基于ARM11的視頻采集系統(tǒng)及二維碼識(shí)別

段東波,靳天玉

（蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州,730000）

0 緒論

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于高速處理器的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越豐富，功能越來越齊全，其中尤其以ARM的應(yīng)用發(fā)展最為迅速。ARM被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信系統(tǒng)、無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。同時(shí)，作為該芯片的主要應(yīng)用的ARM的視頻采集技術(shù)，在工業(yè)檢測(cè)、工業(yè)監(jiān)控、安防監(jiān)控、智能交通、儀器儀表、醫(yī)學(xué)影像、機(jī)器視覺、多媒體錄播錄像、會(huì)議錄制以及虛擬演播室等多方面體現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)，有著重要的地位。

基于ARM的二維碼識(shí)別技術(shù)是以ARM視頻采集技術(shù)為基礎(chǔ)的拓展功能，二維碼憑借其信息儲(chǔ)存量大、安全保密性高、追蹤性高、抗損性強(qiáng)、備援性大以及成本便宜等優(yōu)良特性，在表單、安全保密、追蹤、證照、存貨盤點(diǎn)以及資料備份等方面有著廣泛的應(yīng)用。集成視頻采集、二維碼識(shí)別技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信的嵌入式系統(tǒng)，不僅可以作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層基礎(chǔ)，而且其強(qiáng)大的可拓展性使得其擁有更為廣闊的發(fā)展前景。

1 ARM硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 ARM11硬件系統(tǒng)平臺(tái)

硬件的性能和穩(wěn)定性直接關(guān)系到各級(jí)設(shè)備的工作情況、工作狀態(tài)以及基于其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至直接影響到產(chǎn)品的最終性能。所以，ARM核心板使用了各方面性能都很優(yōu)越的友善之臂：Mini6410開發(fā)板。Mini6410是把ARM11（S3C6410）作為主處理器的嵌入式開發(fā)板，它的內(nèi)部集成了功能完善的多媒體處理單元，能夠完成H.264/H.263、Mpeg4、Jpeg等格式視頻文件和圖像文件的硬件編解碼，并且可以同時(shí)輸出至LCD和TV兩路顯示；與此同時(shí)，還連并帶有3D圖形加速器，通過它可以實(shí)現(xiàn)OpenGL ES 1.1 & 2.0的加速渲染，兼具有2D圖像平滑縮放，翻轉(zhuǎn)等的功能。因此，使用此嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板將是最為妥善的選擇。

2 攝像頭驅(qū)動(dòng)及ARM圖像采集方法

2.1 攝像頭與ARM核心板連接方法

由于其使用了友善之臂的mini 6410核心板，所以SDRAM、NAND 、FLASH 以及LCD等硬件設(shè)備已經(jīng)鏈接完畢，并且已完成驅(qū)動(dòng)，而攝像頭可以通過USB接口來實(shí)現(xiàn)與CPU單元的連接，并可以通過加載Linux內(nèi)核中集成的驅(qū)動(dòng)來完成對(duì)攝像頭的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)框圖如下圖：

2.2 圖像采集方法

軟件設(shè)計(jì)：

首先，初始化攝像頭并調(diào)整攝像頭模式使其可以采集320*240大小格式的圖像。其次，設(shè)定采集來的圖像為YUYV格式，在此階段將系統(tǒng)設(shè)定為只采集4幀圖像，再將采集來的圖像映射入內(nèi)存中并調(diào)用預(yù)先設(shè)定的指針變量（指針變量指向存入4幀圖像開始的第一幀所存入的地址），把這4幀圖像所對(duì)應(yīng)的地址傳送出來并對(duì)其進(jìn)行讀取和處理，最后，循環(huán)采集4幀圖像實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)更新從而形成動(dòng)態(tài)圖像。

由于采集來的是YUYV格式的圖像，所以不能直接預(yù)覽和處理。在這里，系統(tǒng)將設(shè)計(jì)通過一定的算法將上述圖像的每一幀都進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為RGB色彩模式的圖像，然后再對(duì)其進(jìn)行處理。隨后，再將處理所得的四幀RGB格式圖像的每個(gè)像素逐一注冊(cè)到QT軟件下的Qimage類中，使其形成Qimage圖像，并再次注冊(cè)到Qwidget上，此時(shí)就可以直接使用Reflesh方式進(jìn)行預(yù)覽顯示了。

