基于Linux平臺的圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

祝佳磊，于亞鵬

（1.清華大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)系，北京100084；2.61541部隊，北京100094）

0 引 言

圖像采集系統(tǒng)［1］作為最為基礎(chǔ)的使用攝像機進行科學(xué)研究的應(yīng)用系統(tǒng)在日常生活中越來越普及。傳統(tǒng)的基于Windows操作系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)，其技術(shù)已相當成熟，使用VS系列編程平臺和OpenCV開發(fā)庫［2］，很輕松的就可以研究和設(shè)計一個安全可靠的圖像采集系統(tǒng)。在各個研究領(lǐng)域，如軍事作戰(zhàn)圖像采集系統(tǒng)［3］，遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)［4］、機器人圖像采集系統(tǒng)［5］，航天氣象采集系統(tǒng)［6］等，這些系統(tǒng)都要使用圖像采集系統(tǒng)對相關(guān)環(huán)境區(qū)域進行圖像采集，這些系統(tǒng)的硬件使用高清攝像頭，軟件使用圖像采集系統(tǒng)即可完成圖像的采集，這在Windows操作系統(tǒng)下相當容易，但是由于Windows操作系統(tǒng)和開發(fā)圖像采集系統(tǒng)的平臺都是基于外國平臺技術(shù)，不能保證國產(chǎn)軟件系統(tǒng)的開發(fā)使用的安全性，尤其在某些特殊領(lǐng)域，如航天氣象、遠程監(jiān)控、海事監(jiān)測等，急切需要具有我們自主產(chǎn)權(quán)的和具有創(chuàng)新獨立性的軟件開發(fā)平臺研制我們自己的圖像采集系統(tǒng)，而Linux系統(tǒng)作為一個開放的操作系統(tǒng)具有獨立性、創(chuàng)新性、可擴展性等優(yōu)點，適合開發(fā)獨立的具有創(chuàng)新性的圖像采集系統(tǒng)［7－10］，但由于Linux系統(tǒng)是源碼開放，沒有一個相對統(tǒng)一的技術(shù)標準，各個軟件在其上的集成度低，軟件開發(fā)性差，這就需要我們運用相關(guān)技術(shù)在其上開發(fā)可應(yīng)用的圖像采集系統(tǒng)。

1 圖像采集系統(tǒng)的研究發(fā)展

在早期的圖像采集系統(tǒng)的研究中，由于硬件大多采用的是裝有CMOS芯片的攝像機，由于CMOS芯片只能采集模擬信號，所以要使用模擬攝像機進行圖像采集系統(tǒng)的研究，還需要額外的對模擬信號進行處理以得到數(shù)字信號。在早期的研究中要使用電路芯片自行設(shè)計一個圖像采集系統(tǒng)，通常這樣的一個圖像采集系統(tǒng)［11］要用到圖像傳感器、信號處理器、幀存儲體以及LCD顯示器等，其原理是CMOS攝像頭經(jīng)圖像傳感器感知環(huán)境圖像信息的電路信號，由信號處理器處理成數(shù)字信號，每一幀的圖像信號都存儲在幀存儲體中，最后這些都通過LCD顯示技術(shù)顯示出來。后來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采集卡作為圖像采集系統(tǒng)不可缺少的硬件逐漸被應(yīng)用在圖像采集系統(tǒng)中，利用圖像采集卡可以輕松的將模擬攝像機的圖像信號采集進來進行處理，采集卡的軟件界面也很輕松的應(yīng)用在圖像采集系統(tǒng)中，所以利用采集卡和模擬攝像機可輕松的完成圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計，模擬攝像機的圖像采集技術(shù)成熟易實現(xiàn)，但圖像采集的速度慢、抗干擾能力差，由于噪聲多造成采集的圖像不清晰，操作不方便，由于這些缺點這種技術(shù)已漸漸的被淘汰。

