平臺上，攝像機安裝在云臺上，共同組成圖像采集系統的硬件系統，在系統不工作的時候硬件系統是處于倒伏狀態的，工作的時候需要使用軟件系統對硬件升起并進行初始化，使其在正常的工作模式下工作。

2.2 軟件系統

圖像采集系統的軟件平臺是基于Fedora 12的操作系統和Code：：Blocks平臺，Code：：Blocks是一個開放的全功能的跨平臺C/C＋＋集成開發環境，再加上一個開源的可跨平臺的C語言庫wxWidgets，足以滿足基于Linux操作系統的圖像采集系統的軟件編程需要。

Linux操作系統自帶GNU C編譯器和GCC編譯器，可對簡單的程序進行編譯，但是一個好的軟件系統首先要有一個好的軟件界面，這個界面要滿足人機交互的各個需要，另外要具有可操作性、實用性等特性，設計出來的系統也要具有多功能化和易擴展性等特點。在Windows操作系統下我們可以選用VS系列編程工具，現在最新的為VS2010編程工具，在其上可以應用OpenCV庫對圖像采集系統進行很好的編譯，但在Linux系統下卻沒有一個很好的集成的編程系統，好多工作我們只能用C語言進行最基本的編程，這無疑增加了編程的難度和系統設計的難度，所以我們這里使用Code：：Blocks開發環境和wxWidgets庫對圖像采集系統進行編程，圖2是我們設計的圖像采集系統的軟件界面，在該軟件界面上我們不僅可以方便的讀取當前云臺和攝像機的工作參數，而且還可以很方便的對云臺和攝像機的各項工作參數進行調節，從而控制云臺和攝像機。

圖2 圖像采集系統軟件界面

在圖2的圖像采集界面中，共有四大功能區，包括云臺和攝像機功能控制區、云臺的水平和俯仰角度顯示區、攝像機當前拍攝圖像顯示區、攝像機全景圖合成圖像顯示區。圖2中第Ⅰ部分是全景圖合成圖像顯示區，它是攝像機拍攝周圍環境幾幅圖的合成圖，反映了當前攝像機拍攝和上下文攝像機拍攝的關系，第Ⅱ部分是攝像機當前拍攝周圍自然環境的圖像顯示區，它直接顯示了當前攝像機的工作狀態和采集到的圖像，第Ⅲ部分是云臺的水平和俯仰角度顯示區，其中周圍表盤0°－360°的范圍角顯示的是云臺的水平角度，紅色指針指示的當前角度為當前云臺的水平角，中間的上下刻度表顯示的是云臺的俯仰角度，黑色指針指示的當前角度為當前云臺的俯仰角度，它直接顯示了當前云臺的工作狀態和所處的位置，第Ⅳ部分是云臺和攝像機功能控制平臺，在這里我們可以完成對云臺的轉動和攝像機的變焦、光圈調節等一系列的操作。

圖2中的前3個部分都是顯示區，它們的功能主要是顯示攝像機當前的工作狀態和當前采集到的圖像，還有當前云臺的工作狀態和各項參數等，都沒有具體的操作，而第Ⅳ部分是圖像采集系統的主操作區，也是圖像采集系統最重要的區域，我們在這里可以完成對云臺和攝像機的各項操作，通過這些操作我們可以控制云臺的轉動和攝像機的各項功能。第Ⅳ部分的前三行是關于云臺操作的，由于我們要采集的自然環境圖像不僅僅是剛好在我們的圖像采集系統的正前方，這時我們就要轉動云臺來帶動攝像機從而改變攝像機的位置，最終使我們要采集的圖像正好在攝像機的采集范圍內，如果要在水平位置上轉動云臺，則在第一行的 “水平轉角”內輸入要轉動的角度，默認是－180°－180°，正的角度代表順轉，負的角度代表逆轉，在 “水平速度”中輸入數值，默認是每5°一個步進，輸入后點擊第三行的 “水平轉動”，則云臺將根據剛剛設置的角度和步進速度轉動到指定的位置，同理有時我們要在俯仰位置上轉動云臺，則在第二行的 “俯仰轉角”內輸入要轉動的角度，默認是0°－90°，在 “俯仰轉速”內輸入轉動的速度，默認是每5°一個步進，輸入后點擊第三行的 “俯仰轉動”，則云臺將根據剛剛設置的角度和步進速度轉動到指定的位置，通過這兩個操作我們可以轉動云臺從而帶動攝像機轉動到我們需要的任何位置，也就是說我們研制的圖像采集系統具有對周圍360°全景拍攝的功能。在第三行中還有 “轉動停止”和 “水平自動”兩個按鈕，“轉動停止”的功能是隨時要求云臺停下來，以避免在不安全環境下轉動云臺和攝像機造成危險，“水平自動”的主要功能是用于對云臺進行自檢，通過對云臺定期的自檢，可以預先知道云臺的工作狀態和參數，自檢后云臺和攝像機的各項參數會自動復位，到達零點。第四行的 “變倍”、“聚焦”和 “光圈”按鈕是控制攝像機的，主要控制攝像機的焦距、光圈和放大倍數等參數，通過調節這些參數可以保證攝像機在不同的偵查距離上都可以采集到清晰的圖像，第六行則是填寫升降機（云臺臂）、云臺、攝像機三者的端口號，以保證系統在設備端口改變的情況下也可以完成工作，第七行的 “啟動系統”按鈕的功能是系統打開設備端口，對相關系統參數和狀態進行初始化，“關閉系統”則是在系統使用完畢后，用來將系統關閉，同時云臺和攝像機的各項工作參數都將復位到初始狀態。

