摘 要： 設計了基于S3C2440微處理器的視頻圖像采集系統，詳細分析了該系統的啟動過程。在一塊裸板上搭建起整個視頻圖像采集系統。結合V4L2技術完成了支持YUV、MJPEG圖像格式的USB攝像頭和支持RGB圖像格式的CMOS攝像頭的多格式視頻圖像采集系統。測試結果表明，該系統可以在LCD顯示屏上動態顯示多格式攝像頭所采集到的視頻圖像，且視頻圖像具有清晰度高、流暢性好、穩定性強等特點，具有進一步推廣使用的廣闊前景。

　　關鍵詞： u-boot與系統啟動；V4L2；多格式視頻圖像采集；video2lcd

0 引 言

　　當下隨著多媒體技術、集成電子技術、計算機技術的高速發展,視頻圖像采集技術也不斷發展,它的應用場合也更加廣泛。尤其近年來，隨著嵌入式技術的發展，ARM處理器運算的能力不斷地增強以及處理圖像的技術不斷地提高，使基于ARM的圖像采集廣泛地應用于各個領域[1-4]。視頻圖像采集更是成為了研究熱點。嵌入式這一技術的發展使得視頻采集系統具有了體積小、成本低、性能高等特點,能夠擴展到很多領域[5]?；谶@樣的背景，本文進行了一套有益研究。

　　本系統采用三星公司S3C2440微處理器搭建一個全新的視頻圖像采集系統，包括分析改進u-boot源代碼，使之支持所用JZ2440開發板，支持開發板的串口、網卡功能，支持Nand啟動等，且大大簡化冗余代碼，編譯出簡潔高效的u-boot.bin文件，能夠實現快速燒寫和擦除，從而實現系統快速啟動。在搭建好開發環境之后，結合V4L2技術分析數據采集系統流程，編寫應用程序veido2lcd完成支持YUV、MJPEG圖像格式的USB攝像頭和支持RGB圖像格式的CMOS攝像頭的多格式視頻圖像采集系統，最后對系統進行測試和分析。

1 開發環境搭建

　　1.1 系統軟硬件平臺

　　視頻圖像采集系統最終是要移植到嵌入式系統的，所以要搭建嵌入式平臺來完成交叉編譯等工作，文中采用支持V4L2的Linux系統。硬件平臺采用三星公司的ARM9開發板JZ2440，其硬件特性如下：

　　CPU處理器： 16/32 bit S3C2440A；

　　Flash存儲器： 512 MB NandFlash，64 MB NorFlash；

　　內存支持： 64 MB SDRAM，4 KB片內SRAM

　　USB總線與接口： 1個USB Host，1個USB Slave;

　　網卡支持： DM9000;

　　LCD顯示屏： 4.3英寸TFT LCD屏；

　　攝像頭支持： YUV格式的USB攝像頭，MJPEG格式的USB攝像頭，RGB格式的CMOS攝像頭。

　　1.2 系統交叉編譯工具的安裝

　　Linux開發所用的交叉編譯工具是arm-linux-gcc-4.3.2，設置環境變量：PATH="/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/arm/4.3.2/bin"完成安裝交叉編譯工具鏈。

　　它不能夠適應現有硬件環境，需要對其進行如下修改：

　　(1) 修改U-boot源代碼以支持S3C2440開發板

　　在單板相關的配置文件boards.cfg中添加：

　　ssmdk2440 arm arm920t - samsung s3c24x0

　　(2) 配置時鐘參數以適應于S3C2440

　　需要對CPU的MPLL進行設置，否則內存不能正常使用。在start.S里增加對MPLL的設置：

　?、僭O置CPU為異步總線模式；

　?、谠O置分頻系數和MPLLCON寄存器將系統時鐘頻率設定為400 MHz。

　　(3) 支持S3C2440的硬件配置

　　在include/configs/smdk2440.h中去掉宏CONFIG_S3C2410，增加配置宏CONFIG_S3C2440以支持S3C2440的相關硬件配置，比如串口波特率正常。

