基于A(yíng)RM的嵌入式USB圖像采集與顯示系統

　　摘要：基于A(yíng)RM9 處理器和嵌入式Linux 操作系統，文章研究了視頻圖像采集與顯示的一般方法。以USB 攝像頭采集圖像為例，介紹了Linux 系統下基于Video4Linux 進(jìn)行視頻圖像采集的一般過(guò)程，并且最終通過(guò)Qt/Embedded 編寫(xiě)的圖形界面將采集到的視頻圖像在LCD 上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。

引言

　　目前市場(chǎng)上大部分的圖像采集與處理系統是基于DSP 芯片的，這種圖像采集與處理系統成本高、功耗高、體積約束等特點(diǎn)并不適用于一些簡(jiǎn)單的應用。隨著(zhù)USB 攝像頭的普及和基于A(yíng)RM 的嵌入式芯片的快速發(fā)展，將二者結合的便攜性越來(lái)越受人們歡迎。本文介紹了一種基于三星S3C2440A 芯片的嵌入式USB 攝像頭圖像采集與顯示方案，該方案具有良好的可移植性和擴展性，并且成本、大小和實(shí)時(shí)處理都能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

1 系統架構

　　系統通過(guò)當前市場(chǎng)上應用最廣泛的中芯微公司生產(chǎn)的zc301p 芯片的USB 攝像頭進(jìn)行圖像采集，然后將圖像信息傳送到ARM 芯片中進(jìn)行處理，最終通過(guò)基于Qt/Embedded 編寫(xiě)的圖形顯示程序在LCD 上實(shí)時(shí)顯示。系統的整體架構如圖1 所示。

2 視頻圖像采集

　　系統采用中芯微公司生產(chǎn)的zc301p 芯片的USB 攝像頭作為圖像采集設備，并介紹了基于Video4Linux 編程協(xié)議進(jìn)行視頻圖像采集的一般過(guò)程。

　　2.1 USB 攝像頭驅動(dòng)

　　Linux 內核能夠很好地支持OHCI（開(kāi)放式主機控制接口協(xié)議），并且能夠很好地支持包括OV511系列攝像頭在內的各種各樣的USB 設備，但是并不包括zc301pUSB 攝像頭。直到后來(lái)2.6.27 版本左右的內核中才增加了針對zc301 系列芯片的驅動(dòng)，統稱(chēng)為L(cháng)inux UVC.本文采用的是Linux2.6.32.2 版本內核，只需要對內核進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，就可以實(shí)現功能了。

　　在配置菜單選項中，設備驅動(dòng)是最重要的配置項。選擇的配置項如下：

　　Device Drivers - - - >

　　Multimedia devices - - - >

　　Video For Linux

　　Enable Video For Linux API 1（DEPRECAteD）

　　Video capture adapters - - - >

　　V4L USB devices - - - >

　　USB Video Class （UVC）

　　UVC input events device support

　　GSPCA based webcams - - - >

　　ZC3XXX USB CAMEra Driver

　　USB ZC0301 ［P］Image Processor and Control

　　Chip support

　　現在，內核被配置成可以支持Video4Linux 的視頻接口，并且加入了支持zc301pUSB 攝像頭的驅動(dòng)程序。

　　2.2 基于Video4Linux 的視頻圖像采集程序設計

　　Video4Linux（簡(jiǎn)稱(chēng)V4L）為目前市場(chǎng)常見(jiàn)的電視捕獲卡和并口及USB 口的攝像頭提供統一的編程接口。在Linux 內核中它為用戶(hù)空間提供統一的編程接口，V4L 分為兩層：底層是音頻和視頻設備驅動(dòng)程序的內核；上層為系統提供一些API 接口信息。視頻圖像采集流程如圖2 所示。

　?。?）打開(kāi)視頻設備。

　　在Linux 中視頻設備是被作為設備文件來(lái)執行的，本文USB 攝像頭的設備文件名為/dev/video0.

　　int my_v4l_open （char*dev，my_v4l_STruct*vd） 函數用于打開(kāi)視頻設備并初始化攝像頭設備，該函數調用open 函數可以讀設備文件，成功返回設備描述符，失敗返回- 1.主要程序代碼如下：

　　int my_v4l_open（char*dev，my_v4l_struct*vd）{

　　if（（vd- >fd=open（vd- >videodevice，O_RDWR））= =- 1）{

　　printf（“ERROR opening V4L interface”）；

　　exit（1）；}

　　……}

　?。?）讀設備信息。

　　int my_v4l_get_capability （my_v4l_struct*） 函數的功能是讀取設備基本信息， 它利用ioctl（vd_fd，VIDIOCGCAP，（vd- >capability） 來(lái)讀取有關(guān)攝像頭的信息。該函數成功返回后將這些信息從內核空間拷貝到用戶(hù)程序空間capability 各成員分量中，使用printf 函數就可得到各成員分量信息。具體如下：

　　int my_v4l_get_capability（my_v4l_struct*）{

　　if（ioctl（vd- >fd，VIDIOCGPICT，（vd- >capability））0）{

　　printf（“error:v4l_get_capabilityn”）；

　　exit（1）；}

　　return 0;}

　?。?）視頻圖像采集。

　　本文通過(guò)mmap 方式來(lái)采集視頻圖像信息。為了獲得映射的幀緩沖信息，my_v4l_mmap_init（my_v4l_struct*）函數需先初始化緩沖區，并進(jìn)行內存與緩沖區的綁定，其中函數mmap 用于將文件fd與video_mbuf 綁定實(shí)現映射，函數mmap（）返回值是系統實(shí)際分配的起始地址。函數my_v4l_mmap_init（）的部分代碼實(shí)現如下：