另外我們還設計了諸如全景圖合成和目標搜索、跟蹤等擴展功能，這些設計都提高了軟件系統的可擴展性，為以后系統的升級打好了基礎，也為以后不同軟件系統之間的融合提供了接口。由于系統程序代碼過于繁雜，在這里我們沒有給出程序代碼的所有展示，在對軟件的界面和系統的整合給出合理的分析和說明后，我們只給出部分軟件程序的相關定義，以區分基于VS系列編程平臺和OpenCV開發庫［14］設計的圖像采集系統程序。

3 系統使用和分析

3.1 實驗過程

圖像采集系統在不工作的時候攝像機和云臺是處于初始狀態的，這時云臺的水平角度和俯仰角度都是0°，在對硬件和軟件平臺進行聯合測試時，我們首先要使用軟件系統將云臺升起來，點動軟件界面上的云臺和攝像機功能控制區上的 “啟動系統”按鈕，升起云臺和攝像機，這是云臺的水平角度仍然是0°，而俯仰角度變為了90°，此時攝像機可以對前面的自然環境進行圖像采集，也可以通過轉動云臺帶動攝像機對周圍環境進行360°的全方位拍攝，系統會記錄下每一幀圖像并最終在全景圖中合成出來，系統工作結束后，點擊軟件界面上的云臺和攝像機功能控制區上的 “關閉系統”按鈕，可以將云臺和攝像機重新放置在工作平臺上。

3.2 實驗結果

實驗結果如圖3所示，其中圖3（a）是攝像機采集的圖像，我們這里只給出了3幀圖像，因為系統可以根據這3幀圖像合成出周圍環境360°的全景圖像，圖3（b）就是經過軟件系統合成的全景圖圖像。

3.3 實驗分析

從上述的結果可以看出，基于Linux系統的圖像采集系統采集圖像清晰，合成圖像完整無丟失，圖像細節處理效果好，充分驗證了系統的可靠性，另外通過系統具體的操作，系統各個軟件功能設置正確，操作方便，驗證了系統的有效性。

圖3 系統實驗結果

4 結束語

基于Linux系統的圖像采集系統優化了Linux系統下的系統工作模型，完成了硬件平臺和軟件平臺的設計和實現，軟件系統集合了云臺和攝像機各項工作參數控制功能，通過對界面上相關參數的調節就可以調節云臺和攝像機的所有工作參數，為用戶提供了簡易的可操作平臺，由于Linux系統的安全性和擴展性，系統可應用在安全性要求高的遠程監控、海事監測等相關領域，系統采集到的圖像清晰并可保存成各種格式，方便調用，相比以往的圖像采集系統更具實時性和操控性，重要的是基于Linux系統上的軟件系統［15］不僅安全可靠并且有良好的可移植性，使得本系統可移植在任何平臺上，例如監控系統、手機終端、電腦終端等系統中，但由于Linux系統的應用普遍不多，造成系統只能在專業領域中使用，另外系統移植在Windows系統下將不再可用，以后的系統功能中可對軟件系統進一步的細化和完善，也可添加更多的功能，使得基于Linux系統的圖像采集系統易升級并且具有更好的可移植性。

［1］LI Yanzhong，ZHANG Xihuang，LI Yan.Design and research of the image capturing system［J］.Control ＆ Automation，2009，25（1）：295－297（in Chinese）.［李彥中，張曦煌，李巖.圖像采集系統的設計與研究 ［J］.微計算機信息，2009，25（1－3）：295－297.］