　　(4) 支持Nand啟動

　　由于Nand啟動時只能復制最前面的4 KB代碼到SDRAM，這要求重定位之前的啟動代碼應該少于4 KB。原來的代碼在鏈接時加了"-pie"選項, 使得生成的u-boot.bin里多了"*(.rel*)"、 "*(.dynsym)"、導致編譯出來的u-boot非常大，不能支持Nand啟動，需修改代碼來減小u-boot。

　?、偃サ?"-pie"選項

　　在arch/arm/config.mk:75:LDFLAGS_u-boot += -pie中去掉該行以減少代碼。

　?、谛薷膇nclude/configs/smdk2440.h中的連接地址：

　　#define CONFIG_SYS_TEXT_BASE 0x33f80000

　　將鏈接地址改為0x33f00000，這是因為SDRAM大小為64 MB，它的基地址是0x30000000，尾址是0x34000000，在0x33f00000~0x34000000之間1 MB空間足夠用來存放u-boot代碼。

　?、坌薷膕tart.S，實現代碼的重定位，即上電后把NandFlash內前4 KB的代碼復制到片內SRAM，然后由這4 KB代碼實現將NandFlash上的u-boot代碼復制到SDRAM上鏈接地址以0x33f00000開始的地方。

　　(5) 支持DM9000網卡

　　在smdk2440.h中增加宏定義define CONFIG_DRIVER_DM9000完成S3C2440對網卡DM9000的支持。

　　將修改好的u-boot重新make，編譯通過，生成新的u-boot.bin文件。

　　以Nor方式啟動開發板，通過tftp工具將編譯好的u-boot.bin文件燒寫到開發板，然后關閉開發板，撥為Nand啟動方式重啟開發板，啟動后效果如圖1所示,這樣就完成了一個支持Nand啟動，支持DM9000網卡的u-boot的移植。

2 視頻圖像采集系統設計

　　2.1 Linux內核下的V4L2驅動框架

　　在Linux系統下，通過VideoforLinux實現對Linux視頻采集設備的支持通常將其稱為V4L[6]。它是Linux內核中有關視頻設備的驅動程序。Linux內核提供Video4Linux2 應用程序接口，在程序開發時首先是基于Video4Linux2 API函數來設計程序[7]。

　　視頻圖像的采集流程如圖2所示。

　　首先使用open函數打開攝像頭設備，以獲取該攝像設備的文件描述符，接著調用攝像頭設備的接口函數vidioc_querycap()來獲取設備的參數信息，從而確定接入的是圖像捕捉設備。由于V4L2所支持的視頻格式有多種，而所接入攝像頭設備支持YUV、MJPEG、RGB三種格式中的哪一種也是事先未知的，所以V4L2中包含對格式的一系列的操作，包括枚舉、獲得、測試、設置等接口函數，完成對攝像頭設備所支持圖像格式的獲取、測試和設置工作。比如確定了攝像頭為MJPEG格式之后，V4L2就要為視頻流數據申請緩沖區并查詢緩沖區信息。為了加快對I/O的訪問速度，使用mmap()函數將攝像頭相應的設備文件映射到內存區并且把獲得的緩沖區通過函數vidioc_qbuf()放入隊列中。準備工作完成之后通過執行vidioc_streamon()啟動視頻流數據的采集。這里使用poll機制等待數據的到來，有了數據之后就可以執行vidioc_dqbuf()函數從緩沖區隊列中獲取一幀視頻流數據，當不再采集的時候就可以調用vidioc_streamoff()停止視頻流的采集。