后來隨著攝像機技術(shù)的發(fā)展研制了數(shù)字攝像機，它采用USB接口、千兆網(wǎng)接口以及已經(jīng)用于高速數(shù)字攝像機的CamLink接口等，采集圖像信息成數(shù)字信號，直接進入計算機，這樣不僅簡化了系統(tǒng)工作，還由于其相對抗干擾能力強而采集的圖像清晰，適用性強，隨著系統(tǒng)高集成化和模塊化的高速發(fā)展，真正意義上應(yīng)用數(shù)字攝像機的圖像采集系統(tǒng)［12］才逐步發(fā)展起來，它們方便易用，通過安裝數(shù)字攝像機本身的軟件系統(tǒng)就可以實現(xiàn)圖像采集系統(tǒng)的平臺界面，人機交互性也很強，但這些數(shù)字攝像機都需要合適的驅(qū)動程序，才能實現(xiàn)計算機和數(shù)字攝像機之間的通訊和數(shù)據(jù)傳輸，這些技術(shù)都是基于外國的軟件技術(shù)，既不符合我們獨立創(chuàng)新開發(fā)一個軟件系統(tǒng)的要求，也不符合在一些保密性強、可擴展性的特殊環(huán)境下設(shè)計軟件系統(tǒng)的要求，因此，需要開發(fā)基于Linux平臺，更具有擴展功能強、安全可靠等優(yōu)點的自主圖像采集系統(tǒng)。

2 圖像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于Linux系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)一般由攝像機模塊、云臺控制模塊、攝像機控制模塊、圖像采集模塊和視頻處理模塊等5個模塊組成，系統(tǒng)使用云臺控制模塊控制云臺的轉(zhuǎn)動來帶動攝像機的轉(zhuǎn)動，使用攝像機控制模塊控制攝像機進行圖像采集，如圖1顯示的圖像采集系統(tǒng)的工作模型。

圖1 圖像采集系統(tǒng)工作模型

2.1 硬件系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)離不開硬件系統(tǒng)的設(shè)計［13］，我們試驗用的硬件系統(tǒng)如云臺和攝像機選用的都是精心挑選的高端PTU云臺和攝像機，PTU云臺通過串口方式傳輸控制信號，具有轉(zhuǎn)速高、可變速的優(yōu)點，非常適用于承載高清攝像機，攝像機我們選用高清晰的CCD數(shù)碼攝像機，選用了具有可數(shù)碼調(diào)焦，數(shù)碼調(diào)整光圈的高性能鏡頭。云臺安裝在實驗平臺上，攝像機安裝在云臺上，共同組成圖像采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，在系統(tǒng)不工作的時候硬件系統(tǒng)是處于倒伏狀態(tài)的，工作的時候需要使用軟件系統(tǒng)對硬件升起并進行初始化，使其在正常的工作模式下工作。

2.2 軟件系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)的軟件平臺是基于Fedora 12的操作系統(tǒng)和Code：：Blocks平臺，Code：：Blocks是一個開放的全功能的跨平臺C/C＋＋集成開發(fā)環(huán)境，再加上一個開源的可跨平臺的C語言庫wxWidgets，足以滿足基于Linux操作系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)的軟件編程需要。

Linux操作系統(tǒng)自帶GNU C編譯器和GCC編譯器，可對簡單的程序進行編譯，但是一個好的軟件系統(tǒng)首先要有一個好的軟件界面，這個界面要滿足人機交互的各個需要，另外要具有可操作性、實用性等特性，設(shè)計出來的系統(tǒng)也要具有多功能化和易擴展性等特點。在Windows操作系統(tǒng)下我們可以選用VS系列編程工具，現(xiàn)在最新的為VS2010編程工具，在其上可以應(yīng)用OpenCV庫對圖像采集系統(tǒng)進行很好的編譯，但在Linux系統(tǒng)下卻沒有一個很好的集成的編程系統(tǒng)，好多工作我們只能用C語言進行最基本的編程，這無疑增加了編程的難度和系統(tǒng)設(shè)計的難度，所以我們這里使用Code：：Blocks開發(fā)環(huán)境和wxWidgets庫對圖像采集系統(tǒng)進行編程，圖2是我們設(shè)計的圖像采集系統(tǒng)的軟件界面，在該軟件界面上我們不僅可以方便的讀取當前云臺和攝像機的工作參數(shù)，而且還可以很方便的對云臺和攝像機的各項工作參數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而控制云臺和攝像機。

