Rabbit3000與HElOlO圖像傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)相機(jī)

在家用報警系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控、智能小區(qū)中，由于原有的系統(tǒng)一般只能采集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后按專有的或特定的網(wǎng)絡(luò)傳送。在應(yīng)用中，用戶常常反映有兩大缺點。其一，不能看到現(xiàn)場圖像。其二，監(jiān)視限于特定專網(wǎng)，比如通過局域網(wǎng)、電話網(wǎng)、視頻線監(jiān)控網(wǎng)等。因而通過Internet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攝像的需求十分迫切。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示，MEl010是10萬像素的CMOS圖像傳感器芯片，Rabbit3000模塊基于Rab-bit3000單片機(jī)。該單片機(jī)基于Z80內(nèi)核，最高時鐘頻率可達(dá)54MHz，有6個高速串行口和56個I／O口，直接驅(qū)動512KB SRAM、512KB Flash，通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時．TCP傳輸速率可達(dá)到6Mb／s。美國Z-World公司提供的Dynamic C開發(fā)工具提供了TCP協(xié)議棧函數(shù)支持， 以及C、匯編混合編程的功能， 非常適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)相機(jī)實現(xiàn)以下功能： 直接驅(qū)動MEl010 CMOS攝像芯片攝像，并進(jìn)行圖像處理，同時內(nèi)置一個微型WEB服務(wù)器，用戶可以在因特網(wǎng)上訪問WEB頁。通過CGI接口進(jìn)行靜態(tài)圖像拍攝， 如增加SOCKET接口，也可通過Activex控件拍攝動態(tài)圖像?？蛇x擇160×120彩色、320×240黑白兩種圖像格式。

2 CMOS攝像芯片的控制
2.1 MElO1O的結(jié)構(gòu)及拍攝
南京微盟電子的MElOlO CMOS圖像傳感芯片最大可拍攝352×288的彩色及黑白圖像，內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

該芯片的工作原理：通過Samp、SampG腳進(jìn)行采樣控制，即拍攝圖像。拍攝后該芯片把圖像各點的模擬電壓存入緩沖區(qū)中，形成一個最大352×288的像素數(shù)據(jù)陣列，單片機(jī)可以通過改變行列地址ADR(8..O)逐點訪問圖像緩沖區(qū)。該圖像緩沖實際上是把每個像素的光感應(yīng)電壓存入一個小電容中，通過在ADC Clk腳輸入時鐘脈沖，MElO1O在ADCclk的低電平期間進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，上升沿輸出。然后單片機(jī)即可以從數(shù)據(jù)口ADCount(7～0)中讀出對應(yīng)行、列地址的像素數(shù)據(jù)。其中行與列地址共用9條地址線，由XYSEL腳產(chǎn)生的脈沖切換。
具有圖像緩沖區(qū)是MElO1O最大的特點，一般的CMOS傳感器都必須用CPLD將圖像數(shù)據(jù)以很快的速度送人RAM存儲，通常為13MB／s左右，再由單片機(jī)來讀取，因而接口比較復(fù)雜。MElO1O的這一特點使得Rab-bit3OOO可以直接讀取，結(jié)合Rab_bit3OOO強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，從而構(gòu)成了具有特色的網(wǎng)絡(luò)相機(jī)。
拍攝時序如圖3所示。

2.2圖像的讀取
使Rabbit3OOO單片機(jī)的PEl，PF(7～O)與MEIOIO的地址線ADR(8~O)、PA(7～O)與數(shù)據(jù)線ADcount(7~O)相連，PB7與模數(shù)轉(zhuǎn)換時鐘ADCclk相連?，F(xiàn)在以讀取16O×1 2O彩色圖像的一行為例，介紹讀取過程，程序用匯編實現(xiàn)，以加快圖像讀取速度。讀取圖像時序如圖4所示。

#asm debug
readoneline：： ；讀入一行數(shù)據(jù)
；讀取到linbuf中
1d hl，linebuf ;指針hl指向linebuf
ld de，16O ；一行16O像素
ld C,
rp _read：
：ADC clk
ioi lda，(PBDR)；產(chǎn)生ADC時鐘
res O，a
ioi ld(PBDRl，a
set O，a
iOi ld(PBDR)，a
ioi lda，(PADR)
；從PA讀入數(shù)據(jù)
ld (hl)，a
；讀入數(shù)據(jù)到linbuf，指針hl指向llnbuf的對應(yīng)位
inc hl ；指針下移
inc c ；計數(shù)器加1
ld a，c
ioi ld(PFDR)，a；地址加1
dec de ；讀完160像素
jr nz，rp_read ：否則讀下一個
ret
#endasm

3 圖像處理
3.1 FPN的消除
由于CMOS圖像傳感器會產(chǎn)生固有噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，MElO1O要求用軟件來完成噪聲消除處理，否則拍出的圖像表面將疊加許多細(xì)碎的色點，這些噪聲點的位置大小顏色是固定的，由CMOS圖像芯片及電路本身所決定。
FPN消除的方法是在正式拍攝前，先拍攝一張曝光時間接近于O的圖像，由于FPN的存在，雖然感光接近于O，但該圖像并非是均勻的全黑照片，而是會出現(xiàn)些彩色噪聲點。將此圖像存在內(nèi)存中，作為參照，照一張圖像，都與這張參照圖像相減，從而消除FPN.
3.2彩色插值
讀出并經(jīng)FPN消除后的數(shù)據(jù)實際上是RGB陣列,MN1O1O通過在感光面上蒙一層RGB彩色濾鏡(可選擇,若無濾鏡即為黑白芯片)實現(xiàn)彩色功能,濾鏡排列如圖5所示,這是一般圖像傳感器使用的Mosaic Bayer濾鏡，從O行算起，偶數(shù)行排列為RGRGRG……奇數(shù)行排列為GBGBGB……
因此每一點的數(shù)據(jù)只代表該點的一種顏色光強(qiáng)度值(灰度值)，還需根據(jù)相應(yīng)算法進(jìn)行彩色化插值處理。利用周邊像素的信息，“猜測”算出該點“應(yīng)該”具有的另外兩種顏色光強(qiáng)度，從而得到完整的RGB值，構(gòu)成24位真彩色圖像。這種以彩色插值的方法來達(dá)到“趨近”真彩色的處理方式，其圖像質(zhì)量雖然不如使用真正(R、G、B)三組像素型的彩色攝像技術(shù)，但已經(jīng)可以滿足通常的圖像檢測需要。