　　2.2 應用程序video2lcd骨架

　　要使視頻數據顯示到LCD顯示屏上，需要將攝像頭采集到的視頻數據經過格式轉換、縮放、合并、顯示等操作才能最終顯示到LCD顯示屏上。整個過程的流程圖如圖3所示。

　　⑴數據格式的轉換：由于LCD顯示屏只能支持RGB一種格式，而攝像頭采集到的數據有YUV、MJPEG、 RGB三種格式，故需要進行數據格式的轉換（RGB格式不需要進行轉換的）。函數static int Yuv2RgbConvert(PT_VideoBuf ptVideoBufIn, PT_VideoBuf ptVideoBufOut)用來把內存里的YUV圖像轉換為RGB圖像。函數static int Mjpeg2RgbConvert(PT_VideoBuf ptVideoBufIn, PT_VideoBuf ptVideoBufOut)用來將內存里的MJPEG圖像轉換為RGB圖像。

　?、茍D像的縮放：由于攝像頭采集到的圖像分辨率與LCD的分辨率并不吻合，為了得到清晰流暢的視頻圖像，需要進行圖像大小的縮放。函數int picZoom(PT_PixelDatas ptOriginPic, PT_PixelDatas ptZoomPic) 用來實現這一功能。

　?、菆D像轉入緩存：即將縮放后的圖像轉入FrameBuffer，使用函數intPicMerge(iTopLeftX, iTopLeftY, &ptVideoBufCur->tPixelDatas, PT_PixelDatas ->ptFrameBuffer)來完成。緩存Framebuffer中的數據就可以直接在LCD屏幕上顯示。

　　當完成以上工作后，video2lcd應用程序就編寫完成，它能夠將攝像頭采集到的視頻圖像數據清晰流暢地顯示在LCD屏幕上，同時支持YUV、MJPEG、RGB三種格式的視頻圖像的采集，支持多款USB攝像頭的同時也支持CMOS攝像頭。將交叉編譯通過后的video2lcd傳輸到開發板的文件系統。

3 應用測試與分析

　　以Nand方式啟動開發板，首先將支持YUV格式的USB攝像頭插到開發板的USB接口，這在串口界面執行命令：./video2lcd /dev/video0,回車之后就可以看到LCD顯示屏上有視頻圖像了，晃動攝像頭可見視頻圖像清晰流暢，以同樣的操作分別將支持MJPEG格式的USB攝像頭和支持RGB格式的CMOS攝像頭接到開發板上，觀察視頻圖像。圖4即為USB攝像頭采集到的MJPEG格式的視頻圖像以及CMOS攝像頭采集到的RGB格式視頻圖像在4.3英寸LCD屏幕上的顯示效果圖，通過與筆記本上圖像的對比可見，視頻圖像非常清晰且視頻流暢。

4 結束語

　　基于S3C2440微處理器和ov7740視頻處理芯片搭建了嵌入式視頻圖像采集平臺，為開發實現多格式視頻圖像的實時采集與傳輸提供了可行方案。采用嵌入式技術，使系統具有體積小、成本低、普適性高等特點。該方案具有廣泛的應用價值。

參考文獻

　　[1] 劉攀,王紅亮,孟令軍. 基于 FPGA 的數字圖像采集存儲系統的設計[J]. 電視技術, 2010,34(6) :32－34．

　　[2] 劉珂含,何培宇,關勝平,等. 基于TMS320VC5509A的圖像采集與識別系統[J]. 四川大學學報:自然科學版, 2008,45(1):48-52．

　　[3] 嚴新忠,陳雨. 基于嵌入式ARM的圖像采集與傳輸設計[J].研究與開發, 2009,28(11) :57－59．

　　[4] 劉紅喜,李長江,孫俊喜. 基于DSP的圖像采集及處理系統的設計與實現[J]. 電子技術應用，2009,35(2) :22－26．

　　[5] 劉志華. 基于ARM和Linux的視頻圖像采集系統[J]. 微型機與應用, 2014,33(3):12-14,17.

　　[6] 鄒意然,王永威,趙龍. 嵌入式系統中USB攝像頭的圖像采集[J]. 微計算機信息, 2010,26(12-2):24-26.

　　[7] COX A. Video 4 Linux programming [EB/OL]. [2014-08-04]http://www.redhat.com.