Rabbit3000与HElOlO 图像传感器构成的网络相机

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
家用报警系统、工业监控、智能小区中,由于原有的系统一般只能采集相关数据,然后按专有的或特定的网络传送。在应用中,用户常常反映有两大缺点。其一,不能看到现场图像。其二,监视限于特定专网,比如通过局域网、电话网、视频线监控网等。因而通过Internet进行网络摄像的需求十分迫切。 1 系统构成 网络相机系统结构如图l所示,MEl010是10万像素的CMOS图像传感器芯片,Rabbit3000模块基于Rab-bit3000单片机。该单片机基于Z80内核,最高时钟频率可达54MHz,有6个高速串行口和56个I/O口,直接驱动512KB SRAM、512KB Flash,通过以太网接口进行网络传输时.TCP传输速率可达到6Mb/s。美国Z-World公司提供的Dynamic C开发工具提供了TCP协议栈函数支持, 以及C、汇编混合编程的功能, 非常适合网络应用。 网络相机实现以下功能: 直接驱动MEl010 CMOS摄像芯片摄像,并进行图像处理,同时内置一个微型WEB服务器,用户可以在因特网上访问WEB页。通过CGI接口进行静态图像拍摄, 如增加SOCKET接口,也可通过Activex控件拍摄动态图像。可选择160%26;#215;120彩色、320%26;#215;240黑白两种图像格式。 2 CMOS摄像芯片的控制 2.1 MElO1O的结构及拍摄 南京微盟电子的MElOlO CMOS图像传感芯片最大可拍摄352%26;#215;288的彩色及黑白图像,内部功能框图如图2所示。 该芯片的工作原理:通过Samp、SampG脚进行采样控制,即拍摄图像。拍摄后该芯片把图像各点的模拟电压存入缓冲区中,形成一个最大352%26;#215;288的像素数据阵列,单片机可以通过改变行列地址ADR(8..O)逐点访问图像缓冲区。该图像缓冲实际上是把每个像素的光感应电压存入一个小电容中,通过在ADC Clk脚输入时钟脉冲,MElO1O在ADCclk的低电平期间进行模数转换,上升沿输出。然后单片机即可以从数据口ADCount(7~0)中读出对应行、列地址的像素数据。其中行与列地址共用9条地址线,由XYSEL脚产生的脉冲切换。 具有图像缓冲区是MElO1O最大的特点,一般的CMOS传感器都必须用CPLD将图像数据以很快的速度送人RAM存储,通常为13MB/s左右,再由单片机来读取,因而接口比较复杂。MElO1O的这一特点使得Rab-bit3OOO可以直接读取,结合Rab_bit3OOO强大的网络功能,从而构成了具有特色的网络相机。 拍摄时序如图3所示。 2.2图像的读取 使Rabbit3OOO单片机的PEl,PF(7~O)与MEIOIO的地址线ADR(8"O)、PA(7~O)与数据线ADcount(7"O)相连,PB7与模数转换时钟ADCclk相连。现在以读取16O%26;#215;1 2O彩色图像的一行为例,介绍读取过程,程序用汇编实现,以加快图像读取速度。读取图像时序如图4所示。 #asm debug readoneline:: ;读入一行数据 ;读取到linbuf中 1d hl,linebuf ;指针hl指向linebuf ld de,16O ;一行16O像素 ld C, rp _read: :ADC clk ioi lda,(PBDR);产生ADC时钟 res O,a ioi ld(PBDRl,a set O,a iOi ld(PBDR),a ioi lda,(PADR) ;从PA读入数据 ld (hl),a ;读入数据到linbuf,指针hl指向llnbuf的对应位 inc hl ;指针下移 inc c ;计数器加1 ld a,c ioi ld(PFDR),a;地址加1 dec de ;读完160像素 jr nz,rp_read :否则读下一个 ret #endasm 3 图像处理 3.1 FPN的消除 由于CMOS图像传感器会产生固有噪声FPN(Fixed Pattern Noise),MElO1O要求用软件来完成噪声消除处理,否则拍出的图像表面将叠加许多细碎的色点,这些噪声点的位置大小颜色是固定的,由CMOS图像芯片及电路本身所决定。 FPN消除的方法是在正式拍摄前,先拍摄一张曝光时间接近于O的图像,由于FPN的存在,虽然感光接近于O,但该图像并非是均匀的全黑照片,而是会出现些彩色噪声点。将此图像存在内存中,作为参照,照一张图像,都与这张参照图像相减,从而消除FPN. 3.2彩色插值 读出并经FPN消除后的数据实际上是RGB阵列,MN1O1O通过在感光面上蒙一层RGB彩色滤镜(可选择,若无滤镜即为黑白芯片)实现彩色功能,滤镜排列如图5所示,这是一般图像传感器使用的Mosaic Bayer滤镜,从O行算起,偶数行排列为RGRGRG…… 奇数行排列为GBGBGB…… 因此每一点的数据只代表该点的一种颜色光强度值(灰度值),还需根据相应算法进行彩色化插值处理。