基于Linux的嵌入式視覺系統(tǒng)設計方案

1 引言

視覺系統(tǒng)在現代工業(yè)生產自動化系統(tǒng)中應用非常廣泛，主要集中于藥品檢測分裝、印刷色彩檢測、集成電路生產、精密電子產品裝配、智能機器人識別導航等領域。隨著Internet 的普及，現代社會已進入后PC 時代，嵌入式技術越來越與人們的生活緊密結合。

嵌入式視覺系統(tǒng)可通過USB 總線等將圖像的獲取、圖像處理、顯示設備集成于一體，成本相對較低，體積小巧，可以方便地安裝在載體身上，故研究嵌入式的視覺系統(tǒng)具有一定的實際意義。

2 嵌入式視覺系統(tǒng)總體方案設計

嵌入式視覺系統(tǒng)由嵌入式硬件平臺、操作系統(tǒng)、圖像采集和圖像顯示四大部分組成，原理框圖如下圖1 所示。

圖1 視覺系統(tǒng)原理框圖

S3C2410X 芯片是韓國三星電子公司推出的一款基于ARM920T 內核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器。該芯片集成了支持 TFT 的 LCD 控制器 、3 個通道的UART 等控制器和豐富的外部接口，MPLL 產生主時鐘，能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz,此工作頻率能夠使處理器輕松運行WinCE、Linux 等操作系統(tǒng)以及進行較為復雜的數據處理。該芯片可以滿足低成本、高速度、低功耗的設計需求，非常適合作為嵌入式視覺系統(tǒng)的硬件平臺。

Linux 操作系統(tǒng)同目前廣泛應用的嵌入式操作系統(tǒng)如pSOS、VxWorks、winCE 相比，具有可移植性好、網絡功能強、有優(yōu)秀的GNU 編譯工具支持等優(yōu)點，更重要的是Linux 的開放源代碼和免費的優(yōu)點使得系統(tǒng)成本顯著降低，因此選用Linux 操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺。

3 嵌入式視覺系統(tǒng)硬件設計

3.1 圖像采集

選購攝像頭，優(yōu)先考慮Linux 內核公開支持的攝像頭芯片。由于目前Linux 操作系統(tǒng)使用的內核版本僅自帶了ov511 芯片的攝像頭驅動，因此，系統(tǒng)的圖像采集模塊由CMOS 圖像傳感器OV7620 和后端處理芯片OV511+組成。本系統(tǒng)在IIC 總線模式下通過設置OV7620 的功能寄存器，使OV7620 工作于連續(xù)掃描方式，RGB 原始數據16 位輸出方式。OV7620 有4 個同步信號：VSYNC(垂直同步信號)、FODD(奇數場同步信號)、HSYNC(水平同步信號)和PCLK(像素同步信號)[3].當采用連續(xù)掃描方式時，只使用VSYNC 和HSYNC、PCLK 三個同步信號。通過設定內部寄存器，控制輸出幀率在0.5 幀/s~30 幀/s 之間變化，窗口輸出設置為：640×480,經過設定后的OV7620 輸出時序如圖2 所示：

圖2 OV7620 輸出時序圖

3.2 圖像傳輸

圖像采集幀率與數據傳輸接口的數據傳輸速率之間的匹配是圖像采集的一個重要問題。如果圖像傳感器的采集頻率大于接口的最大可傳輸數據率，會引起緩沖區(qū)內的圖像數據堵塞，造成數據混亂，出現無規(guī)律的亂碼。因此，為了保證圖像數據傳輸時的完整性和可靠性，接口數據的傳輸速率應滿足圖像傳感器的采集速率。下面是對本采集系統(tǒng)的傳輸匹配計算。

已知：OV7620 的最大主時鐘頻率27MHz,最大數據率13.5MB/S.以OV7620 默認輸出為例：輸出格式VGA,分辨率640×480,幀率15 幀/秒，輸出數據格式為16 位彩色數據。

一幀圖像的數據量： (640 × 480 × 16)/8=614400B=0.586MB.

一秒鐘的最大數據量：0.586×15=8.79MB/S.

因為圖像采集中圖像數據不是連接不斷的采集，幀與幀之間有場消隱時間，行與行之間也有行消隱時間，所以13.5MB/S> 8.79MB/S.基于這個采集速率，要實現VGA 圖像15 幀/秒的圖像采集，嵌入式主機與USB 接口速度應與圖像傳感器的采集速度相匹配，至少不能小于9MB/S 的速度，否則會出現數據在傳輸通道中堵塞，致使數據出現混亂。系統(tǒng)采用USB1.0 作為傳輸接口，系統(tǒng)采集的圖像數據為9MB/S,USB 傳輸速率大于9MB/S,故采集頻率與傳輸頻率匹配。

3.3 圖像顯示

液晶顯示器LCD 以省電和顯示大量信息等優(yōu)點而成為現代儀器儀表用戶界面的主要發(fā)展方向。本視覺系統(tǒng)采用三菱公司的8.4'彩色TFT-LCD 作為圖像顯示模塊， 液晶屏大小為640 × 480 , 型號：AA084VC03.

系統(tǒng)需要兩種電源供電，分別是5V 和12V.5V電源用于核心板供電，USB 圖像采集模塊由核心板供電，12V 電源給液晶屏供電，這些電壓由單獨的電源模塊提供。整個視覺系統(tǒng)的硬件結構圖如下圖3 所示。

圖3 視覺系統(tǒng)硬件結構圖。

4 嵌入式視覺系統(tǒng)軟件設計

視覺系統(tǒng)軟件組成主要包括操作系統(tǒng)、設備驅動程序，圖像采集和圖像顯示程序。操作系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的管理，進程調度等，為用戶使用開發(fā)板和外部設備提供最基本的接口程序，管理著開發(fā)板上的資源。

移植Linux2.6.14 內核作為嵌入式視覺系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。設備驅動程序包括USB 攝像頭驅動和LCD 液晶屏驅動，通過在Linux 系統(tǒng)中配置和加載完成。

4.1 圖像采集程序

確定USB 攝像頭被正常驅動后，下一步就是使用Video4Linux 提供的API 函數集來編寫圖像采集程序。

具體圖像數據的捕獲過程為：打開攝像頭設備文件、查詢和確認設備性能、設置圖像的寬和高、設置色深、建立內存映射、讀取圖像數據、關閉設備。在上述過程中主要考慮如何讀取圖像數據，V4L 在內核include/linux/videodev.h 文件中定義了一些重要的數據結構，進行圖像采集時，通過對這些數據結構的操作來獲得圖像數據。首先需要將顯示設備的地址映射到系統(tǒng)地址上來，調用函數mmap()。該函數返回地址就是存放圖像數據的地址， 每一幀圖像都偏移固定的長度， 而攝像頭取得圖像會包含若干幀，這樣通過周而復始的進行就可以將圖像數據采集下來。具體過程和涉及到的函數如下：

打開設備文件： int device = open (/dev/v4l/video0,O_RDWR);