便攜式耳鼻喉設備視頻采集系統(tǒng)的設計

周建萍，劉洪英，2，皮喜田，3，趙亞雄

（1.重慶大學 生物工程學院，重慶400030；2.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術研究中心 重慶400030；3.新型微納米器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室 重慶400030）

便攜式耳鼻喉設備視頻采集系統(tǒng)的設計

周建萍1，劉洪英1，2，皮喜田1，3，趙亞雄1

（1.重慶大學 生物工程學院，重慶400030；2.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術研究中心 重慶400030；3.新型微納米器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室 重慶400030）

隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)療設備中。為了實現(xiàn)耳鼻喉設備的小型化與便攜式，本文設計了一套基于嵌入式Linux和S3C6410微處理器的耳鼻喉視頻采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了耳鼻喉圖像的實時預覽、拍照、圖像查看等功能。實驗結果表明，該系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)耳鼻喉圖像的采集和保存，圖像質(zhì)量比較清晰，在便攜式耳鼻喉設備領域中，具有一定的使用價值。該系統(tǒng)在基層醫(yī)療機構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

耳鼻喉是關系人體整個免疫系統(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)窺鏡對耳鼻喉進行診斷和治療，該設備體積比較大，無法實現(xiàn)便攜式[2-3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和移動醫(yī)療的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多的應用于醫(yī)療設備[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[5]。基于此，文中設計了一套基于嵌入式Linux和S3C6410微處理器的耳鼻喉視頻采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了耳鼻喉設備的小型化和便攜式，能夠?qū)Χ呛韴D像進行采集和保存。

1 系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM11芯片S3C6410X-66H作為核心處理器，用于引導系統(tǒng)啟動、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（型號為MC08A-2）與TVP5150芯片構成的視頻解碼模塊相連，實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換[7]，視頻解碼模塊通過 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， 然后通過群創(chuàng)3.5寸顯示屏LQ035NC111，實現(xiàn)圖像的實時顯示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結構框圖

2 系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)采用的嵌入式操作系統(tǒng)是Linux-2.6-96，采用Ubuntu12.04作為宿主機進行Linux程序的開發(fā)，所采用的交叉編譯工具鏈是linux-arm-gcc 4.2.2，采用QT開發(fā)軟件實現(xiàn)模擬攝像頭圖像的采集與實時預覽的程序設計。

2.1 TVP5150驅(qū)動移植

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

2.2 應用程序的設計

2.2.1 Qt開發(fā)環(huán)境簡介

應用程序的設計采用奇趣科技開發(fā)的Qt作為開發(fā)軟件，它不僅支持跨平臺的C++程序編程、控制臺應用程序的編寫，還支持圖形界面的開發(fā)[10]。隨著Qt被Digia公司收購，它的功能也越來越強大，如今它可以運行在linux、wince、android等多種平臺上。同時，Qt Creator作為一個輕量級集成開發(fā)環(huán)境，為它提供了具有良好的編程界面，支持跳轉(zhuǎn)和自動提示功能，使用十分方便[11-12]。

2.2.2 程序設計

應用程序整體實現(xiàn)的功能如圖2所示。打開該系統(tǒng)電源，系統(tǒng)先顯示開機動畫，持續(xù)3秒后進入程序主界面，該界面主要包括耳鼻喉檢查、圖片查看、系統(tǒng)設置三個功能菜單選擇。耳鼻喉檢查主要用于耳鼻喉圖像的實時預覽和拍照保存功能的實現(xiàn)。圖片查看用于圖像的加載、瀏覽、上下翻頁、放大縮小、刪除等功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)設置用于時間和亮度參數(shù)設置功能的實現(xiàn)。選擇相應的功能菜單，系統(tǒng)會啟動相應的程序，實現(xiàn)相應功能。

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

圖2 應用程序整體的實現(xiàn)功能

1）視頻采集功能的實現(xiàn)

V4L2（Video For Linux2）驅(qū)動通常用于Linux視頻開發(fā)，它為Linux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?shù)囊曨l采集設備和相應的驅(qū)動程序，可以讀取和控制視頻設備[13-14]。利用V4L2實現(xiàn)視頻采集的過程如圖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)中的所對應設備文件 （/dev/video0）后， 調(diào)用 cam_fd=open（"/dev/ video0"，O_RDWR）函數(shù)實現(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，對攝像頭的數(shù)據(jù)輸出格式進行設置：fb.fmt.width=320；fb.fmt.height= 240；fb.fmt.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB565。初始化設置完成之后，采用mmap（）內(nèi)存映射方法實現(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)申請緩沖區(qū)，接著通過ioctl（cam_fd，VIDEOC_QUERYBUF，structv4l2_buffer *buf）函數(shù)查詢分配的V4L2緩沖區(qū)信息，同時調(diào)用mmap（）函數(shù)設定內(nèi)存映射起始地址，空間大小等參數(shù)，使用內(nèi)存映射后，應用程序可以直接從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)。 然后 通過 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)隊列中，從而啟動視頻采集，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）兩個函數(shù)實現(xiàn)圖像的實時預覽。

2）圖像拍照功能的實現(xiàn)

調(diào)用capture_jpg（）函數(shù)來實現(xiàn)圖像拍照功能，把當前圖像保存到S3C6410處理器的SD卡目錄下。在拍照過程中，需要相應的JPEG庫文件來支持。

3）圖像查看功能的實現(xiàn)

① 圖片加載、查看

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

調(diào)用 ShowPreviousPicture（）和 ShowNextPicture（）兩個函數(shù)來實現(xiàn)圖片的翻頁功能。

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 調(diào) 用DeletePicture（）和on_directoryChanged（QString）函數(shù)來實現(xiàn)圖片刪除功能。

④圖片放大縮小

調(diào)用changelabel（）函數(shù)來實現(xiàn)圖片放大縮小功能。

3 系統(tǒng)測試

應用程序在宿主機（PC機）上運行成功后，進行交叉編譯生成在S3C6410處理器上能運行的可執(zhí)行文件。對人體模型的喉嚨進行圖像采集，采集結果如圖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試對象，所以采集到的圖像和真實的喉嚨圖像還是存在一定的區(qū)別，后續(xù)將進一步對真實患者進行測試。總體來說，本文設計的系統(tǒng)能很好地實現(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 論

文中的系統(tǒng)以S3C6410處理器為核心，利用醫(yī)用模擬攝像頭實現(xiàn)了耳鼻喉圖像的實時采集、保存、圖像查看等功能，解決了耳鼻喉設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，經(jīng)進一步產(chǎn)品化設計之后在我國基層醫(yī)療機構和普通家庭中具有一定的應用前景。

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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：201606225

國家科技支撐計劃項目資助（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)及其應用。