基于ARM的嵌入式USB图像采集与显示

　　摘要：基于ARM9 处理器和嵌入式Linux 操作系统，文章研究了视频图像采集与显示的一般方法。以USB 摄像头采集图像为例，介绍了Linux 系统下基于Video4Linux 进行视频图像采集的一般过程，并且最终通过Qt/Embedded 编写的图形界面将采集到的视频图像在LCD 上实时地显示出来。
   　　引言
   　　目前市场上大部分的图像采集与处理系统是基于DSP 芯片的，这种图像采集与处理系统成本高、功耗高、体积约束等特点并不适用于一些简单的应用。随着USB 摄像头的普及和基于ARM 的嵌入式芯片的快速发展，将二者结合的便携性越来越受人们欢迎。本文介绍了一种基于三星S3C2440A 芯片的嵌入式USB 摄像头图像采集与显示方案，该方案具有良好的可移植性和扩展性，并且成本、大小和实时处理都能够满足市场需求。
   　　1 系统架构
   　　系统通过当前市场上应用最广泛的中芯微公司生产的zc301p 芯片的USB 摄像头进行图像采集，然后将图像信息传送到ARM 芯片中进行处理，最终通过基于Qt/Embedded 编写的图形显示程序在LCD 上实时显示。系统的整体架构如图1 所示。
   
   　　
   
   　　2 视频图像采集
   　　系统采用中芯微公司生产的zc301p 芯片的USB 摄像头作为图像采集设备，并介绍了基于Video4Linux 编程协议进行视频图像采集的一般过程。
   　　2.1 USB 摄像头驱动
   　　Linux 内核能够很好地支持OHCI（开放式主机控制接口协议），并且能够很好地支持包括OV511系列摄像头在内的各种各样的USB 设备，但是并不包括zc301pUSB 摄像头。直到后来2.6.27 版本左右的内核中才增加了针对zc301 系列芯片的驱动，统称为Linux UVC.本文采用的是Linux2.6.32.2 版本内核，只需要对内核进行简单的配置，就可以实现功能了。
   　　在配置菜单选项中，设备驱动是最重要的配置项。选择的配置项如下：
   　　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
   　　现在，内核被配置成可以支持Video4Linux 的视频接口，并且加入了支持zc301pUSB 摄像头的驱动程序。
   　　2.2 基于Video4Linux 的视频图像采集程序设计
   　　Video4Linux（简称V4L）为目前市场常见的电视捕获卡和并口及USB 口的摄像头提供统一的编程接口。在Linux 内核中它为用户空间提供统一的编程接口，V4L 分为两层：底层是音频和视频设备驱动程序的内核；上层为系统提供一些API 接口信息。视频图像采集流程如图2 所示。
   
   　　
   
   　　（1）打开视频设备。
   　　在Linux 中视频设备是被作为设备文件来执行的，本文USB 摄像头的设备文件名为/dev/video0.
   　　int my_v4l_open （char*dev，my_v4l_STruct*vd） 函数用于打开视频设备并初始化摄像头设备，该函数调用open 函数可以读设备文件，成功返回设备描述符，失败返回- 1.主要程序代码如下：
   　　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）；}
   　　……}
   　　（2）读设备信息。
   　　int my_v4l_get_capability （my_v4l_struct*） 函数的功能是读取设备基本信息， 它利用ioctl（vd_fd，VIDIOCGCAP，&（vd- >capability） 来读取有关摄像头的信息。该函数成功返回后将这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间capability 各成员分量中，使用printf 函数就可得到各成员分量信息。具体如下：
   　　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;}
   　　（3）视频图像采集。
   　　本文通过mmap 方式来采集视频图像信息。为了获得映射的帧缓冲信息，my_v4l_mmap_init（my_v4l_struct*）函数需先初始化缓冲区，并进行内存与缓冲区的绑定，其中函数mmap 用于将文件fd与video_mbuf 绑定实现映射，函数mmap（）返回值是系统实际分配的起始地址。函数my_v4l_mmap_init（）的部分代码实现如下：
   　　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 与video_mbuf 绑定，实现映射*/
   　　vd- >mmapsize=vd- >videombuf.size;
   　　vd- >vmmap.height=vd- >hdrheight;
   　　vd- >vmmap.width=vd- >hdrwidth;
   　　vd- >vmmap.format=vd- >formaTIn;
   　　vd- >vmmap.frame=0;
   　　……}
   　　然后利用驱动程序的ioctl （） 函数的VIDIOCMCCAPTURE 和VIDIOCSYNC 命令来获取图像。其中ioctl （vd- >fd，VIDIOCMCAPTURE，&（vd- >mmap）） 开始一帧图像的采集，是非阻塞的；ioctl（vd- >fd，VIDIOCSYNC，&frame）用于判断一帧图像采集过程结束与否，frame 是当前采集的帧的序号。
   　　采集工作结束后调用munmap 取消文件fd 与video_mbuf 的绑定。
   　　munmap（vd- >map，vd- >mbuf.size）；
   　　（4）关闭设备在视频采集完成后，必需关闭视频设备。
   　　close（vd- >fd）；
   
