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引言 在研究遠程數字圖像處理與傳輸的過(guò)程中，需要在遠端現場(chǎng)進(jìn)行圖像處理，本文提出一個(gè)集圖像采集、處理與顯示于一體的嵌入式數字圖像處理系統，通過(guò)圖像獲取設備獲取目標圖像并進(jìn)行相關(guān)的算法處理，通過(guò)模塊化編程，將原始圖像和圖像處理結果獨立顯示出來(lái)，修改圖像處理模塊可以對不同的數字圖像處理算法進(jìn)行驗證和分析。利用本文所建立的系統可以大大提高遠端數字圖像處理的效率，并可利用該系統的網(wǎng)絡(luò )功能實(shí)現遠程傳輸，本文僅就系統的圖像獲取與處理功能作簡(jiǎn)要分析。 1 系統組成 硬件組成以S3C2410為核心，S3C2410內部集成了一個(gè)USB主控制器，所以無(wú)須外接USB控制芯片就可以做為USB主機．USB Host控制器與視頻采集攝像頭相連，通過(guò)在USB接口上外接的帶USB口的攝像頭，實(shí)現圖像采集。處理后的圖像可以顯示在一個(gè)320X240分辨率的液晶屏幕上，Flash用作存儲器保存系統軟件和圖像采集、處理的結果。圖1給出了系統的硬件組成框圖，圖2給出了系統的軟件層次結構圖。 
圖1 硬件組成構圖
圖2 軟件層次結構閣 軟件組成可以分為引導程序、操作系統和圖像采集與處理三部分。 引導程序的作用是初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統內核或用戶(hù)應用稃序準備好正確的環(huán)境。在本應用中采用的是ViVi作為引導程序來(lái)引導操作系統。 本系統選擇的是ARM-Linux作為操作系統，針對本系統的具體應用，需要配置操作系統內核支持Video For Linux和USB OV511 Camera，同時(shí)去掉一些不需要的模塊以減小操作系統內核的體積。操作系統內核是通過(guò)引導程序ViVi來(lái)下載到Flash存儲器上的，而引導程序ViVi則是通過(guò)Jtag下載到Flash存儲器中的。 圖像的采集、處理、顯示的程序是運行在A(yíng)RM-Linux操作系統之上的，其中圖像采集與圖像顯示模塊與操作系統平臺緊密相關(guān)，而圖像處理算法部分與平臺無(wú)關(guān)。 2 圖像采集 在本設計中通過(guò)USB攝像頭來(lái)采集圖像，在Linux內核中視頻部分的接口是Video For Linux(V4L)，V4L標準定義了一套接口，內核、驅動(dòng)、應用程序遵循這個(gè)接口標準就可以使視頻設備正常工作。目前V4L涵蓋了視、音頻流捕捉與處理方面的內容，USB攝像頭也屬于V4L支持的范疇。 在A(yíng)RM-Linux中，攝像頭設備映射為/dev/v41/vide00，所以只需對這個(gè)設備按照V4L標準規定的流程進(jìn)行操作就可以了。以下是關(guān)鍵步驟的程序代碼。 第一步：打開(kāi)采集設備 Fd_video=open(”/dev/v41/video0”，0_RDWR)； 第二步：查詢(xún)設備屬性 rc=ioctl(Fd_video，VIDIOCGCAP，&vC)；通過(guò)設備驅動(dòng)程序提供的ioctl接口來(lái)查詢(xún)設備的相關(guān)屬性，具體屬性用struct tvideo_capture類(lèi)型的結構體變量vc來(lái)存儲。video_capture是Linux下對視頻設備描述的結構體變量類(lèi)型之一。 第三步：查詢(xún)、設置將要采集的圖像的格式，包括大小、顏色位數、圖像數據表示格式等信息。在Linux中，這些信息保存在一個(gè)struct video_picture類(lèi)型的變量中。在本設計中用全局變量vp來(lái)保存查淘的信息。 ret=iocfl(Fd_video，VIDIOCGPICT,&vp)；//圖像相關(guān)信息保存在vP變量中 可以通過(guò)以VIDIOCSPICT為參數的ioctl調用來(lái)設置圖像的類(lèi)型，如在本系統中支持如下幾種類(lèi)型的圖像：24位RGB888格式的彩色圖像、16位RGB565格式的彩色圖像、256級灰度的灰度圖像。設置方法是先對vp的成員變量vp．palette進(jìn)行賦值，如VIDEO_PALETTE_RGB24、VIDEO_PALETFE_RGB565或者VIDEO_PALETYE_GREY等之一，然后調用ioetl(video，VIDIOCSPICT，&vp)來(lái)設置。同樣也可以設置分辨率等其它參數，方法與設置數據格式大同小異，不再贅述。 第四步：建立內存映射，把視頻設備的數據緩沖區地址映射到用戶(hù)進(jìn)程地址空間，這樣做比直接調用read()函數讀取數據的速度要快的多。在本設計中定義了一個(gè)unsigned char * 型的指針變量memoryMap來(lái)保存數據緩沖區的映射地址。 memoryMap = (unsigned char *) mmap (0，memoryBuffer．size，PROT_READ | PROT_WRITE，MAP_SHARED，Fd_video, 0 )；//建立數據緩沖區的映射 第五步：讀取數據。到這一步就可以采集圖像數據了，可以在采集到一幅圖像的數據后觸發(fā)下一個(gè)幅圖像開(kāi)始采集的信號，然后在這段時(shí)間里進(jìn)行圖像處理的運算，這樣可以最大限度的利用圖像采集設備，從而提高系統的效率。