引言
隨著微電子技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)也有了長足的進步,。因此,，基于嵌入式技術(shù)的圖像數(shù)據(jù)采集與存儲監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀,、方便,、信息內(nèi)容豐富的特點，廣泛應(yīng)用于許多場合,。
處理器性能的提高,，接口傳輸數(shù)據(jù)能力的增強，特別是未來高容量存儲器的出現(xiàn),，圖像監(jiān)控系統(tǒng)的小型化,、多功能化是易于實現(xiàn)的，嵌入式技術(shù)引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)后,，兩個問題需要解決,，一是靈活的圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整，二是適合監(jiān)控規(guī)范,、集圖像和信號檢測與控制一體的交互式軟件的設(shè)計,。
1 系統(tǒng)平臺的搭建
1.1 硬件平臺的搭建
ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認為是一個公司的名字,，也可以認為是對一類微處理器的統(tǒng)稱,，還可以認為是一種技術(shù)的名字。
S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核,，采用0.18um制造工藝的32位微控制器,。該處理器擁有：獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU,，支持TFT的LCD控制器,，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA,，4路帶PWM的Timer,，I/O口，RTC,，8路10位ADC,，TouchScreen接口，IIC-BUS接口,，IIS-BUS接口,，2個USB主機，1個USB設(shè)備,，SD主機和MMC接口,，2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203MHz,。
由S3C2410為核心的圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。因為S3C2410內(nèi)部只有很小的存儲空間，所以我必須外擴系統(tǒng)的存儲器,，作為32位的微處理器,，S3C2410支持8位，16位和32位尋址方式,，有16M×32位的尋址能力,，可方便地構(gòu)建較大地存儲空間，系統(tǒng)的存儲器由FLASH和SDRAM構(gòu)成,。數(shù)碼攝像頭通過USB接口與S3C2410芯片連接,，通過S3C2410芯片來控制數(shù)碼攝像頭對圖像進行采集，并存儲在存儲器中,?！ ?/p>
1.2 軟件平臺的搭建
嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經(jīng)過裁剪小型化后，可固化在存儲器或單片機中,，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng),。具體的搭建流程如圖2所示?！ ?/p>
2 USB攝像頭設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)
在Linuxkernel源碼目錄中driver/usb/usb_skeleton.c提供了一個最基礎(chǔ)的USB驅(qū)動程序,，我們稱為USB骨架。通過他僅需要修改極少的部分,，就可以完成一個USB設(shè)備的驅(qū)動,。我們的USB驅(qū)動開發(fā)也是從它開始的。USB驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)如下：
該結(jié)構(gòu)指明了USB設(shè)備驅(qū)動所要做的工作,，具體內(nèi)容如下：
(1)在驅(qū)動模塊加載的時候,，向USB核心子系統(tǒng)注冊,，并告訴子系統(tǒng)需要支持的設(shè)備。
(2)在卸載USB設(shè)備驅(qū)動程序向USB核心子系統(tǒng)注銷,。
(3)當獲支持的設(shè)備插入或者拔出的時候,，調(diào)用哪些功能。
在初始化函數(shù)中,，USB設(shè)備驅(qū)動調(diào)用usb_register函數(shù)進行注冊,。
以上介紹了簡單USB設(shè)備驅(qū)動程序的框架,。但是我們要進行的攝像頭驅(qū)動開發(fā)比上述驅(qū)動稍微復(fù)雜些,。除了之前講到的USB驅(qū)動還包括圖像采集部分的設(shè)備驅(qū)動。
首先,，我們需要定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其中一個包括圖片信息、采集模式,、解碼方式,。具體定義如下?！ ?/p>