圖2 圖像采集系統(tǒng)軟件界面

在圖2的圖像采集界面中，共有四大功能區(qū)，包括云臺和攝像機功能控制區(qū)、云臺的水平和俯仰角度顯示區(qū)、攝像機當前拍攝圖像顯示區(qū)、攝像機全景圖合成圖像顯示區(qū)。圖2中第Ⅰ部分是全景圖合成圖像顯示區(qū)，它是攝像機拍攝周圍環(huán)境幾幅圖的合成圖，反映了當前攝像機拍攝和上下文攝像機拍攝的關(guān)系，第Ⅱ部分是攝像機當前拍攝周圍自然環(huán)境的圖像顯示區(qū)，它直接顯示了當前攝像機的工作狀態(tài)和采集到的圖像，第Ⅲ部分是云臺的水平和俯仰角度顯示區(qū)，其中周圍表盤0°－360°的范圍角顯示的是云臺的水平角度，紅色指針指示的當前角度為當前云臺的水平角，中間的上下刻度表顯示的是云臺的俯仰角度，黑色指針指示的當前角度為當前云臺的俯仰角度，它直接顯示了當前云臺的工作狀態(tài)和所處的位置，第Ⅳ部分是云臺和攝像機功能控制平臺，在這里我們可以完成對云臺的轉(zhuǎn)動和攝像機的變焦、光圈調(diào)節(jié)等一系列的操作。

圖2中的前3個部分都是顯示區(qū)，它們的功能主要是顯示攝像機當前的工作狀態(tài)和當前采集到的圖像，還有當前云臺的工作狀態(tài)和各項參數(shù)等，都沒有具體的操作，而第Ⅳ部分是圖像采集系統(tǒng)的主操作區(qū)，也是圖像采集系統(tǒng)最重要的區(qū)域，我們在這里可以完成對云臺和攝像機的各項操作，通過這些操作我們可以控制云臺的轉(zhuǎn)動和攝像機的各項功能。第Ⅳ部分的前三行是關(guān)于云臺操作的，由于我們要采集的自然環(huán)境圖像不僅僅是剛好在我們的圖像采集系統(tǒng)的正前方，這時我們就要轉(zhuǎn)動云臺來帶動攝像機從而改變攝像機的位置，最終使我們要采集的圖像正好在攝像機的采集范圍內(nèi)，如果要在水平位置上轉(zhuǎn)動云臺，則在第一行的 “水平轉(zhuǎn)角”內(nèi)輸入要轉(zhuǎn)動的角度，默認是－180°－180°，正的角度代表順轉(zhuǎn)，負的角度代表逆轉(zhuǎn)，在 “水平速度”中輸入數(shù)值，默認是每5°一個步進，輸入后點擊第三行的 “水平轉(zhuǎn)動”，則云臺將根據(jù)剛剛設(shè)置的角度和步進速度轉(zhuǎn)動到指定的位置，同理有時我們要在俯仰位置上轉(zhuǎn)動云臺，則在第二行的 “俯仰轉(zhuǎn)角”內(nèi)輸入要轉(zhuǎn)動的角度，默認是0°－90°，在 “俯仰轉(zhuǎn)速”內(nèi)輸入轉(zhuǎn)動的速度，默認是每5°一個步進，輸入后點擊第三行的 “俯仰轉(zhuǎn)動”，則云臺將根據(jù)剛剛設(shè)置的角度和步進速度轉(zhuǎn)動到指定的位置，通過這兩個操作我們可以轉(zhuǎn)動云臺從而帶動攝像機轉(zhuǎn)動到我們需要的任何位置，也就是說我們研制的圖像采集系統(tǒng)具有對周圍360°全景拍攝的功能。在第三行中還有 “轉(zhuǎn)動停止”和 “水平自動”兩個按鈕，“轉(zhuǎn)動停止”的功能是隨時要求云臺停下來，以避免在不安全環(huán)境下轉(zhuǎn)動云臺和攝像機造成危險，“水平自動”的主要功能是用于對云臺進行自檢，通過對云臺定期的自檢，可以預(yù)先知道云臺的工作狀態(tài)和參數(shù)，自檢后云臺和攝像機的各項參數(shù)會自動復(fù)位，到達零點。第四行的 “變倍”、“聚焦”和 “光圈”按鈕是控制攝像機的，主要控制攝像機的焦距、光圈和放大倍數(shù)等參數(shù)，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)可以保證攝像機在不同的偵查距離上都可以采集到清晰的圖像，第六行則是填寫升降機（云臺臂）、云臺、攝像機三者的端口號，以保證系統(tǒng)在設(shè)備端口改變的情況下也可以完成工作，第七行的 “啟動系統(tǒng)”按鈕的功能是系統(tǒng)打開設(shè)備端口，對相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)和狀態(tài)進行初始化，“關(guān)閉系統(tǒng)”則是在系統(tǒng)使用完畢后，用來將系統(tǒng)關(guān)閉，同時云臺和攝像機的各項工作參數(shù)都將復(fù)位到初始狀態(tài)。

