基于ARM的嵌入式USB圖像采集與顯示系統(tǒng)

　　摘要：基于ARM9 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，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(tǒng)下基于Video4Linux 進行視頻圖像采集的一般過程，并且最終通過Qt/Embedded 編寫的圖形界面將采集到的視頻圖像在LCD 上實時地顯示出來。

引言

　　目前市場上大部分的圖像采集與處理系統(tǒng)是基于DSP 芯片的，這種圖像采集與處理系統(tǒng)成本高、功耗高、體積約束等特點并不適用于一些簡單的應用。隨著USB 攝像頭的普及和基于ARM 的嵌入式芯片的快速發(fā)展，將二者結合的便攜性越來越受人們歡迎。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、大小和實時處理都能夠滿足市場需求。

1 系統(tǒng)架構

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

2 視頻圖像采集

　　系統(tǒng)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)議進行視頻圖像采集的一般過程。

　　2.1 USB 攝像頭驅動

　　Linux 內(nèi)核能夠很好地支持OHCI（開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(nèi)的各種各樣的USB 設備，但是并不包括zc301pUSB 攝像頭。直到后來2.6.27 版本左右的內(nèi)核中才增加了針對zc301 系列芯片的驅動，統(tǒng)稱為Linux UVC.本文采用的是Linux2.6.32.2 版本內(nèi)核，只需要對內(nèi)核進行簡單的配置，就可以實現(xiàn)功能了。

　　在配置菜單選項中，設備驅動是最重要的配置項。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(xiàn)在，內(nèi)核被配置成可以支持Video4Linux 的視頻接口，并且加入了支持zc301pUSB 攝像頭的驅動程序。

　　2.2 基于Video4Linux 的視頻圖像采集程序設計

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

　　（1）打開視頻設備。

　　在Linux 中視頻設備是被作為設備文件來執(zhí)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(shù)用于打開視頻設備并初始化攝像頭設備，該函數(shù)調(diào)用open 函數(shù)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(shù)的功能是讀取設備基本信息， 它利用ioctl（vd_fd，VIDIOCGCAP，（vd- >capability） 來讀取有關攝像頭的信息。該函數(shù)成功返回后將這些信息從內(nèi)核空間拷貝到用戶程序空間capability 各成員分量中，使用printf 函數(shù)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mmap 方式來采集視頻圖像信息。為了獲得映射的幀緩沖信息，my_v4l_mmap_init（my_v4l_struct*）函數(shù)需先初始化緩沖區(qū)，并進行內(nèi)存與緩沖區(qū)的綁定，其中函數(shù)mmap 用于將文件fd與video_mbuf 綁定實現(xiàn)映射，函數(shù)mmap（）返回值是系統(tǒng)實際分配的起始地址。函數(shù)my_v4l_mmap_init（）的部分代碼實現(xiàn)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，實現(xiàn)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;

　　……}

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

　　采集工作結束后調(diào)用munmap 取消文件fd 與video_mbuf 的綁定。

　　munmap（vd- >map，vd- >mbuf.size）；

　　（4）關閉設備在視頻采集完成后，必需關閉視頻設備。

　　close（vd- >fd）；

3 基于Qt/Embedded 圖像顯示程序的編寫

　　基于嵌入式Linux 常見的GUI 系統(tǒng)有MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI和基于Framebuffer［5］的Qt/Embedded［4］.Qt 是諾基亞開發(fā)的一個跨平臺的C++ 圖形用戶界面應用程序框架，它提供給應用程序開發(fā)者建立藝術級的圖形用戶界面所需的功能，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，本文采用Qt/Embedded 開發(fā)平臺，并將基于Qt 的圖形界面Qtopia 移入我們的文件系統(tǒng)中。

　　為了避免由于圖像數(shù)據(jù)量大而在目標板上顯示閃爍的問題，本文采用雙緩沖技術實現(xiàn)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，主要用于圖像的繪制。實現(xiàn)雙緩沖時，先把要顯示的內(nèi)容繪制在這個QPixmap pixmap 對象上，然后再用一步操作把pixmap 繪制在屏幕上。基于Qt 圖像顯示及輔助框線繪制的部分代碼段如下：

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

　　QPainter p（pix）；// 定義繪制工具

　　QPainterQPen pen （yellow，3，DotLine）；// 定義一個畫筆的屬性，如顏色、粗細、線條樣式

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

　　p.setPen（pen）；// 設置畫筆屬性

　　p.moveTo（50，330）；// 設置畫筆筆尖起始位置

　　p.lineTo（150，50）；// 開始繪制框線

　　p.lineTo（490，50）；

　　…略

　　p.end（）；// 在QPixmap 上的所有繪制任務結束

　　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(shù)據(jù)的連續(xù)采集和顯示是通過定時器實現(xiàn)的，QTimer 類提供了定時器信號和單觸發(fā)定時器。設置定時啟動觸發(fā)周期，每當定時器時間到就觸發(fā)一個定時器事件，在事件中調(diào)用VIDIOCMCAPTURE 函數(shù)完成對圖像的采集，并通過QPixmap 類將圖像顯示到LCD上。至此就可以通過基于Qt 編寫的圖形界面程序，將USB 攝像頭采集的視頻圖像在LCD 上實時顯示。

4 結論

　　本文基于ARM9 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，詳細介紹了一種USB 攝像頭圖像采集與顯示的通用方法。Linux 代碼完全開源，系統(tǒng)具有良好的移植性，可方便地進行各種擴展，采用Qt 進行人機界面的設計能夠極大地節(jié)省開發(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(qū)監(jiān)控等領域。