預(yù)覽和處理過程是在兩個(gè)線程之內(nèi)完成的。程序中引入了一個(gè)互斥量，在攝像頭采集圖像回來并寫入內(nèi)存時(shí)，互斥量鎖定；寫入完成后，互斥量打開。另外，兩個(gè)線程會(huì)檢查互斥量。若互斥量為鎖定狀態(tài)時(shí)，則這兩個(gè)線程掛機(jī)，若未鎖定，則用CPU時(shí)間片分配給的線程去訪問內(nèi)存，并鎖定互斥量，待其完成后再打開互斥量。其中一個(gè)線程用于顯示預(yù)覽，另一個(gè)用于處理圖像。兩個(gè)線程是異步的，但其二者之間用互斥量進(jìn)行同步。

圖像采集應(yīng)用程序流程圖如下圖：

3 二維碼的識(shí)別

3.1 二維碼識(shí)別的技術(shù)支持

二維碼的功用是利用某些特定的幾何圖形按照特定規(guī)律在黑白相間的平面（二維方向上）上分布圖形來記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息。它能巧妙地運(yùn)用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部基礎(chǔ)邏輯的0和1，即利用0和1的概念來表示信息，利用0、1來構(gòu)成含有信息的01串。二維碼可以通過一些輸入設(shè)備或掃描設(shè)備來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)讀信息并進(jìn)行自動(dòng)處理。與二維碼技術(shù)相似的條碼技術(shù)與其有一些共性：每個(gè)字符占有一定的寬度；具有一定的校驗(yàn)功能；每種碼制有其特定的字符集等；同時(shí)還具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別功能、及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點(diǎn)。

常用的二維碼有 Data Matrix、 Maxi Code、Aztec、QR Code、 Vericode、PDF417、 Ultracode、 Code 49 以 及 Code 16K等等，其中最常用的是QR code二維碼，現(xiàn)在其生成技術(shù)比較完善，并且應(yīng)用較為廣泛，有許多生成軟件可以免費(fèi)使用，更易于推廣，其識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在PC機(jī)上用C++、C#或java編譯的資料較多，對(duì)于在Linux內(nèi)核移植有很大的幫助。

3.2 二維碼識(shí)別的軟件設(shè)計(jì)

在視頻采集軟件設(shè)計(jì)中把YUYV格式的圖像轉(zhuǎn)換成RGB格式，是為了能夠在二維碼識(shí)別的設(shè)計(jì)中能夠直接利用RGB格式的圖像來進(jìn)行處理，最終將二維碼的原始信息還原。二維碼的識(shí)別實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行圖像處理的過程，其對(duì)于采集來的圖像（此時(shí)已經(jīng)為RGB格式），首先將RGB格式中的三原色值轉(zhuǎn)化為大整型值（值在0-65536之間）。之后再根據(jù)事先設(shè)定的閾值（理論上是65536/2,但實(shí)際應(yīng)用中引入了一個(gè)參量，此參量是根據(jù)整個(gè)圖像的平均值來定義，此時(shí)閾值由參量和65536/2共同決定），對(duì)圖像進(jìn)行去顏色化，把原來的圖像轉(zhuǎn)化為只有黑白兩色的圖像。然后進(jìn)行去噪濾波，進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到一個(gè)平行四邊形，再對(duì)此圖形進(jìn)行像正方形的轉(zhuǎn)化，使其成為正方形。

最后對(duì)此正方形圖像進(jìn)行抽樣，對(duì)圖像進(jìn)行縮放，使其轉(zhuǎn)換成為320*320的標(biāo)準(zhǔn)大小。之后對(duì)每個(gè)像素按二維碼的格式分割開，進(jìn)行抽樣檢測(cè)，求取其統(tǒng)計(jì)平均值，判定黑白，并予以保存。最后再利用QR矩陣的算法還原原始二進(jìn)制信息。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)Linux內(nèi)核的移植、視頻采集以及二維碼識(shí)別應(yīng)用程序的編寫，最終實(shí)現(xiàn)了基于ARM11的視頻采集，以及二維碼的識(shí)別。

對(duì)于此次設(shè)計(jì)還有許多可以擴(kuò)充的東西，由于Linux系統(tǒng)提供了有線網(wǎng)卡、無(wú)線網(wǎng)卡以及藍(lán)牙的驅(qū)動(dòng)。所以，通過有線網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)采集視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸，借此可實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)觀看實(shí)時(shí)視頻來進(jìn)行監(jiān)控，也可以通過藍(lán)牙或者網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制。結(jié)合二維碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信可以進(jìn)行安防以及身份識(shí)別或防偽識(shí)別。這項(xiàng)技術(shù)在當(dāng)下的“信息時(shí)代“中將起到舉足輕重的作用。

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