［2］ZHANG Jinmeng，ZHANG Jinqiu.The image acquisition and processing based on OpenCV ［J］.Software Guide，2010，9（1）：164－165（in Chinese）.［張進猛，張進秋.基于 OpenCV的圖像采集和處理 ［J］.軟件導刊，2010，9（1）：164－165.］

［3］ZHANG Xiaokun，LIN Jiayu.A design of automatic targetscoring system based on image processing technology ［J］.Microprocessors，2010，6（3）：101－107（in Chinese）.［張曉錕，林嘉宇.一種基于圖像處理技術的自動報靶系統設計 ［J］.微處理機，2010，6（3）：101－107.］

［4］ZHONG Feng，LU Yiqin.Embedded remote image monitoring system based on residential gateway［J］.Computer Engineering and Design，2011，32（5）：1626－1629（in Chinese）.［鐘鋒，陸以勤.基于家庭網關的嵌入式遠程圖像監控系統 ［J］.計算機工程與設計，2011，32（5）：1626－1629.］

［5］CHOU Wusheng，YANG Guang，LIU Jia.Software design of digital image capture system for robots under Linux ［J］.Control ＆ Automation，2010，26（9）：1－3（in Chinese）.［丑武勝，楊光，劉佳.Linux下機器人數字化圖像采集系統軟件設計［J］.微計算機信息，2010，26（9）：1－3.］

［6］CHANG Lingying，ZHAO Baochang，YANG Jianfeng.Optical system design of space three－dimensional photographic［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36（3）：539－542（in Chinese）.［常凌穎，趙葆常，楊建峰.用于航天立體攝影測量的光學系統設計 ［J］.光子學報，2007，36（3）：539－542.］

［7］FU Hanyu.The research of image processing based on embedded Linux system ［J］.Computer ＆Communication，2010：66－67（in Chinese）.［洑涵妤.基于嵌入式Linux系統的圖像處理研究 ［J］.信息與電腦，2010：66－67.］

［8］WU Qing，ZHOU Jian.Design and realization of the Image capturing system base on the embedded Linux ［J］.Electronic Measurement Technology，2007，30（6）：89－92（in Chinese）.［吳晴，周健.嵌入式圖像采集系統的設計與實現 ［J］.電子測量技術，2007，30（6）：89－92.］

［9］ZHAO Zhiya，WANG Zeyong.Design of the embedded system framework for image collection ［J］.Computer Systems and Applications，2009，19（12）：136－139（in Chinese）.［趙 智雅，王澤勇.嵌入式圖像采集系統的平臺設計 ［J］.計算機系統應用，2009，19（12）：136－139.］

［10］CUI Yemei.Image collection system design based on embedded system ［J］.Journal of Changsha Aeronautical Vocational And Technical college，2011，11（1）：60－62（in Chinese）.［崔業梅.基于嵌入式系統的圖像采集系統 ［J］.長沙航空職業技術學院學報，2011，11（1）：60－62.］

［11］WU Wenzhong.Design and implementation of CMOS image acquisition system based on ARM9［J］.Microcomputer ＆Its Rpplicrtions，2011，30（13）：83－87（in Chinese）.［吳文忠.基于ARM9的CMOS圖像采集系統的設計與實現 ［J］.微型機與應用，2011，30（13）：83－87.］

［12］WANG Zhenyu，GE Wancheng.Design and implementation of an embedded high resolution image acquisition system ［J］.Computer technology and development，2008，18（2）：167－169（in Chinese）.［王振煜，葛萬成.嵌入式高分辨率圖像采集系統的設計與實現 ［J］.計算機技術與發展，2008，18（2）：167－169.］

［13］GONG Zhen.Hardware implementation of embedded image acquisition system ［J］.Science and Technology innovation Herald，2008，5（28）：102－103（in Chinese）.［龔震.嵌入式圖像采集系統中的硬件實現研究 ［J］.科技創新導報，2008，5（28）：102－103.］

［14］LIU Ruizhen，YU Shiqi.OpenCV tutorial－the basics ［M］.Beijing：Beihang University Publisher，2007：76－85（in Chinese）.［劉瑞禎，于仕琪.OpenCV 教程－基礎篇 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007：76－85.］

［15］WU Qingxiu，OU jun.Application of software technique on the Linux system ［J］.Computer Knowledge and Technology，2011，7（18）：4362－4363（in Chinese）. ［吳清秀，歐軍.基于Linux系統的軟件技術應用研究 ［J］.電腦知識與技術，2011，7（18）：4362－4363.］