　　void my_v4l_mmap_init（my_v4l_struct*vd）{

　　……

　　ioctl（vd- >fd，VIDIOCGMBUF，（vd- >mbuf））；// 初始化video_mbuf 以得到所映射的buffer的信息

　　vd- >pframebuffer= （unsigned char*）mmap （0，

　　vd- >videombuf.size，

　　PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，vd- >fd，0）；

　　/* 把文件fd 與video_mbuf 綁定，實(shí)現映射*/

　　vd- >mmapsize=vd- >videombuf.size;

　　vd- >vmmap.height=vd- >hdrheight;

　　vd- >vmmap.width=vd- >hdrwidth;

　　vd- >vmmap.format=vd- >formaTIn;

　　vd- >vmmap.frame=0;

　　……}

　　然后利用驅動(dòng)程序的ioctl （） 函數的VIDIOCMCCAPTURE 和VIDIOCSYNC 命令來(lái)獲取圖像。其中ioctl （vd- >fd，VIDIOCMCAPTURE，（vd- >mmap）） 開(kāi)始一幀圖像的采集，是非阻塞的；ioctl（vd- >fd，VIDIOCSYNC，frame）用于判斷一幀圖像采集過(guò)程結束與否，frame 是當前采集的幀的序號。

　　采集工作結束后調用munmap 取消文件fd 與video_mbuf 的綁定。

　　munmap（vd- >map，vd- >mbuf.size）；

　?。?）關(guān)閉設備在視頻采集完成后，必需關(guān)閉視頻設備。

　　close（vd- >fd）；

3 基于Qt/Embedded 圖像顯示程序的編寫(xiě)

　　基于嵌入式Linux 常見(jiàn)的GUI 系統有MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI和基于Framebuffer［5］的Qt/Embedded［4］.Qt 是諾基亞開(kāi)發(fā)的一個(gè)跨平臺的C++ 圖形用戶(hù)界面應用程序框架，它提供給應用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶(hù)界面所需的功能，并且是完全面向對象的，很容易擴展，允許真正的組件編程。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，本文采用Qt/Embedded 開(kāi)發(fā)平臺，并將基于Qt 的圖形界面Qtopia 移入我們的文件系統中。

　　為了避免由于圖像數據量大而在目標板上顯示閃爍的問(wèn)題，本文采用雙緩沖技術(shù)實(shí)現采集圖像顯示，采用的是QPixmap 對象。QPixmap 是Qt 為圖像處理提供的類(lèi)，主要用于圖像的繪制。實(shí)現雙緩沖時(shí)，先把要顯示的內容繪制在這個(gè)QPixmap pixmap 對象上，然后再用一步操作把pixmap 繪制在屏幕上?；赒t 圖像顯示及輔助框線(xiàn)繪制的部分代碼段如下：

　　QPixmap pix （width （），height （））；// 定義一個(gè)QPixmap 用于在上面繪制圖像及框線(xiàn)

　　QPainter p（pix）；// 定義繪制工具

　　QPainterQPen pen （yellow，3，DotLine）；// 定義一個(gè)畫(huà)筆的屬性，如顏色、粗細、線(xiàn)條樣式

　　p.drawImage （0，0，img）；// 把攝像頭采集到的圖像繪制到QPixmap 上

　　p.setPen（pen）；// 設置畫(huà)筆屬性

　　p.moveTo（50，330）；// 設置畫(huà)筆筆尖起始位置

　　p.lineTo（150，50）；// 開(kāi)始繪制框線(xiàn)

　　p.lineTo（490，50）；

　　…略

　　p.end（）；// 在QPixmap 上的所有繪制任務(wù)結束

　　p.begin（this ）；// 準備把QPixmap 繪制到屏幕上

　　p.drawPixmap （0，0，pix）；// 繪制QPixmap 到屏幕操作，圖像顯示到LCD 上

　　圖像數據的連續采集和顯示是通過(guò)定時(shí)器實(shí)現的，QTimer 類(lèi)提供了定時(shí)器信號和單觸發(fā)定時(shí)器。設置定時(shí)啟動(dòng)觸發(fā)周期，每當定時(shí)器時(shí)間到就觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器事件，在事件中調用VIDIOCMCAPTURE 函數完成對圖像的采集，并通過(guò)QPixmap 類(lèi)將圖像顯示到LCD上。至此就可以通過(guò)基于Qt 編寫(xiě)的圖形界面程序，將USB 攝像頭采集的視頻圖像在LCD 上實(shí)時(shí)顯示。

4 結論

　　本文基于A(yíng)RM9 處理器和嵌入式Linux 操作系統，詳細介紹了一種USB 攝像頭圖像采集與顯示的通用方法。Linux 代碼完全開(kāi)源，系統具有良好的移植性，可方便地進(jìn)行各種擴展，采用Qt 進(jìn)行人機界面的設計能夠極大地節省開(kāi)發(fā)成本和周期。本方案經(jīng)推廣可用于工業(yè)控制、智能交通、小區監控等領(lǐng)域。