基于嵌入式平臺的USB攝像頭圖像采集及顯示

錢 鷹，陳勝利

（1.重慶郵電大學 軟件學院，重慶 400065；2.重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065）

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，數(shù)字視頻圖像的采集、存儲、處理及傳輸技術(shù)在最近幾年得到了廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)相比，嵌入式圖像處理系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，在智能交通、遠距離監(jiān)控、計算機視覺等領(lǐng)域廣泛運用。而嵌入式Linux系統(tǒng)具有源代碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定、可裁減性、驅(qū)動豐富等特點，吸引著眾多商業(yè)公司和自由軟件開發(fā)者的目光，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域不可或缺的操作系統(tǒng)之一。

文獻[1]詳細介紹了嵌入式中的交叉編譯環(huán)境的搭建及移植技術(shù)，但該論文沒有說明具體實際的應(yīng)用。在文獻[2]中介紹了ARM920T的嵌入式Linux下利用USB攝像頭采集圖像的硬件、軟件設(shè)計過程，但在設(shè)計圖片顯示的GUI時只是簡單的顯示而沒有設(shè)計對采集圖片的操作。文獻[3]分析了V4L2的圖像采集驅(qū)動和流程，然后在Qt環(huán)境下設(shè)計并實現(xiàn)采集終端軟件設(shè)計，最后在Tiny6410平臺上移植嵌入式視頻采集終端，受該文獻的啟發(fā)，本文在完成V4L圖像采集驅(qū)動及內(nèi)核的定制之后，直接利用Qt庫設(shè)計GUI顯示，并在設(shè)計GUI時考慮了對采集圖像的放大、縮小等簡單操作，最終在Linux環(huán)境下完成交叉編譯，并將交叉編譯所得的可執(zhí)行文件直接運行于OK6410開發(fā)板。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

文中使用的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)采用Samsung公司的處理器S3C6410，該處理器是一款低功耗、高性價比的RSIC處理器，它基于 ARM11內(nèi)核（ARM1176JZF-S），資源豐富，執(zhí)行ARMv6架構(gòu)的指令，ARMv6指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）擴展，采用特殊的設(shè)計，以改善視頻處理性能，擁有強大的內(nèi)部資源和視頻處理能力，可穩(wěn)定運行在667 MHz主頻以上，支持Mobile DDR和多種NAND Flash。

開發(fā)板硬件模塊包括1個100 M網(wǎng)口、無線網(wǎng)卡、高速SD卡座、CMOS攝像頭接口、JTAG接口。在處理器豐富的資源基礎(chǔ)上，還進行了相關(guān)配置和擴展，平臺另外配置了128 M字節(jié)Mobile DDR內(nèi)存和1 G字節(jié)NAND Flash。

2 嵌入式Linux內(nèi)核的定制及攝像頭驅(qū)動的加載

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Structure of the system

由于嵌入式Linux具有成本低、代碼開放、移植性好的特點，其用于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿κ遣蝗葜靡傻摹Ｔ谇度胧较到y(tǒng)中，由于硬件資源有限，需要對Linux內(nèi)核進行嵌入式化，即通過配置內(nèi)核、裁剪shell和嵌入式C庫對系統(tǒng)進行定制，使得整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的FLASH中。

Linux平臺的驅(qū)動一般分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3種類型。而在Linux下要使系統(tǒng)所掛接的外部設(shè)備正常工作，必須加載相應(yīng)的驅(qū)動程序，Linux下對于一個硬件的驅(qū)動，可以有兩種方式：一種是直接加載到系統(tǒng)的內(nèi)核當中去，另一種是以模塊方式進行加載，就是在編譯內(nèi)核的時候，同時生成可重定位的目標文件（.o文件），動態(tài)方式與靜態(tài)方式相比，測試時要簡單的多，不需要下載整個內(nèi)核，只需通過NFS加載驅(qū)動即可測試，在測試成功后就可以編譯進內(nèi)核[4]，因此本文采用第一種方法。

又由于Video4Linux是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，并為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，因此，在Linux下進行圖像的采集首先必須加在Video4Linux模塊和USB及ZC301設(shè)備驅(qū)動模塊。在內(nèi)核源目錄下運行make menuconfig，具體步驟為：

1）在配置菜單中選擇Multimedia support→Video for Linux，加載video4linux模塊，為實現(xiàn)圖像的采集提供了編程接口；