另外我們還設(shè)計了諸如全景圖合成和目標搜索、跟蹤等擴展功能，這些設(shè)計都提高了軟件系統(tǒng)的可擴展性，為以后系統(tǒng)的升級打好了基礎(chǔ)，也為以后不同軟件系統(tǒng)之間的融合提供了接口。由于系統(tǒng)程序代碼過于繁雜，在這里我們沒有給出程序代碼的所有展示，在對軟件的界面和系統(tǒng)的整合給出合理的分析和說明后，我們只給出部分軟件程序的相關(guān)定義，以區(qū)分基于VS系列編程平臺和OpenCV開發(fā)庫［14］設(shè)計的圖像采集系統(tǒng)程序。

3 系統(tǒng)使用和分析

3.1 實驗過程

圖像采集系統(tǒng)在不工作的時候攝像機和云臺是處于初始狀態(tài)的，這時云臺的水平角度和俯仰角度都是0°，在對硬件和軟件平臺進行聯(lián)合測試時，我們首先要使用軟件系統(tǒng)將云臺升起來，點動軟件界面上的云臺和攝像機功能控制區(qū)上的 “啟動系統(tǒng)”按鈕，升起云臺和攝像機，這是云臺的水平角度仍然是0°，而俯仰角度變?yōu)榱?0°，此時攝像機可以對前面的自然環(huán)境進行圖像采集，也可以通過轉(zhuǎn)動云臺帶動攝像機對周圍環(huán)境進行360°的全方位拍攝，系統(tǒng)會記錄下每一幀圖像并最終在全景圖中合成出來，系統(tǒng)工作結(jié)束后，點擊軟件界面上的云臺和攝像機功能控制區(qū)上的 “關(guān)閉系統(tǒng)”按鈕，可以將云臺和攝像機重新放置在工作平臺上。

3.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖3所示，其中圖3（a）是攝像機采集的圖像，我們這里只給出了3幀圖像，因為系統(tǒng)可以根據(jù)這3幀圖像合成出周圍環(huán)境360°的全景圖像，圖3（b）就是經(jīng)過軟件系統(tǒng)合成的全景圖圖像。

3.3 實驗分析

從上述的結(jié)果可以看出，基于Linux系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)采集圖像清晰，合成圖像完整無丟失，圖像細節(jié)處理效果好，充分驗證了系統(tǒng)的可靠性，另外通過系統(tǒng)具體的操作，系統(tǒng)各個軟件功能設(shè)置正確，操作方便，驗證了系統(tǒng)的有效性。

圖3 系統(tǒng)實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

基于Linux系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)優(yōu)化了Linux系統(tǒng)下的系統(tǒng)工作模型，完成了硬件平臺和軟件平臺的設(shè)計和實現(xiàn)，軟件系統(tǒng)集合了云臺和攝像機各項工作參數(shù)控制功能，通過對界面上相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)就可以調(diào)節(jié)云臺和攝像機的所有工作參數(shù)，為用戶提供了簡易的可操作平臺，由于Linux系統(tǒng)的安全性和擴展性，系統(tǒng)可應(yīng)用在安全性要求高的遠程監(jiān)控、海事監(jiān)測等相關(guān)領(lǐng)域，系統(tǒng)采集到的圖像清晰并可保存成各種格式，方便調(diào)用，相比以往的圖像采集系統(tǒng)更具實時性和操控性，重要的是基于Linux系統(tǒng)上的軟件系統(tǒng)［15］不僅安全可靠并且有良好的可移植性，使得本系統(tǒng)可移植在任何平臺上，例如監(jiān)控系統(tǒng)、手機終端、電腦終端等系統(tǒng)中，但由于Linux系統(tǒng)的應(yīng)用普遍不多，造成系統(tǒng)只能在專業(yè)領(lǐng)域中使用，另外系統(tǒng)移植在Windows系統(tǒng)下將不再可用，以后的系統(tǒng)功能中可對軟件系統(tǒng)進一步的細化和完善，也可添加更多的功能，使得基于Linux系統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)易升級并且具有更好的可移植性。

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