基于S3C44B0開發(fā)板的圖像采集方法研究

1 引言

Linux嵌入式系統(tǒng)，具有高性能、低功耗、體積小、可靠性高、源代碼開放等優(yōu)點，逐漸被越來越多的人認(rèn)可并使用。原先只有在PC機(jī)上實現(xiàn)的功能，如今也被移植到了更加方便的嵌入式系統(tǒng)上。在嵌入式多媒體開發(fā)中，視頻采集、存儲、處理是必不可少的環(huán)節(jié)。CMOS傳感器USB攝像頭以其低廉的價格和較高的性能，成為了圖片采集首選工具。至于圖像傳輸，傳統(tǒng)的有線傳輸已經(jīng)開始被無線網(wǎng)絡(luò)傳輸所替代。這里就著重介紹一下，圖像采集。

2 軟硬件平臺

S3C44B0是三星公司為手持設(shè)備推出的16/32位RISC處理器，總線結(jié)構(gòu)為SAMBAII，速度可達(dá)75MHz，它使用ARM7TDMI內(nèi)核，采用0.25umCMOS工藝制造。S3C44B0提供了豐富的內(nèi)置部件，包括：8KB Cache和內(nèi)部4MB Flash，8MB SDRAM，LCD控制器，2個具有握手功能的UART，4通道DMA，一個內(nèi)部定時器，71個通用目的I/O端口，8個外部中斷源， 8通道10-bit ADC，IIC總線接口，IIS總線接口，同步SIO接口和PLL倍頻器，一個外擴(kuò)USB HOST，接攝像頭，將攝像頭采集的圖片信息存儲到內(nèi)存空間中。采用uCLinux操作系統(tǒng)，它是由Linux經(jīng)過裁減后的微型Linux操作系統(tǒng)，它經(jīng)編譯壓縮后的二進(jìn)制文件只有700k左右，適合嵌入式開發(fā)環(huán)境使用。通常的在PC機(jī)上進(jìn)行的軟件開發(fā)模式不適用于嵌入式系統(tǒng)。因為嵌入式系統(tǒng)沒有足夠的系統(tǒng)資源來滿足開發(fā)需要，因此在開發(fā)過程中，需要在PC機(jī)上建立一個交叉編譯環(huán)境對程序進(jìn)行編譯、鏈接，然后將程序燒寫入開發(fā)板運(yùn)行。這里用到的交叉編譯環(huán)境是arm-elf-tools-20030314.sh，只需在終端執(zhí)行sh arm-elf-tools-20030314.sh即可安裝好交叉編譯環(huán)境。之后在該環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，調(diào)試通過后，再經(jīng)過編譯，將程序燒寫入嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行。

3 圖像采集

Linux 設(shè)備驅(qū)動一般分字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種類型[1]。而在Linux下要使用系統(tǒng)所掛接的外圍設(shè)備，必需加載相應(yīng)的驅(qū)動程序。這里采用的是網(wǎng)眼V3000攝像頭作為圖像采集設(shè)備，它采用的USB控制器為OV511，Linux操作系統(tǒng)支持該驅(qū)動模塊。在編譯 uCLinux內(nèi)核時，主要是經(jīng)過配置內(nèi)核、編譯內(nèi)核、生成鏡像幾個過程。進(jìn)入uCLinux的kernel目錄，在終端輸入make menuconfig配置內(nèi)核，進(jìn)入usb support，選中USB OV511 Cameral support。保存退出后make dep建立依賴關(guān)系、make zImage產(chǎn)生鏡像，編譯完畢，將編譯好的內(nèi)核燒寫入ARM板，則uCLinux系統(tǒng)就支持該攝像頭模塊。

3.1 Video For Linux[2]

Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核自帶了一套Video For Linux（V4L）程序接口。它是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，支持包括視頻捕捉卡、攝像頭等設(shè)備。應(yīng)用程序可以利用這個程序接口，使硬件設(shè)備與內(nèi)核進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)采集圖像的目的。V4L提供了一套比較完整的I/O操作接口，open、close、read、write、ioctl，內(nèi)存映射功能和I/O通道的接口函數(shù)ioctl，并將它們定義在struct file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open等系統(tǒng)調(diào)用操作時，Linux內(nèi)核將通過 file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)接口。V4L需要編譯進(jìn)內(nèi)核，具體方法為在終端/usr/src/linux目錄下輸入 make menuconfig，進(jìn)入設(shè)置界面選中multimedia devices選項，選中Video For Linux，保存退出后，make dep、make image即可。目前較高版本的Linux操作系統(tǒng)都已經(jīng)把V4L編譯進(jìn)了內(nèi)核，不再需要重新編譯。V4L中定義了許多結(jié)構(gòu)體，包含了獲取圖片用到的所有屬性，因此在程序頭文件中，應(yīng)該加入#include<linux/videodev.h>。

3.2 圖像采集

利用V4L進(jìn)行圖像采集，有兩種方法，一種是read（）[3]方法，直接進(jìn)入緩沖區(qū)里讀取圖片信息；另一種方法就是mmap（）方法，該方法是把設(shè)備內(nèi)存映射到用戶地址空間中,各進(jìn)程可以共享該內(nèi)存空間，加快了訪問速度。