LinuxUSB驅(qū)動程序需要做的第一件事情就是在LinuxUSB子系統(tǒng)里注冊,，并提供一些相關(guān)信息，例如這個驅(qū)動程序支持哪種設(shè)備,，當被支持的設(shè)備從系統(tǒng)插入或拔出時,，會有哪些動作,。所有這些信息都將傳送到USB子系統(tǒng)中,。以下代碼完成USB攝像頭的注冊功能：
以上定義的數(shù)據(jù)含義如下ZC301是客戶端驅(qū)動程序的名稱，用于避免驅(qū)動程序的重復(fù)安裝和卸載,。
zc301_probe則指向USB驅(qū)動程序的探測函數(shù)指針,，提供給USB內(nèi)核的函數(shù)，用于判斷驅(qū)動程序是否能對設(shè)備的某個接口進行驅(qū)動,。
zc301_disconnect指向USB驅(qū)動程序中的斷開函數(shù)的指針,，當從系統(tǒng)中被移除或者驅(qū)動程序正在從USB核心中卸載時，USB核心將調(diào)用該函數(shù),。
zc301_table列表包含了一系列該驅(qū)動程序可以支持的所有不同類型的USB設(shè)備,，如沒有設(shè)置該列表，則該驅(qū)動程序中的探測回調(diào)函數(shù)不會被調(diào)用,。
系統(tǒng)啟動時,，首先需要加載各種驅(qū)動模塊，然后向系統(tǒng)注冊了生產(chǎn)廠商號碼(VendorID)和產(chǎn)品號(Pro-ductID),。當USB設(shè)備連接到主機上,，系統(tǒng)會檢測它的VendorID和ProductID,，如果與驅(qū)動模塊的注冊內(nèi)容匹配，則將該驅(qū)動程序與設(shè)備掛接起來[5],。當插入攝像頭時,，系統(tǒng)會調(diào)用zc301_probe函數(shù)。參數(shù)dev指定了設(shè)備信息,，probe函數(shù)驗證所有可選配置的有效性,，并調(diào)用usbvideo模塊的sbvideo_Regis-terVideoDevice()函數(shù)向videodev系統(tǒng)注冊。
當系統(tǒng)完成驅(qū)動注冊后,，調(diào)用staticintzc301_init(structusb_zc301*zc301)和staticvoidzc301_start(structusb_301*zc301)函數(shù)完成對設(shè)備的初始化過程：填寫各個寄存器值,、啟動攝像頭。系統(tǒng)運行到這一步,，基本完成了對攝像頭驅(qū)動加載及設(shè)備初始化,。接下來需要通過讀取用戶設(shè)定的圖像規(guī)格，其中包括：圖像格式,、分辨率,、顏色深度、對比度和亮度等參數(shù),。這些數(shù)值的讀取都是通過以下函數(shù)實現(xiàn)的：
在得到這些參數(shù)值后,，再調(diào)用一套函數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置,。每個參數(shù)設(shè)置函數(shù)和之前的參數(shù)取值函數(shù)是一一對應(yīng)的,。具體函數(shù)如下：
通過調(diào)用上面的函數(shù)，我們基本得到了所需的參數(shù)值,，這樣我們就可以啟動攝像頭了,。
當然我們還需要staticvoidzc301_shutdown(structusb_zc301*zc301)來關(guān)閉攝像頭。
至此,，攝像頭驅(qū)動的驅(qū)動基本完成,。通過這些函數(shù)的設(shè)置我們可以把具體的硬件電路抽象化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)值。接下來我們可以通過V4L驅(qū)動來調(diào)用這些函數(shù),，實現(xiàn)對參數(shù)的賦值,、打開設(shè)備、采集圖像和關(guān)閉設(shè)備等一系列的過程,。
重新編譯,、運行內(nèi)核時，在串口反饋信息中會顯示USB攝像頭驅(qū)動程序成功加載,。如圖3所示,。
圖3串口反饋信息3Video4Linux下的圖像采集編程：
Video4Linux,簡稱V4L,是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動,，它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列半標準的接口,。V4L利用這個接口,，增加一些額外的功能，同時向外提供了一個屬于自己的API,。我們可以通過調(diào)用V4L的API來實現(xiàn)各種功能,。在Linux下，視頻采集設(shè)備的正常使用依賴于對Video4Linux標準的支持,。目前的V4L涵蓋了視,、音頻流捕捉及處理等內(nèi)容，USB攝像頭也屬于它支持的范疇,。
V4L中定義的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是由Video4Linux支持的,，它們的用途如下：
(1)video_capability包含攝像頭的基本信息，例如設(shè)備名稱,、支持的最大最小分辨率,、信號源信息等，分別對應(yīng)著結(jié)構(gòu)體中成員變量name,、maxwidth,、maxheight、minwidth,、minheight,、channels(信號源個數(shù))、type等;