   　　3 基于Qt/Embedded 图像显示程序的编写
   　　基于嵌入式Linux 常见的GUI 系统有MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI和基于Framebuffer［5］的Qt/Embedded［4］.Qt 是诺基亚开发的一个跨平台的C++ 图形用户界面应用程序框架，它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的功能，并且是完全面向对象的，很容易扩展，允许真正的组件编程。正是基于以上优点，本文采用Qt/Embedded 开发平台，并将基于Qt 的图形界面Qtopia 移入我们的文件系统中。
   　　为了避免由于图像数据量大而在目标板上显示闪烁的问题，本文采用双缓冲技术实现采集图像显示，采用的是QPixmap 对象。QPixmap 是Qt 为图像处理提供的类，主要用于图像的绘制。实现双缓冲时，先把要显示的内容绘制在这个QPixmap pixmap 对象上，然后再用一步操作把pixmap 绘制在屏幕上。基于Qt 图像显示及辅助框线绘制的部分代码段如下：
   　　QPixmap pix （width （），height （））；// 定义一个QPixmap 用于在上面绘制图像及框线
   　　QPainter p（&pix）；// 定义绘制工具
   　　QPainterQPen pen （yellow，3，DotLine）；// 定义一个画笔的属性，如颜色、粗细、线条样式
   　　p.drawImage （0，0，img）；// 把摄像头采集到的图像绘制到QPixmap 上
   　　p.setPen（pen）；// 设置画笔属性
   　　p.moveTo（50，330）；// 设置画笔笔尖起始位置
   　　p.lineTo（150，50）；// 开始绘制框线
   　　p.lineTo（490，50）；
   　　…略
   　　p.end（）；// 在QPixmap 上的所有绘制任务结束
   　　p.begin（this ）；// 准备把QPixmap 绘制到屏幕上
   　　p.drawPixmap （0，0，pix）；// 绘制QPixmap 到屏幕操作，图像显示到LCD 上
   　　图像数据的连续采集和显示是通过定时器实现的，QTimer 类提供了定时器信号和单触发定时器。设置定时启动触发周期，每当定时器时间到就触发一个定时器事件，在事件中调用VIDIOCMCAPTURE 函数完成对图像的采集，并通过QPixmap 类将图像显示到LCD上。至此就可以通过基于Qt 编写的图形界面程序，将USB 摄像头采集的视频图像在LCD 上实时显示。
   　　4 结论
   　　本文基于ARM9 处理器和嵌入式Linux 操作系统，详细介绍了一种USB 摄像头图像采集与显示的通用方法。Linux 代码完全开源，系统具有良好的移植性，可方便地进行各种扩展，采用Qt 进行人机界面的设计能够极大地节省开发成本和周期。本方案经推广可用于工业控制、智能交通、小区监控等领域。