引言

　　圖像采集與存儲(chǔ)功能構(gòu)成的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范技術(shù)體系中不可缺少的重要組成部分,，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(jìn)步,。因此,，基于嵌入式技術(shù)的圖像數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富的特點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于許多場合,。

　　監(jiān)控系統(tǒng)工作于特定的環(huán)境下，具有很特殊的環(huán)境和結(jié)構(gòu)要求,，這對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)提出了很高的要求,。處理器性能的提高，接口傳輸數(shù)據(jù)能力的增強(qiáng),，特別是未來高容量存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的,，嵌入式技術(shù)引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)后，兩個(gè)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(hào)檢測與控制一體的交互式軟件的設(shè)計(jì),。

　　1 系統(tǒng)平臺(tái)的搭建

　　1.1 硬件平臺(tái)的搭建

　　ARM（AdvancedRISCMachines）,，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的統(tǒng)稱,，還可以認(rèn)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(dú)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(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備,，SD主機(jī)和MMC接口,，2路SPI。S3C2410處理器最高可運(yùn)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?yàn)镾3C2410內(nèi)部只有很小的存儲(chǔ)空間,，所以我必須外擴(kuò)系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(chǔ)空間,，系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(duì)圖像進(jìn)行采集,，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。

　　1.2 軟件平臺(tái)的搭建

　　嵌入式Linux（EmbeddedLinux）是指對(duì)Linux經(jīng)過裁剪小型化后,，可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)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,。

　　2 USB攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)

　　在Linuxkernel源碼目錄中driver/usb/usb_skeleton.c提供了一個(gè)最基礎(chǔ)的USB驅(qū)動(dòng)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(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng),。我們的USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)也是從它開始的。USB驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)如下：

　　該結(jié)構(gòu)指明了USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)所要做的工作,，具體內(nèi)容如下：

　?。?）在驅(qū)動(dòng)模塊加載的時(shí)候，向USB核心子系統(tǒng)注冊(cè),，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(dòng)程序向USB核心子系統(tǒng)注銷,。

　?。?）當(dāng)獲支持的設(shè)備插入或者拔出的時(shí)候，調(diào)用哪些功能,。

　　在初始化函數(shù)中,，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用usb_register函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)。

　　引言

　　圖像采集與存儲(chǔ)功能構(gòu)成的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范技術(shù)體系中不可缺少的重要組成部分,，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(jìn)步。因此,，基于嵌入式技術(shù)的圖像數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀,、方便、信息內(nèi)容豐富的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于許多場合,。

　　監(jiān)控系統(tǒng)工作于特定的環(huán)境下,，具有很特殊的環(huán)境和結(jié)構(gòu)要求，這對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)提出了很高的要求,。處理器性能的提高,，接口傳輸數(shù)據(jù)能力的增強(qiáng)，特別是未來高容量存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的，嵌入式技術(shù)引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)后,，兩個(gè)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(hào)檢測與控制一體的交互式軟件的設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)平臺(tái)的搭建

　　1.1 硬件平臺(tái)的搭建

　　ARM（AdvancedRISCMachines）,，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字,，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的統(tǒng)稱，還可以認(rèn)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(dú)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(gè)USB主機(jī),，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口,，2路SPI,。S3C2410處理器最高可運(yùn)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?yàn)镾3C2410內(nèi)部只有很小的存儲(chǔ)空間,，所以我必須外擴(kuò)系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(chǔ)空間,，系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(duì)圖像進(jìn)行采集,，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,。

　　1.2 軟件平臺(tái)的搭建

　　嵌入式Linux（EmbeddedLinux）是指對(duì)Linux經(jīng)過裁剪小型化后，可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)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。

　　2 USB攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)

　　在Linuxkernel源碼目錄中driver/usb/usb_skeleton.c提供了一個(gè)最基礎(chǔ)的USB驅(qū)動(dòng)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(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng),。我們的USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)也是從它開始的,。USB驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)如下：

　　該結(jié)構(gòu)指明了USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)所要做的工作，具體內(nèi)容如下：

　?。?）在驅(qū)動(dòng)模塊加載的時(shí)候,，向USB核心子系統(tǒng)注冊(cè)，并告訴子系統(tǒng)需要支持的設(shè)備,。

　?。?）在卸載USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向USB核心子系統(tǒng)注銷。

　?。?）當(dāng)獲支持的設(shè)備插入或者拔出的時(shí)候,，調(diào)用哪些功能。

　　在初始化函數(shù)中,，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用usb_register函數(shù)進(jìn)行注冊(cè),。

　　以上介紹了簡單USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架。但是我們要進(jìn)行的攝像頭驅(qū)動(dòng)開發(fā)比上述驅(qū)動(dòng)稍微復(fù)雜些,。除了之前講到的USB驅(qū)動(dòng)還包括圖像采集部分的設(shè)備驅(qū)動(dòng),。

　　首先，我們需要定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其中一個(gè)包括圖片信息,、采集模式,、解碼方式。具體定義如下,。

　　LinuxUSB驅(qū)動(dòng)程序需要做的第一件事情就是在LinuxUSB子系統(tǒng)里注冊(cè),，并提供一些相關(guān)信息，例如這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序支持哪種設(shè)備,，當(dāng)被支持的設(shè)備從系統(tǒng)插入或拔出時(shí),，會(huì)有哪些動(dòng)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(cè)功能：