利用周边像素的信息,“猜测”算出该点“应该”具有的另外两种颜色光强度,从而得到完整的RGB值,构成24位真彩色图像。这种以彩色插值的方法来达到“趋近”真彩色的处理方式,其图像质量虽然不如使用真正(R、G、B)三组像素型的彩色摄像技术,但已经可以满足通常的图像检测需要。 算法示例如下: 设i,j分别为行数和列数,当Ri,j有i%2==O&&j%2==0时,算法为 R=Ri,j G=(Gri,j-1+Gri,j+l十Gbi-1,j+Gbi+l,j)/4 B=(Bi-i,j-1+Bi—I,j+1+Bi+l,j-1+Bi+l,j+1)/4 对应的Rabbit3OOO的C程序为form_rfgb(){ … } 3.3嵌入图像到HTTP服务器 经过RGB插值合成后已经可以得到真彩色图像,但完整的图像处理还需要进行曝光控制,γ较正,白平衡调整等。曝光控制算法主要是计算各像素亮度的平均量。自平衡调整则是由于CMOS传感器、人眼对RGB三颜色光的灵敏度不同,所以需对R、G、B三种像素的值乘以比例因子加以较正。Υ较正则主要是调整对比度。 获得完整的图像数据后,加入BMP文件头,形成newfile,C程序代码如下: void makefile(){ char newfilesize[4]; newfilesize[0]=0x3a;文件大小 newfilesize[1]=Oxe5; newfilesize[2]=O; newfilesize[3]=O; root2xmem(newfile,newfilesize,4);设置文件大小 sspec_addxmemfile(”/databmp”,newfile,SERVE_RHTTP);嵌入HTTP服务器 4 HTTP服务器的实现 通过基于Rabbit3OOO的模块实现HTTP服务器并不难,只需使用网页设计软件如Dreamwave、Frontpage等,设计一个网页,然后导出到Rabbit3OOO模块的HTTP服务器中即可。设网页文件名为index.html,网页中含有图片ledon.gif,存放的目录是samples/RCM32OO/pages,使用以下指令将文件导出到HTTP服务器中。 #Ximport”samples/RCM32OO/pages/index.shtml" index html #Ximport”samples/RCM32OO,pages/ledon.gif"ledon_gif 此外还需声明HTTP服务器中的文件类型HttpType http_types[]及设置HTTP服务器可访问文件、变量、函数的结构类型HttpSpec http_flashspec[]。 主程序中运行HTTP服务器的相关代码如下: main(){ sock__init(); while(1){ HTTP_server(); } 5 通过CGl接口控制拍摄 在HttpSpec http_flashspec[]中加入以下定义: { HTTPSPEC_FUNCTION, ”/get_photocgi”,O,get_hototoggle,O,NULL,NULL}。 在网页中嵌入按钮图标,假设为button.gif,使其链接到”/get_photocgi”,点击网页上的button按钮时,程序将跳转执行以下函数: int get_hototoggle(HTTPState*state){ get_hoto() ;拍摄图像 cgi_redirectto(state,’data html’);跳转到data.html网页中, ;(该网页含所拍摄的图像文件) returnO: } 即可看到所拍摄的图像。 本文以拍摄160%26;#215;120分辨率的彩色图像为例介绍。由于Rabbit3000单片机直接驱动的内存有限, 当分辨率更高,如320%26;#215;240时, 一般建议存储黑白图像, 可以减少文件大小。 结 语 结合基于互联网络的图像技术是报警系统、工业控制智能家居发展的一个热点,主要有基于8位单片机、DSP及ARM的图像处理方案。 其底层的图像处理及CMOS图像芯片的控制有诸多相通之处。尽管基于DSP及ARM具有运算速度上的优势,但由于Rabbit3000单片机具有强大的网络支持、加密及I/0控制、串行通信、数据采集功能,结合MEl0l0的简单单片机接口,仍然具有鲜明的特点,适用于对实时图像传输要求不高的场合;并且,如果结合高性能的图像芯片,如具有MPEG4压缩功能的伟思GO7007也可以做到实时图像传输。本文所介绍的内容基于作者目前从事的智能小区项目, 已成功研制出样机。

关键字:图像传感器  网络  相机

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