數(shù)字圖像采集和無線傳輸系統(tǒng)的研究

【摘要】 本文主要研究嵌入式與無線圖像傳輸?shù)幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用嵌入式平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)無線圖像傳輸?shù)南到y(tǒng)，方案以ARM為核心，用USB 高清攝像頭和無線網(wǎng)卡模塊為硬件平臺(tái)，輔以Linux系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，完成圖像的采集與無線傳輸。

【關(guān)鍵詞】 圖像采集 無線傳輸 研究

本文首先介紹系統(tǒng)的組成和功能要求，重點(diǎn)論述了系統(tǒng)總體思路和硬件平臺(tái)的搭建。其次闡述了系統(tǒng)軟件平臺(tái)程序的設(shè)計(jì)，在Linux系統(tǒng)下V4L2技術(shù)圖像采集和程序分析。然后敘述了圖像壓縮與Linux下的數(shù)據(jù)壓縮算法，并對(duì)比壓縮前后圖像，運(yùn)用無線數(shù)據(jù)和圖像傳輸方式及Linux下的網(wǎng)絡(luò)編程，并完成無線傳輸?shù)某绦颍罱K在不同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的結(jié)論。

一個(gè)完整的嵌入式無線圖像傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射與接收兩部分。在發(fā)射部分，用圖像采集模塊作為信號(hào)輸入端，把采集到的圖像數(shù)據(jù)保存到嵌入式處理單元存儲(chǔ)，并通過壓縮模塊進(jìn)行壓縮，然后經(jīng)過壓縮的圖像作為輸出信號(hào)，通過無線發(fā)射模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將信息發(fā)送到接收部分。接收部分首先將發(fā)送來的信息保存到控制中心，經(jīng)過圖像解壓縮模塊，將接收的圖像進(jìn)行解壓處理，并通過數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

1.嵌入式處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，它接收攝像模塊傳來的圖像信息，經(jīng)過不同的接口函數(shù)與控制指令協(xié)同各個(gè)外設(shè)，完成對(duì)硬件設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)傳輸；

2.攝像模塊主要完成圖像采集工作；

3.無線收發(fā)模塊完成網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，它承載了傳輸信道的建立與數(shù)據(jù)通信；

4. PC 機(jī)作為控制中心，它主要將接收的信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和完成系統(tǒng)功能。

研究中采用的是基于通用性免費(fèi)開源的Linux系統(tǒng)，在起始階段，需要進(jìn)行交叉編譯，以生成系統(tǒng)需要的Bootloader以及內(nèi)核，我們用的開發(fā)板是MINI2440。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程：

1.完成攝像設(shè)備的接口驅(qū)動(dòng)工作和圖像采集應(yīng)用程序；

2.采集圖像信息與編寫圖像壓縮應(yīng)用程序；

3.完成網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的驅(qū)動(dòng)接口工作，編寫傳輸應(yīng)用程序；

4.圖像接收成功后編寫圖像解壓縮應(yīng)用程序。

本系統(tǒng)所用的是USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭，Linux中描述USB設(shè)備的結(jié)構(gòu)體為usb_driver，成員變量是id_table，這個(gè)變量指向structusb_device_id，主要描述了USB產(chǎn)品設(shè)備的版本、ID、產(chǎn)品接口類、設(shè)備類等信息。在設(shè)計(jì)中，需要重新配置USB驅(qū)動(dòng)，編譯內(nèi)核，重新加載才能使用。在Linux進(jìn)行視頻圖像采集的接口函數(shù)是V4L2，它提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編程接口，是Linux中采集設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)編寫的是通過編程接口來控制采集設(shè)備完成相應(yīng)的操作和圖像采集功能應(yīng)用程序。

通過前面的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，采集到圖像并保存到指定文件中，但是采集來的是信息量較大的初始圖像，為了更好的傳輸，而質(zhì)量又不至于下降，就需要圖像數(shù)據(jù)的壓縮。我們用最少的數(shù)碼來表示信號(hào)，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)包括無損和有損壓縮格式，比較兩種壓縮方式和系統(tǒng)所采用的ARM9內(nèi)核的CPU，本系統(tǒng)用軟件方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮，主要的工作是對(duì)靜態(tài)圖像的數(shù)據(jù)壓縮，即空間信息進(jìn)行壓縮，目的是滿足一定圖像質(zhì)量的條件下，縮小圖像所占用的存儲(chǔ)空間，以減小存儲(chǔ)和占用盡量小的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

在系統(tǒng)中，采用IJG JPEG Library來進(jìn)行JPEG圖像壓縮，重點(diǎn)是Linux系統(tǒng)中設(shè)置壓縮參數(shù)，然后在壓縮過程中，通過掃描的方式一行行的進(jìn)行壓縮，最后通過采集到的圖像壓縮前后對(duì)比與解壓縮之后的對(duì)比，并根據(jù)圖像大小的變化得出結(jié)論。

無線傳輸是整個(gè)系統(tǒng)中重要的另一部分，它的傳輸性能直接影響傳輸?shù)馁|(zhì)量，本系統(tǒng)選擇的是基于IEEE802.11b無線局域網(wǎng)方式，選擇的無線是WIFI通信，所使用的網(wǎng)卡是TP-LINKWN 422G+。WN 422G+配置了快速USB2.0接口，數(shù)據(jù)通信速度很快，它還支持WIFI保護(hù)訪問機(jī)制，為重要信息的保密提供了方便。

無線網(wǎng)卡要在Linux系統(tǒng)里需要特定的驅(qū)動(dòng)包，把WN 422G+連接到ARM開發(fā)板上，執(zhí)行命令，可以掃描到當(dāng)前可以用的無線網(wǎng)絡(luò)。

在Linux中，使用的網(wǎng)絡(luò)編程接口是API套接字，網(wǎng)絡(luò)傳輸方式是具有傳輸可靠遠(yuǎn)程連接的TCP無線傳輸，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)文件的傳輸（服務(wù)器端和客戶端），這樣就完成了從客戶端發(fā)送圖像到服務(wù)器端的全過程，到此，已經(jīng)基本上完成了整個(gè)系統(tǒng)所要求的功能。

本文選擇的無線設(shè)備是無線網(wǎng)卡，通過測(cè)試，在圖像傳輸過程中要考慮圖像格式大小距離等因素，得到結(jié)論：

1在靜止或者固定低速的情況下，隨著圖像大小的逐漸增加，傳輸時(shí)延逐漸增大，在低速情況下，單位時(shí)間內(nèi)的傳輸速率基本恒定，但在高速情況下，隨著圖像大小的逐漸增加，傳輸速率呈降低的趨勢(shì)；

2在圖像大小固定的情況下，隨著移動(dòng)速率的逐漸增加，傳輸時(shí)延和掉包率逐漸增大；

3通常圖像大小與傳輸時(shí)延是一對(duì)矛盾，圖像越大，占用的帶寬也就越寬，在傳輸過程中的傳輸時(shí)延也就越長(zhǎng)。

因此需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇不同的優(yōu)先策略。