基于S3C44B0开发板的图像采集方法研究

1 引言

Linux嵌入式系统，具有高性能、低功耗、体积小、可靠性高、源代码开放等优点，逐渐被越来越多的人认可并使用。原先只有在PC机上实现的功能，如今也被移植到了更加方便的嵌入式系统上。在嵌入式多媒体开发中，视频采集、存储、处理是必不可少的环节。CMOS传感器USB摄像头以其低廉的价格和较高的性能，成为了图片采集首选工具。至于图像传输，传统的有线传输已经开始被无线网络传输所替代。这里就着重介绍一下，图像采集。

2 软硬件平台

S3C44B0是三星公司为手持设备推出的16/32位RISC处理器，总线结构为SAMBAII，速度可达75MHz，它使用ARM7TDMI内核，采用0.25umCMOS工艺制造。S3C44B0提供了丰富的内置部件，包括：8KB Cache和内部4MB Flash，8MB SDRAM，LCD控制器，2个具有握手功能的UART，4通道DMA，一个内部定时器，71个通用目的I/O端口，8个外部中断源， 8通道10-bit ADC，IIC总线接口，IIS总线接口，同步SIO接口和PLL倍频器，一个外扩USB HOST，接摄像头，将摄像头采集的图片信息存储到内存空间中。采用uCLinux操作系统，它是由Linux经过裁减后的微型Linux操作系统，它经编译压缩后的二进制文件只有700k左右，适合嵌入式开发环境使用。通常的在PC机上进行的软件开发模式不适用于嵌入式系统。因为嵌入式系统没有足够的系统资源来满足开发需要，因此在开发过程中，需要在PC机上建立一个交叉编译环境对程序进行编译、链接，然后将程序烧写入开发板运行。这里用到的交叉编译环境是arm-elf-tools-20030314.sh，只需在终端执行sh arm-elf-tools-20030314.sh即可安装好交叉编译环境。之后在该环境中进行开发，调试通过后，再经过编译，将程序烧写入嵌入式系统中运行。

3 图像采集

Linux 设备驱动一般分字符设备、块设备、网络设备三种类型[1]。而在Linux下要使用系统所挂接的外围设备，必需加载相应的驱动程序。这里采用的是网眼V3000摄像头作为图像采集设备，它采用的USB控制器为OV511，Linux操作系统支持该驱动模块。在编译 uCLinux内核时，主要是经过配置内核、编译内核、生成镜像几个过程。进入uCLinux的kernel目录，在终端输入make menuconfig配置内核，进入usb support，选中USB OV511 Cameral support。保存退出后make dep建立依赖关系、make zImage产生镜像，编译完毕，将编译好的内核烧写入ARM板，则uCLinux系统就支持该摄像头模块。

3.1 Video For Linux[2]

Linux操作系统内核自带了一套Video For Linux（V4L）程序接口。它是Linux中关于视频设备的内核驱动，支持包括视频捕捉卡、摄像头等设备。应用程序可以利用这个程序接口，使硬件设备与内核进行交互，从而实现采集图像的目的。V4L提供了一套比较完整的I/O操作接口，open、close、read、write、ioctl，内存映射功能和I/O通道的接口函数ioctl，并将它们定义在struct file_operations数据结构体中。当应用程序对设备文件进行诸如open等系统调用操作时，Linux内核将通过 file_operations结构访问驱动程序提供的函数接口。V4L需要编译进内核，具体方法为在终端/usr/src/linux目录下输入 make menuconfig，进入设置界面选中multimedia devices选项，选中Video For Linux，保存退出后，make dep、make image即可。目前较高版本的Linux操作系统都已经把V4L编译进了内核，不再需要重新编译。V4L中定义了许多结构体，包含了获取图片用到的所有属性，因此在程序头文件中，应该加入#include<linux/videodev.h>。

3.2 图像采集

利用V4L进行图像采集，有两种方法，一种是read（）[3]方法，直接进入缓冲区里读取图片信息；另一种方法就是mmap（）方法，该方法是把设备内存映射到用户地址空间中,各进程可以共享该内存空间，加快了访问速度。