　　以上定義的數(shù)據(jù)含義如下ZC301是客戶端驅(qū)動(dòng)程序的名稱,，用于避免驅(qū)動(dòng)程序的重復(fù)安裝和卸載。

　　zc301_probe則指向USB驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序是否能對(duì)設(shè)備的某個(gè)接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

　　zc301_disconnect指向USB驅(qū)動(dòng)程序中的斷開函數(shù)的指針,，當(dāng)從系統(tǒng)中被移除或者驅(qū)動(dòng)程序正在從USB核心中卸載時(shí),，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(dòng)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(dòng)程序中的探測回調(diào)函數(shù)不會(huì)被調(diào)用。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),，首先需要加載各種驅(qū)動(dòng)模塊，然后向系統(tǒng)注冊(cè)了生產(chǎn)廠商號(hào)碼（VendorID）和產(chǎn)品號(hào)（Pro-ductID）,。當(dāng)USB設(shè)備連接到主機(jī)上,，系統(tǒng)會(huì)檢測它的VendorID和ProductID，如果與驅(qū)動(dòng)模塊的注冊(cè)內(nèi)容匹配,，則將該驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備掛接起來［5］,。當(dāng)插入攝像頭時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(yàn)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(cè),。

　　當(dāng)系統(tǒng)完成驅(qū)動(dòng)注冊(cè)后,，調(diào)用staticintzc301_init（structusb_zc301*zc301）和staticvoidzc301_start（structusb_301*zc301）函數(shù)完成對(duì)設(shè)備的初始化過程：填寫各個(gè)寄存器值、啟動(dòng)攝像頭,。系統(tǒng)運(yùn)行到這一步,，基本完成了對(duì)攝像頭驅(qū)動(dòng)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(duì)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(shí)現(xiàn)的：

　　在得到這些參數(shù)值后,，再調(diào)用一套函數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置,。每個(gè)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(duì)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(dòng)攝像頭了,。

　　當(dāng)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)來調(diào)用這些函數(shù),，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行內(nèi)核時(shí)，在串口反饋信息中會(huì)顯示USB攝像頭驅(qū)動(dòng)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(dòng),，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列半標(biāo)準(zhǔn)的接口。V4L利用這個(gè)接口,，增加一些額外的功能,，同時(shí)向外提供了一個(gè)屬于自己的API。我們可以通過調(diào)用V4L的API來實(shí)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(duì)Video4Linux標(biāo)準(zhǔn)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：

　?。?）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(hào)源信息等,，分別對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)體中成員變量name、maxwidth,、maxheight,、minwidth、minheight,、channels（信號(hào)源個(gè)數(shù)）,、type等；

　?。?）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(duì)比度）,、whiteness（色度）、depth（深度）等,；

　?。?）video_mmap用于內(nèi)存映射；

　?。?）voido_mbuf利用mmap進(jìn)行映射的幀信息,，實(shí)際上是輸入到攝像頭存儲(chǔ)器緩沖中的幀信息，包括size（幀的大?。?、frames（最多支持的幀數(shù)）、offsets（每幀相對(duì)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(dòng)后,，只需要再編寫一個(gè)對(duì)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(jī)上編寫應(yīng)用程序，再使用交叉編譯器進(jìn)行編譯鏈接,，生成在目標(biāo)平臺(tái)的可執(zhí)行文件,。宿主機(jī)與目標(biāo)板通信采用打印終端的方式進(jìn)行交叉調(diào)試，成功后移植到目標(biāo)平臺(tái),。

　　V4L圖像采集編程流程：

　?。?）打開視頻設(shè)備；

　?。?）讀取設(shè)備信息,；

　?。?）更改設(shè)備當(dāng)前設(shè)置；

　?。?）視頻采集得到圖像信息,；

　　（5）對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理,；

　?。?）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(jī)PC機(jī)上進(jìn)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(duì)應(yīng)著這些內(nèi)容,，我們需要對(duì)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，以抽象化一個(gè)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(shí)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(duì)攝像頭采集圖像的大小,、采集模式等參數(shù)進(jìn)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(duì)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?yàn)槲覀兪峭ㄟ^調(diào)用采集主函數(shù)intv4lGrab（structvdIn*vd，char*filename）來實(shí)現(xiàn)圖像的采集和保存的,，所以需要詳細(xì)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(gè)參數(shù)，如下：

　　FILE*fp;定義一個(gè)文件類型指針,，指向我們采集到的圖像文件intlen;

　　定義一個(gè)整型變量,，記錄從內(nèi)存中讀取的數(shù)據(jù)量intsize;

　　定義一個(gè)整型變量，指明一幀圖像的數(shù)據(jù)量interreur=0;定義一個(gè)整型變量,，指明運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤返回值intjpegsize;定義一個(gè)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(shí)文件中,。之后根據(jù)我們對(duì)圖像的大小,、亮度、對(duì)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(gè)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(jì)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(dāng)前信息完整的情況下，盡可能少的占用存儲(chǔ)容量,，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的圖像采集,、存儲(chǔ)和重現(xiàn)功能。在硬件規(guī)劃上,，采用實(shí)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(kuò)展升級(jí),。