基于嵌入式平台的USB摄像头图像采集及显示

钱 鹰，陈胜利

（1.重庆邮电大学 软件学院，重庆 400065；2.重庆邮电大学 自动化学院，重庆 400065）

随着科技的进步和社会的发展，数字视频图像的采集、存储、处理及传输技术在最近几年得到了广泛的应用，与传统图像处理系统相比，嵌入式图像处理系统具有体积小、成本低、可靠性高等优点，在智能交通、远距离监控、计算机视觉等领域广泛运用。而嵌入式Linux系统具有源代码开放、内核稳定、可裁减性、驱动丰富等特点，吸引着众多商业公司和自由软件开发者的目光，成为嵌入式系统领域不可或缺的操作系统之一。

文献[1]详细介绍了嵌入式中的交叉编译环境的搭建及移植技术，但该论文没有说明具体实际的应用。在文献[2]中介绍了ARM920T的嵌入式Linux下利用USB摄像头采集图像的硬件、软件设计过程，但在设计图片显示的GUI时只是简单的显示而没有设计对采集图片的操作。文献[3]分析了V4L2的图像采集驱动和流程，然后在Qt环境下设计并实现采集终端软件设计，最后在Tiny6410平台上移植嵌入式视频采集终端，受该文献的启发，本文在完成V4L图像采集驱动及内核的定制之后，直接利用Qt库设计GUI显示，并在设计GUI时考虑了对采集图像的放大、缩小等简单操作，最终在Linux环境下完成交叉编译，并将交叉编译所得的可执行文件直接运行于OK6410开发板。

1 系统架构

文中使用的系统架构如图1所示。该架构采用Samsung公司的处理器S3C6410，该处理器是一款低功耗、高性价比的RSIC处理器，它基于 ARM11内核（ARM1176JZF-S），资源丰富，执行ARMv6架构的指令，ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计，以改善视频处理性能，拥有强大的内部资源和视频处理能力，可稳定运行在667 MHz主频以上，支持Mobile DDR和多种NAND Flash。

开发板硬件模块包括1个100 M网口、无线网卡、高速SD卡座、CMOS摄像头接口、JTAG接口。在处理器丰富的资源基础上，还进行了相关配置和扩展，平台另外配置了128 M字节Mobile DDR内存和1 G字节NAND Flash。

2 嵌入式Linux内核的定制及摄像头驱动的加载

图1 系统整体架构Fig.1 Structure of the system

由于嵌入式Linux具有成本低、代码开放、移植性好的特点，其用于嵌入式系统的优势和发展潜力是不容置疑的。在嵌入式系统中，由于硬件资源有限，需要对Linux内核进行嵌入式化，即通过配置内核、裁剪shell和嵌入式C库对系统进行定制，使得整个系统能够存放到容量较小的FLASH中。

Linux平台的驱动一般分为字符设备、块设备和网络设备3种类型。而在Linux下要使系统所挂接的外部设备正常工作，必须加载相应的驱动程序，Linux下对于一个硬件的驱动，可以有两种方式：一种是直接加载到系统的内核当中去，另一种是以模块方式进行加载，就是在编译内核的时候，同时生成可重定位的目标文件（.o文件），动态方式与静态方式相比，测试时要简单的多，不需要下载整个内核，只需通过NFS加载驱动即可测试，在测试成功后就可以编译进内核[4]，因此本文采用第一种方法。

又由于Video4Linux是Linux中关于视频设备的内核驱动，并为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，因此，在Linux下进行图像的采集首先必须加在Video4Linux模块和USB及ZC301设备驱动模块。在内核源目录下运行make menuconfig，具体步骤为：

1）在配置菜单中选择Multimedia support→Video for Linux，加载video4linux模块，为实现图像的采集提供了编程接口；

2）在配置菜单中选择USB Support→Support for Host_side USB 及 USB announce new devices，Multimedia support→Video capture adapter→V4L USB Video device→CSPCA based webcams→ZC301 USB Camera Driver使得内核中加入了对采用ZC301接口芯片的USB数字摄像头的驱动支持[5]。

3 基于Video4Linux的图像采集

Video4Linux（简称V4L）模块提供的主要API函数有：VIDIOCGCAP函数以数据结构video_capability返回视频采集设备的基本信息，包括设备名称、设备类型、信道数、最大及最小像素高度和宽度等；VIDIOCSFBUF函数使用数据结构video_buffer设置采集设备的帧缓存参数，包括缓存区大小、同时采集的帧数、偏移量等；VIDIOGWIN函数使用数据结构video_windows来设置采集窗口参数，使用参数1调用VIDIOCCAPTURE开始视频信号采集；VIDIOCSPICT函数使用数据结构video_picture来获取和设置采集图像帧的属性，如亮度、色调和对比度等。基于V4L的视频采集程序流程图如图2所示[6]。

以下简单介绍程序的编写，给出关键部分的实现代码。

图2 视频采集程序流程图Fig.2 Video acquisition program flow chart

首先，必须声明包含sys/types.h、linux/videodev.h2个头文件：

其次，设备的初始化[7]：

在获得图像信息后，还可根据需要改变这些信息，例如对比度、调色、亮度板等，具体做法是先给video_picture中相应变量赋新值，再利用VIDIOCSPICT ioct1函数。

最后，调用 ioctl（grab_fd ，VIDIOCSYNC，&frame）函数，该函数成功返回则表示采集完毕，采集到的图像数据放到以data为起始地址，长度为240×320×3的内存区域中，读取该内存中的数据便可得到图像数据。

4 基于QT/Embedded的图像显示

目前的桌面机操作系统大多有着美观、操作方便、功能齐全的GUI（图形用户界面），GUI的存在为使用者提供了友好便利的界面，并大大方便了非专业用户的使用，使得人们从繁琐的命令中解脱出来，可以通过窗口、菜单方便地进行操作。在嵌入式领域 GUI种类繁多，如：QT/Embedded、MiniGUI、OpenGUI等，其比较如表 1 所示[8]。

表1 常见GUI比较Tab.1 Comparison of common GUI

QT/Embedded是一个为访问嵌入式设备的API，它的类库完全采用C++封装，丰富的控件资源和较好的可移植性是其最优秀的一方面，因此，本文通过QT/Embedded编写图像显示程序。

QPixmap和QImage对象都能实现对图片的显示，和QPixmap不同，QImage是独立于硬件的，它可以同时被另外一个线程访问，因此，对QImage的使用是非常方便的，本文使用QImage加载后转换为QPixmap显示，使得当图片较大时，通过QImage将图片加载进来，然后缩放成需要的尺寸，最后转换为QPixmap进行显示[9-10]。关键代码如下：

至此完成基于Qt编写的图片浏览界面程序，实现了将USB摄像头实时采集到的图片在开发板的LCD上的显示，显示结果如图3所示，其中红色方框区域内为图像的显示区域，蓝色方框区域为对图片的操作区域。

图3 结果在开发板上的显示Fig.3 Showing on the demoboard

5 结束语

文中在ARM11+嵌入式Linux的平台基础上介绍了一种基于USB摄像头的图像采集及显示的方法，主要涉及应用Video4Linux对图像采集的实现及由QT设计的GUI对采集图像的显示，本文设计的图像采集和显示系统可广泛用于工厂、银行等场合全天候的智能监控、图像的网络通信等，而且具有广阔的市场和应用前景。

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