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(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(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(diǎn)并不適用于一些簡(jiǎn)單的應(yīng)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(jié)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(kuò)展性，并且成本、大小和實(shí)時(shí)處理都能夠滿足市場(chǎng)需求。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)通過(guò)當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)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 編寫的圖形顯示程序在LCD 上實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)的整體架構(gòu)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(shè)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(qū)動(dòng)
Linux 內(nèi)核能夠很好地支持OHCI（開(kāi)放式主機(jī)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(shè)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(nèi)核中才增加了針對(duì)zc301 系列芯片的驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)稱為L(zhǎng)inux UVC.本文采用的是Linux2.6.32.2 版本內(nèi)核，只需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，就可以實(shí)現(xiàn)功能了。
在配置菜單選項(xiàng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)是最重要的配置項(xiàng)。選擇的配置項(xiàng)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(qū)動(dòng)程序。
2.2 基于Video4Linux 的視頻圖像采集程序設(shè)計(jì)
Video4Linux（簡(jiǎn)稱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(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(shè)備驅(qū)動(dòng)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。
?。?）打開(kāi)視頻設(shè)備。
在Linux 中視頻設(shè)備是被作為設(shè)備文件來(lái)執(zhí)行的，本文USB 攝像頭的設(shè)備文件名為/dev/video0.
int my_v4l_open （char*dev，my_v4l_STruct*vd） 函數(shù)用于打開(kāi)視頻設(shè)備并初始化攝像頭設(shè)備，該函數(shù)調(diào)用open 函數(shù)可以讀設(shè)備文件，成功返回設(shè)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(shè)備信息。
int my_v4l_get_capability （my_v4l_struct*） 函數(shù)的功能是讀取設(shè)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(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_capability\n”）；
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(shù)需先初始化緩沖區(qū)，并進(jìn)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(shí)現(xiàn)映射，函數(shù)mmap（）返回值是系統(tǒng)實(shí)際分配的起始地址。函數(shù)my_v4l_mmap_init（）的部分代碼實(shí)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(shí)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(qū)動(dòng)程序的ioctl （） 函數(shù)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(jié)束與否，frame 是當(dāng)前采集的幀的序號(hào)。
采集工作結(jié)束后調(diào)用munmap 取消文件fd 與video_mbuf 的綁定。
munmap（vd- >map，vd- >mbuf.size）；
?。?）關(guān)閉設(shè)備在視頻采集完成后，必需關(guān)閉視頻設(shè)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(jiàn)的GUI 系統(tǒng)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(tái)的C++ 圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，它提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的功能，并且是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴(kuò)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(tái)，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(biāo)板上顯示閃爍的問(wèn)題，本文采用雙緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集圖像顯示，采用的是QPixmap 對(duì)象。QPixmap 是Qt 為圖像處理提供的類，主要用于圖像的繪制。實(shí)現(xiàn)雙緩沖時(shí)，先把要顯示的內(nèi)容繪制在這個(gè)QPixmap pixmap 對(duì)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(gè)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(gè)畫筆的屬性，如顏色、粗細(xì)、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(shè)置畫筆屬性
p.moveTo（50，330）；// 設(shè)置畫筆筆尖起始位置
p.lineTo（150，50）；// 開(kāi)始繪制框線
p.lineTo（490，50）；
…略
p.end（）；// 在QPixmap 上的所有繪制任務(wù)結(jié)束
p.begin（this ）；// 準(zhǔn)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(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的，QTimer 類提供了定時(shí)器信號(hào)和單觸發(fā)定時(shí)器。設(shè)置定時(shí)啟動(dòng)觸發(fā)周期，每當(dāng)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(diào)用VIDIOCMCAPTURE 函數(shù)完成對(duì)圖像的采集，并通過(guò)QPixmap 類將圖像顯示到LCD上。至此就可以通過(guò)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(shí)時(shí)顯示。
4 結(jié)論
本文基于ARM9 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，詳細(xì)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(tǒng)具有良好的移植性，可方便地進(jìn)行各種擴(kuò)展，采用Qt 進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)能夠極大地節(jié)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(qū)監(jiān)控等領(lǐng)域。