Linux中攝像頭屬于字符設(shè)備，因此，可以把攝像頭看作文件一樣操作。首先打開攝像頭設(shè)備，應(yīng)用到了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)open（），并以讀寫方式打開設(shè)備文件[4]：
int fd= open（dev_videodevice,O_RDWR）;
if(fd<0);
{
    perror(“open error”);
    return(0);
}
ioctl(fd,VIDIOCGCAP,&cap);
//讀取攝像頭設(shè)備信息，包括設(shè)備名稱、支持分辨率、信號源屬性等，使用printf函數(shù)即可輸出查看各屬性值
ioctl(fd,VIDIOCGCHAN,&cha);
//讀取攝像頭通道參數(shù)，可以不設(shè)置
ioctl(fd,VIDIOCGPICT,&pic);
//獲取緩沖中設(shè)備參數(shù)，包palette、depth等，并可以在用戶內(nèi)存空間修改
ioctl(fd,VIDIOCSPICT,&spi);
//設(shè)置要采集圖片的參數(shù)：顏色深度、調(diào)色板類型、亮度、對比度、色度等
ioctl(fd,VIDIOCSWIN,&win);
//設(shè)置圖片窗口大小，分別獎寬和高賦值予window.width，window.height
ioctl(fd,VIDIOCMCAPTURE,&vmmap);
//獲取一幀圖片
ioctl(fd,VIDIOCSYNC,&mmap.frame);

//判斷是否獲取成功

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程序詳細(xì)流程如下：

網(wǎng)眼V3000攝像頭支持depth=24，palette=VIDEO_PALETTE_RGB24,輸出圖片為BMP格式，因此在程序中需要對BMP的格式進(jìn)行定義。

BMP格式包括位圖文件頭：struct tatBITMAPFILEHEADER

位圖信息頭：struct tagBITMAPINFOHEADER

彩色表：struct tagRGBQUAD,

需要說明的是，BMP格式的圖像數(shù)據(jù)陣列存儲的掃描行是由下往上存儲的，即圖像第一個像素在左下角，最后一個像素在右上角，因此在讀取的時候要注意。
（1）用read（）方法獲取圖片，將圖片數(shù)據(jù)直接讀到用戶內(nèi)存空間，然后寫入文件。
read(fd,data,size);  //將fd所指位置size大小的數(shù)據(jù)讀寫到data內(nèi)存空間
fwrite(&bf,14,1,fp);  //BMP文件頭信息寫入文件
fwrite(&bi,40,1,fp);  //BMP位圖信息頭信息寫入文件
fwrite(buffer,ImageSize,1,fp);  //圖片寫入文件

（2）用mmap（）內(nèi)存映射方法，需要ioctl（fd,VIDIOCGMBUF,&mbuf）獲取緩沖區(qū)的幀信息，調(diào)用mmap（）函數(shù)把設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，這樣就可以把讀到的信息，讀寫到文件里。內(nèi)存映射法加速了I/O的訪問速度，它使得各進(jìn)程指向一塊共享內(nèi)存空間，各進(jìn)程可以隨時進(jìn)行訪問，因此內(nèi)存映射獲取圖片的方法速度要比read（）方法快一些。
//設(shè)置圖像水平和垂直分辨率及、彩色顯示格式
vmmap.height=height;
vmmap.width=width;
vmmap.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
//調(diào)用mmap進(jìn)行內(nèi)存映射
buffer=mmap(0,buf.size,PORT_READ|PORT_WRITE,MAP_SHARD,fd,0);
picture.depth=24;
ioctl(fd,VIDIOCSPICT,&picture)
//采集圖像
if(ioctl(fd,VIDIOCMCAPTURE,&vmmap)<0)
{perror("VIDIOCMCAPTURE");
return 0;
}
//判斷采集是否完成
if (ioctl(fd,VIDIOCSYNC,&buf)<0)
perror("VIDIOCSYNC");

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單幀圖片采集完畢，采集圖片實驗效果如下：

4 總結(jié)

在圖像采集過程中，因為BMP格式的特殊原因，用read（）方法采集圖片是倒立的，因為其掃描行是自下往上存儲，因此在將圖片寫入文件時，可以自下往上寫入，讀出來的圖片將是正立的；或者另行編寫代碼將BMP文件轉(zhuǎn)過來。具體方法可以參考BMP文件格式。完成圖像采集工作后，配上無線上網(wǎng)設(shè)備，將圖片傳至Internet，將形成一個實時監(jiān)控系統(tǒng)或者遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可擴(kuò)展到較廣的應(yīng)用范圍。

本文作者創(chuàng)新點：基于無MMU的ARM7的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用較少，大部分相關(guān)開發(fā)都是建立在高端的ARM9基礎(chǔ)上。建立節(jié)約型社會的今天，能使用規(guī)格和價格較低的設(shè)備開發(fā)同樣的產(chǎn)品，也讓其有較廣的應(yīng)用前景和市場。

參考文獻(xiàn)：
[1]ALESSANDRO RUBINI .LINUX設(shè)備驅(qū)動程序[M].魏永明,等譯.北京：中國電力出版社，2002
[2]Alan Cox.Video4Linux Programming. alan@redhat.com.2000
[3]K.Wall,等.GNU/LINUX編程指南[M].王勇等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2000
[4]徐偉等.基于AT91RM9200的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2006，11