攝像頭的驅動(dòng)提供了這種雙緩沖機制，通過(guò)向攝像頭發(fā)送VIDIOCMCAPTURE控制命令，就會(huì )觸發(fā)采集圖像數據到指定的緩沖區中，這一步是不會(huì )阻塞當前進(jìn)程的，程序會(huì )執行下一條指令而不是等到數據采集完畢。通過(guò)向攝像頭發(fā)送VIDIOCSYNC控制命令，當前進(jìn)程就會(huì )阻塞直到指定的緩沖區數據填滿(mǎn)。處理的流程如下所示： VIDIOCMCA玎uRE buffer 0 //觸發(fā)buffer0開(kāi)始采集 While(1) { VIDIOCMCAPTURE buffer 1 //觸發(fā)buffer1開(kāi)始采集 VIDIOCSYNC buffer 0 //同步buffer0中的數據 ... //process buffer 0 //處理得到的buffer0中數據 ... VIDIOCMCAPTURE buffer 0 //觸發(fā)buffer0開(kāi)始采集 VIDIOCSYNC buffer 1 //同步buffer1中的數據 ... //process buffer 1 //處理得到的bufferl中數據 ... } 3 圖像處理 圖像處理是一門(mén)復雜的技術(shù)，它涉及到圖像預處理、圖像分析、圖像理解等多個(gè)方面。它和其它多個(gè)學(xué)科有著(zhù)密切的聯(lián)系，尤其是近年來(lái)模式識別理論和技術(shù)、人工智能理論、分形理論以及小波分析技術(shù)等相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，為圖像處理技術(shù)的研究提供了堅實(shí)的理論基礎和新的分析手段。針對于不同應用背景采用的處理流程和算法各不相同，但是都必須首先獲得圖像的數據，然后在根據需要選擇處理流程和相關(guān)算法。在這里本文并不詳細介紹圖像處理的流程和算法，只給出在本系統平臺上實(shí)現的圖像處理算法的效果圖。圖3是通過(guò)攝像頭采集到的彩色圖像，圖4是經(jīng)過(guò)灰度轉化、二值化、邊緣檢測、細化和連通域榆測后的效果圖。
圖3 攝像頭采集到的圖像
圖4 處理效果顯示 4 圖像顯示 本設計采用的是一個(gè)240X320分辨率的16位液晶屏幕，可以通過(guò)操作S3C2410內部的相關(guān)寄存器來(lái)直接控制顯示，由于采用了ARM-Linux作為操作系統，可以直接操作Linux下的Framebuffer設備來(lái)完成圖像的顯示，幀緩沖(Framebuffer)是Linux為顯示設備提供的一個(gè)接口，把顯存抽象后的一種設備，他允許上層應用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)操作。這種操作是抽象的、統一的。用戶(hù)不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁(yè)機制等等具體細節。這些都是由Framebuffer設備驅動(dòng)來(lái)完成的。 在應用程序中首先要打開(kāi)Framebuffer設備，在Linux系統中Framebuffer設備一般映射為/dev/fb，可以有多個(gè)設備。然后調用ioctl提供的接口獲取設備信息，主要是獲得當前Framebuffer設備的分辨率、色深、每一行數據占的字節數。關(guān)鍵的一步是將屏幕緩沖區映射到用戶(hù)空間，Framebuffer設備可以看成是顯存的映像，但是Linux所有的設備驅動(dòng)均在內核態(tài)工作，所以無(wú)法在當前進(jìn)程空間中直接訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)映射機制可以直接把顯存的起始地址映射到當前進(jìn)程的地址空間，從而可以快速方便的實(shí)現顯示，建立映射的方法如下： pfb=mmap (0，FBDraw_finfo．smem_len，PROT_READ | PROT_WRITE，MAP_SHARED，fd，0)； //以read、write和share方式映射 屏幕上坐標為(x，y)的點(diǎn)在顯存中的位置是： pro+x * (fb_vinfo．bits_per_pixel>>3)+Y * fb_finfo．line_length, 對這個(gè)位置賦響應的顏色值就可以在屏幕上顯示出來(lái)。需要注意的是當色深(fb_vinfo．bits_per_pixel)不同時(shí)，顏色值的格式也不一樣。 把經(jīng)過(guò)圖像處理后的圖像數據或者采集到的原始圖像數據轉化成Framebuffer設備的顏色數據格式(RGB565、RGB888等)后，將數據復制到從地址pfb開(kāi)始的內存中，就可以實(shí)現圖像的顯示。 5 結束語(yǔ) 本文設計了以ARM核處理器S3C2410為計算與控制核心，以ARM-Linux為操作系統的圖像采集、處理、顯示的一個(gè)平臺，用于圖像處理中算法驗證，調試與實(shí)際使用表明，該系統具有良好的使用效果和較高的丁作效率，現已用于戰場(chǎng)偵察系統的演示。同時(shí)本系統具有功耗小、體積小、網(wǎng)絡(luò )功能強等特點(diǎn)，可以方便的擴展到偵察、安防、視頻采集等領(lǐng)域。 本文創(chuàng )新點(diǎn)：利用ARM平臺，結合嵌入式操作系統進(jìn)行圖像采集和處理，在較小的系統內實(shí)現了主要的圖像系統功能，取得較好的效果，并具有良好的應用前景。 項目經(jīng)濟效益（50萬(wàn)元） 作者：賈晶晶，劉明杰，孫凱 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