(2)voide_picture包含設(shè)備采集圖像的各種屬性,，如brightness(亮度),、hue(色調(diào))、contrast(對比度),、whiteness(色度),、depth(深度)等;
(3)video_mmap用于內(nèi)存映射;
(4)voido_mbuf利用mmap進行映射的幀信息，實際上是輸入到攝像頭存儲器緩沖中的幀信息,，包括size(幀的大小),、frames(最多支持的幀數(shù)),、offsets(每幀相對基址的偏移),。
系統(tǒng)在采集圖像之前，需要初始化這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)值,，系統(tǒng)才能夠按照要求采集圖像數(shù)據(jù),。
在USB攝像頭被驅(qū)動后，只需要再編寫一個對視頻流采集的應(yīng)用程序就可以了,。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特征,，先在宿主機上編寫應(yīng)用程序，再使用交叉編譯器進行編譯鏈接,，生成在目標平臺的可執(zhí)行文件,。宿主機與目標板通信采用打印終端的方式進行交叉調(diào)試,，成功后移植到目標平臺。
V4L圖像采集編程流程：
(1)打開視頻設(shè)備;
(2)讀取設(shè)備信息;
(3)更改設(shè)備當前設(shè)置;
(4)視頻采集得到圖像信息;
(5)對采集到的圖像進行處理;
(6)關(guān)閉視頻設(shè)備,。
本文編寫采集程序是在安裝Linux操作系統(tǒng)的宿主機PC機上進行的,，之后再移植到開發(fā)板上。下面是具體論述,。
之前我們講到了在V4L中定義的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其功能,。對應(yīng)著這些內(nèi)容，我們需要對這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行定義,，以抽象化一個視頻設(shè)備,。以下是具體的定義內(nèi)容：
攝像頭、采集圖像和關(guān)閉攝像頭的操作,。采集程序中定義了如下的函數(shù),，以實現(xiàn)前面講到的功能。
intinit_videoIn(structvdIn*vd,char*device,intwidth,intheight,intgrabmethod);初始化攝像頭設(shè)備,。*vd包含了之前定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的基本信息,。另外還要對攝像頭采集圖像的大小、采集模式等參數(shù)進行賦值,。
intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename);采集圖像主程序,。*filename為圖像的文件名，我們可以通過對文件名的設(shè)置來確定圖像保存的位置,。
intclose_v4l(structvdIn*vd);關(guān)閉攝像頭intget_jpegsize(unsignedchar*buf,intinsize);采集圖像的大小,。
因為我們是通過調(diào)用采集主函數(shù)intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename)來實現(xiàn)圖像的采集和保存的，所以需要詳細的講解一下該函數(shù)的構(gòu)成,。以下是該函數(shù)的具體內(nèi)容：
首先,，我們需要定義幾個參數(shù)，如下：
FILE*fp;定義一個文件類型指針,，指向我們采集到的圖像文件intlen;
定義一個整型變量,，記錄從內(nèi)存中讀取的數(shù)據(jù)量intsize;
定義一個整型變量，指明一幀圖像的數(shù)據(jù)量interreur=0;定義一個整型變量,，指明運行時的錯誤返回值intjpegsize;定義一個整型變量,，指明我們需要的圖像大小。
接著我們調(diào)用read(vd->fd,vd->pFramebuffer,size)函數(shù),，把存放于圖像緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀入到指定的臨時文件中,。之后根據(jù)我們對圖像的大小、亮度,、對比度等要求轉(zhuǎn)化之前采集到的圖像數(shù)據(jù),，最后我們打開一個文件，把圖像數(shù)據(jù)寫入到該文件中并保存,。
4 結(jié)論
本文設(shè)計了一種嵌入式視頻采集系統(tǒng),，該系統(tǒng)小巧,，并且在保證當前信息完整的情況下，盡可能少的占用存儲容量,，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的圖像采集,、存儲和重現(xiàn)功能。在硬件規(guī)劃上,，采用實用簡單的USB接口通信,。且系統(tǒng)中預(yù)留了豐富的外設(shè)接口，便于今后的擴展升級,。