算法示例如下：
設(shè)i，j分別為行數(shù)和列數(shù)，當(dāng)Ri，j有i％2==O＆＆j％2==0時，算法為
R=Ri，j
G=(Gri，j-1+Gri，j+l十Gbi-1，j+Gbi+l，j)／4
B=(Bi-i，j-1+Bi—I，j+1+Bi+l，j-1+Bi+l，j+1)／4
對應(yīng)的Rabbit3OOO的C程序為form_rfgb(){
…}

3.3嵌入圖像到HTTP服務(wù)器
經(jīng)過RGB插值合成后已經(jīng)可以得到真彩色圖像，但完整的圖像處理還需要進(jìn)行曝光控制，γ較正，白平衡調(diào)整等。曝光控制算法主要是計算各像素亮度的平均量。自平衡調(diào)整則是由于CMOS傳感器、人眼對RGB三顏色光的靈敏度不同，所以需對R、G、B三種像素的值乘以比例因子加以較正。Υ較正則主要是調(diào)整對比度。
獲得完整的圖像數(shù)據(jù)后，加入BMP文件頭，形成newfile，C程序代碼如下：
void makefile(){
char newfilesize[4]；
newfilesize[0]=0x3a；文件大小
newfilesize[1]=Oxe5；
newfilesize[2]=O；
newfilesize[3]=O；
root2xmem(newfile，newfilesize，4)；設(shè)置文件大小
sspec_addxmemfile(”／databmp”，newfile，SERVE_RHTTP)；嵌入HTTP服務(wù)器

4 HTTP服務(wù)器的實現(xiàn)
通過基于Rabbit3OOO的模塊實現(xiàn)HTTP服務(wù)器并不難，只需使用網(wǎng)頁設(shè)計軟件如Dreamwave、Frontpage等，設(shè)計一個網(wǎng)頁，然后導(dǎo)出到Rabbit3OOO模塊的HTTP服務(wù)器中即可。設(shè)網(wǎng)頁文件名為index.html，網(wǎng)頁中含有圖片ledon.gif，存放的目錄是samples／RCM32OO／pages，使用以下指令將文件導(dǎo)出到HTTP服務(wù)器中。
#Ximport”samples／RCM32OO／pages／index.shtml" index html
#Ximport”samples／RCM32OO，pages／ledon.gif"ledon_gif
此外還需聲明HTTP服務(wù)器中的文件類型HttpType http_types[]及設(shè)置HTTP服務(wù)器可訪問文件、變量、函數(shù)的結(jié)構(gòu)類型HttpSpec http_flashspec[]。
主程序中運行HTTP服務(wù)器的相關(guān)代碼如下：
main(){
sock__init()；
while(1){
HTTP_server()；}

5 通過CGl接口控制拍攝
在HttpSpec http_flashspec[]中加入以下定義：
{ HTTPSPEC_FUNCTION， ”／get_photocgi”，O，get_hototoggle，O，NULL，NULL}。
在網(wǎng)頁中嵌入按鈕圖標(biāo)，假設(shè)為button．gif，使其鏈接到”／get_photocgi”，點擊網(wǎng)頁上的button按鈕時，程序?qū)⑻D(zhuǎn)執(zhí)行以下函數(shù)：
int get_hototoggle(HTTPState*state){
get_hoto() ;拍攝圖像
cgi_redirectto(state，’data html’)；跳轉(zhuǎn)到data.html網(wǎng)頁中，
；(該網(wǎng)頁含所拍攝的圖像文件)
returnO：}
即可看到所拍攝的圖像。

本文以拍攝160×120分辨率的彩色圖像為例介紹。由于Rabbit3000單片機(jī)直接驅(qū)動的內(nèi)存有限， 當(dāng)分辨率更高，如320×240時， 一般建議存儲黑白圖像， 可以減少文件大小。
結(jié) 語
結(jié)合基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的圖像技術(shù)是報警系統(tǒng)、工業(yè)控制、智能家居發(fā)展的一個熱點，主要有基于8位單片機(jī)、DSP及ARM的圖像處理方案。 其底層的圖像處理及CMOS圖像芯片的控制有諸多相通之處。盡管基于DSP及ARM具有運算速度上的優(yōu)勢，但由于Rabbit3000單片機(jī)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持、加密及I／0控制、串行通信、數(shù)據(jù)采集功能，結(jié)合MEl0l0的簡單單片機(jī)接口，仍然具有鮮明的特點，適用于對實時圖像傳輸要求不高的場合；并且，如果結(jié)合高性能的圖像芯片，如具有MPEG4壓縮功能的偉思GO7007也可以做到實時圖像傳輸。本文所介紹的內(nèi)容基于作者目前從事的智能小區(qū)項目， 已成功研制出樣機(jī)。