2）在配置菜單中選擇USB Support→Support for Host_side USB 及 USB announce new devices，Multimedia support→Video capture adapter→V4L USB Video device→CSPCA based webcams→ZC301 USB Camera Driver使得內(nèi)核中加入了對采用ZC301接口芯片的USB數(shù)字攝像頭的驅(qū)動支持[5]。

3 基于Video4Linux的圖像采集

Video4Linux（簡稱V4L）模塊提供的主要API函數(shù)有：VIDIOCGCAP函數(shù)以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)video_capability返回視頻采集設(shè)備的基本信息，包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型、信道數(shù)、最大及最小像素高度和寬度等；VIDIOCSFBUF函數(shù)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)video_buffer設(shè)置采集設(shè)備的幀緩存參數(shù)，包括緩存區(qū)大小、同時采集的幀數(shù)、偏移量等；VIDIOGWIN函數(shù)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)video_windows來設(shè)置采集窗口參數(shù)，使用參數(shù)1調(diào)用VIDIOCCAPTURE開始視頻信號采集；VIDIOCSPICT函數(shù)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)video_picture來獲取和設(shè)置采集圖像幀的屬性，如亮度、色調(diào)和對比度等。基于V4L的視頻采集程序流程圖如圖2所示[6]。

以下簡單介紹程序的編寫，給出關(guān)鍵部分的實現(xiàn)代碼。

圖2 視頻采集程序流程圖Fig.2 Video acquisition program flow chart

首先，必須聲明包含sys/types.h、linux/videodev.h2個頭文件：

其次，設(shè)備的初始化[7]：

在獲得圖像信息后，還可根據(jù)需要改變這些信息，例如對比度、調(diào)色、亮度板等，具體做法是先給video_picture中相應(yīng)變量賦新值，再利用VIDIOCSPICT ioct1函數(shù)。

最后，調(diào)用 ioctl（grab_fd ，VIDIOCSYNC，&frame）函數(shù)，該函數(shù)成功返回則表示采集完畢，采集到的圖像數(shù)據(jù)放到以data為起始地址，長度為240×320×3的內(nèi)存區(qū)域中，讀取該內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便可得到圖像數(shù)據(jù)。

4 基于QT/Embedded的圖像顯示

目前的桌面機操作系統(tǒng)大多有著美觀、操作方便、功能齊全的GUI（圖形用戶界面），GUI的存在為使用者提供了友好便利的界面，并大大方便了非專業(yè)用戶的使用，使得人們從繁瑣的命令中解脫出來，可以通過窗口、菜單方便地進行操作。在嵌入式領(lǐng)域 GUI種類繁多，如：QT/Embedded、MiniGUI、OpenGUI等，其比較如表 1 所示[8]。

表1 常見GUI比較Tab.1 Comparison of common GUI

QT/Embedded是一個為訪問嵌入式設(shè)備的API，它的類庫完全采用C++封裝，豐富的控件資源和較好的可移植性是其最優(yōu)秀的一方面，因此，本文通過QT/Embedded編寫圖像顯示程序。

QPixmap和QImage對象都能實現(xiàn)對圖片的顯示，和QPixmap不同，QImage是獨立于硬件的，它可以同時被另外一個線程訪問，因此，對QImage的使用是非常方便的，本文使用QImage加載后轉(zhuǎn)換為QPixmap顯示，使得當圖片較大時，通過QImage將圖片加載進來，然后縮放成需要的尺寸，最后轉(zhuǎn)換為QPixmap進行顯示[9-10]。關(guān)鍵代碼如下：

至此完成基于Qt編寫的圖片瀏覽界面程序，實現(xiàn)了將USB攝像頭實時采集到的圖片在開發(fā)板的LCD上的顯示，顯示結(jié)果如圖3所示，其中紅色方框區(qū)域內(nèi)為圖像的顯示區(qū)域，藍色方框區(qū)域為對圖片的操作區(qū)域。

圖3 結(jié)果在開發(fā)板上的顯示Fig.3 Showing on the demoboard

5 結(jié)束語

文中在ARM11+嵌入式Linux的平臺基礎(chǔ)上介紹了一種基于USB攝像頭的圖像采集及顯示的方法，主要涉及應(yīng)用Video4Linux對圖像采集的實現(xiàn)及由QT設(shè)計的GUI對采集圖像的顯示，本文設(shè)計的圖像采集和顯示系統(tǒng)可廣泛用于工廠、銀行等場合全天候的智能監(jiān)控、圖像的網(wǎng)絡(luò)通信等，而且具有廣闊的市場和應(yīng)用前景。

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