Linux中摄像头属于字符设备，因此，可以把摄像头看作文件一样操作。首先打开摄像头设备，应用到了标准函数open（），并以读写方式打开设备文件[4]：
int fd= open（dev_videodevice,O_RDWR）;
if(fd<0);
{
    perror(“open error”);
    return(0);
}
ioctl(fd,VIDIOCGCAP,&cap);
//读取摄像头设备信息，包括设备名称、支持分辨率、信号源属性等，使用printf函数即可输出查看各属性值
ioctl(fd,VIDIOCGCHAN,&cha);
//读取摄像头通道参数，可以不设置
ioctl(fd,VIDIOCGPICT,&pic);
//获取缓冲中设备参数，包palette、depth等，并可以在用户内存空间修改
ioctl(fd,VIDIOCSPICT,&spi);
//设置要采集图片的参数：颜色深度、调色板类型、亮度、对比度、色度等
ioctl(fd,VIDIOCSWIN,&win);
//设置图片窗口大小，分别奖宽和高赋值予window.width，window.height
ioctl(fd,VIDIOCMCAPTURE,&vmmap);
//获取一帧图片
ioctl(fd,VIDIOCSYNC,&mmap.frame);

//判断是否获取成功

程序详细流程如下：

网眼V3000摄像头支持depth=24，palette=VIDEO_PALETTE_RGB24,输出图片为BMP格式，因此在程序中需要对BMP的格式进行定义。

BMP格式包括位图文件头：struct tatBITMAPFILEHEADER

位图信息头：struct tagBITMAPINFOHEADER

彩色表：struct tagRGBQUAD,

需要说明的是，BMP格式的图像数据阵列存储的扫描行是由下往上存储的，即图像第一个像素在左下角，最后一个像素在右上角，因此在读取的时候要注意。
（1）用read（）方法获取图片，将图片数据直接读到用户内存空间，然后写入文件。
read(fd,data,size);  //将fd所指位置size大小的数据读写到data内存空间
fwrite(&bf,14,1,fp);  //BMP文件头信息写入文件
fwrite(&bi,40,1,fp);  //BMP位图信息头信息写入文件
fwrite(buffer,ImageSize,1,fp);  //图片写入文件

（2）用mmap（）内存映射方法，需要ioctl（fd,VIDIOCGMBUF,&mbuf）获取缓冲区的帧信息，调用mmap（）函数把设备文件映射到内存区，这样就可以把读到的信息，读写到文件里。内存映射法加速了I/O的访问速度，它使得各进程指向一块共享内存空间，各进程可以随时进行访问，因此内存映射获取图片的方法速度要比read（）方法快一些。
//设置图像水平和垂直分辨率及、彩色显示格式
vmmap.height=height;
vmmap.width=width;
vmmap.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
//调用mmap进行内存映射
buffer=mmap(0,buf.size,PORT_READ|PORT_WRITE,MAP_SHARD,fd,0);
picture.depth=24;
ioctl(fd,VIDIOCSPICT,&picture)
//采集图像
if(ioctl(fd,VIDIOCMCAPTURE,&vmmap)<0)
{perror("VIDIOCMCAPTURE");
return 0;
}
//判断采集是否完成
if (ioctl(fd,VIDIOCSYNC,&buf)<0)
perror("VIDIOCSYNC");

单帧图片采集完毕，采集图片实验效果如下：

4 总结

在图像采集过程中，因为BMP格式的特殊原因，用read（）方法采集图片是倒立的，因为其扫描行是自下往上存储，因此在将图片写入文件时，可以自下往上写入，读出来的图片将是正立的；或者另行编写代码将BMP文件转过来。具体方法可以参考BMP文件格式。完成图像采集工作后，配上无线上网设备，将图片传至Internet，将形成一个实时监控系统或者远程数据采集系统，可扩展到较广的应用范围。

本文作者创新点：基于无MMU的ARM7的数据采集应用较少，大部分相关开发都是建立在高端的ARM9基础上。建立节约型社会的今天，能使用规格和价格较低的设备开发同样的产品，也让其有较广的应用前景和市场。

参考文献：
[1]ALESSANDRO RUBINI .LINUX设备驱动程序[M].魏永明,等译.北京：中国电力出版社，2002
[2]Alan Cox.Video4Linux Programming. alan@redhat.com.2000
[3]K.Wall,等.GNU/LINUX编程指南[M].王勇等译.北京：清华大学出版社，2000
[4]徐伟等.基于AT91RM9200的图像采集系统设计[J].微计算机信息，2006，11