摘 要： 為了快速、實時地采集水下圖像，提出了一種基于RVMDK開發(fā)平臺的便攜式水下圖像實時采集系統(tǒng)軟件設(shè)計。首先給出了水下圖像采集系統(tǒng)的總體組成，闡述了RVMDK開發(fā)軟件環(huán)境；其次，分別對OV7670程序、LCD程序、SCCB接口程序進(jìn)行了設(shè)計；最后，對提出的圖像采集軟件系統(tǒng)進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果表明，該程序設(shè)計能夠有效地實現(xiàn)水下圖像實時采集功能。
關(guān)鍵詞： 水下圖像采集；OV7670程序；SCCB接口程序；LCD程序
0 引言
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，水下探測技術(shù)是水下觀測、海洋防衛(wèi)、水下搜救打撈、艦艇檢修等方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。海警艦艇機(jī)艙集中了船上絕大多數(shù)設(shè)備裝置的儀表，是艦艇航行的關(guān)鍵部分。基于PC機(jī)的圖像采集系統(tǒng)具有功能豐富、接口靈活多變、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點[1-2]。該類型圖像采集系統(tǒng)通過硬件傳輸路線連接到多媒體監(jiān)控終端，然后基于通信網(wǎng)絡(luò)，將圖像信息傳到一個或者多個監(jiān)控中心[3-4]。系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體信息處理如壓縮、存儲等基本功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)智能存儲和圖像自動識別等高級功能，實現(xiàn)模擬監(jiān)控?zé)o法實現(xiàn)的“監(jiān)控”功能[5-6]。但是該類圖像采集系統(tǒng)在有限空間的機(jī)艙內(nèi)部所占體積大，且成本較高，不利于便攜采集。因此，本文設(shè)計了一種快速、實時的水下圖像采集系統(tǒng)軟件，通過試驗驗證，該軟件能夠有效地實現(xiàn)水下圖像便捷、實時采集的功能。
1 水下圖像采集系統(tǒng)的總體設(shè)計
本系統(tǒng)的總體目標(biāo)是采用帶FIFO的OV7670攝像頭模塊，由STM32F103ZET6單片機(jī)通過SCCB總線讀取數(shù)據(jù)，并在LCD液晶顯示屏上實時顯示圖像數(shù)據(jù)。如圖1所示為水下圖像采集系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖。由圖可知，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由ARM主處理器及其外圍電路、CMOS圖像傳感器、LCD液晶顯示屏等幾部分組成，系統(tǒng)硬件實現(xiàn)簡單。
2 軟件環(huán)境
軟件以RVMDK為開發(fā)平臺，實現(xiàn)水下圖像采集系統(tǒng)的主要算法、控制流程等。RVMDK源自德國的KEIL公司，是RealView MDK的簡稱。該軟件集成了最領(lǐng)先的技術(shù)，支持Cortex-M3主處理器內(nèi)核，本文將選擇RVMDK3.80A版本的編譯器進(jìn)行程序編譯。由于單片機(jī)主處理器為STM32F103ZET6，F(xiàn)LASH容量為512 KB，容量偏大，因此選擇startup_stm32f10x_hd.s作為STM32芯片啟動文件。如圖2所示為STM32芯片啟動文件加載圖。
3 水下圖像采集軟件設(shè)計
3.1 軟件方案設(shè)計
如圖3所示為水下圖像采集程序流程圖。首先是系統(tǒng)初始化程序，主要包括TFT液晶顯示模塊的初始化、SCCB接口、OV7670攝像頭、FIFO緩存器AL422B模塊的初始化。系統(tǒng)產(chǎn)生中斷指令，使得FIFO_WEN置高電位，再次產(chǎn)生中斷指令，使得FIFO_WEN置低電位，從而完成一個FIFO_WEN周期。讀取FIFO_WEN數(shù)據(jù)，檢測是否完成一幀，如果完成，則檢測是否收到采集完畢指令，如此往復(fù)循環(huán)，直到采集完畢。
3.2 OV7670程序設(shè)計
通過OV7670.c代碼先編程設(shè)計OV7670相關(guān)的I/O口和SCCB接口，完成OV7670的寄存器序列的初始化工作。OV7670的寄存器特多，配置很麻煩，本文用到的配置序列，存放在ov7670_init_reg_tbl數(shù)組里面，通過這個二維數(shù)組來存儲初始化序列寄存器和寫入寄存器的數(shù)值，整個數(shù)組存放在ov7670cfg.h文件中。ov7670cfg.h文件的代碼如下：
const u8 ov7670_init_reg_tbl[][2]=
{
/*以下為OV7670 QVGA RGB565參數(shù)*/
{0x3a，0x04}，
{0x40，0x10}，
{0x12，0x14}，//QVGA，RGB 輸出
{0x6e，0x11}， //100
{0x6f，0x9f}， //0x9e for advance AWB
{0x55，0x00}， // 亮度
{0x56，0x40}， // 對比度
{0x57，0x80}，
//0x40，change according to Jim′s request
}；
#end if
以上代碼中，每個條目的第一個字節(jié)為寄存器地址，第二個字節(jié)為設(shè)置的值，比如{0X3a，0x04}，就表示在0X3a地址，寫入0X04這個值。
通過對寄存器的配置，完成了OV7670攝像頭模塊的程序設(shè)計，使OV7670工作在QVGA模式，以RGB565格式輸出。在完成初始化之后，準(zhǔn)備讀取OV7670采集的圖像數(shù)據(jù)。
3.3 LCD初始化程序設(shè)計
TFT-LCD液晶顯示模塊程序設(shè)計的關(guān)鍵在于FSMC控制器的配置和寄存器地址的計算。單片機(jī)的FSMC使用的是AHB3提供的時鐘信號，STM32微處理器的FSMC控制器對外設(shè)地址映射從0X60000000開始到0X9FFFFFFF結(jié)束，一共由4個Bank組成，在TFT-LCD程序設(shè)計過程中選擇了Bank1。寄存器地址則由TFT-LCD的RS和CS端與FSMC接口的連接方式來計算。本文STM32與TFT模塊連接時，僅將2.8英寸的TFT屏看成一個SRAM來處理。本程序函數(shù)用來驅(qū)動ILI9320LCD芯片。程序函數(shù)如下：
void LCD_Init（void）
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure；
FSMC_NORSRAMInitTypeDef
FSMC_NORSRAMInitStructure；
FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDefreadWriteTiming；
FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDefwriteTiming；
RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_AHBPeriph_FSMC，ENABLE）； //使能FSMC時鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_GPIOG|RCC_APB2Periph_AFIO，ENABLE）；
//使能PORTB，D，E，G以及AFIO復(fù)用功能時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0；
//PB0推挽輸出背光
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP； //推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz；
GPIO_Init（GPIOB，&GPIO_InitStructure）；
..........
readWriteTiming.FSMC_AddressSetupTime=0x01；
//地址建立時間（ADDSET）為2個HCLK1/36 MHz=27 ns
readWriteTiming.FSMC_AddressHoldTime=0x00；
readWriteTiming.FSMC_DataSetupTime=0x0f；
readWriteTiming.FSMC_BusTurnAroundDuration=0x00；
readWriteTiming.FSMC_CLKDivision=0x00；
readWriteTiming.FSMC_DataLatency=0x00；
readWriteTiming.FSMC_AccessMode=FSMC_AccessMode_A； //模式A
writeTiming.FSMC_AddressSetupTime=0x00；
//地址建立時間（ADDSET）為1個HCLK
writeTiming.FSMC_AddressHoldTime=0x00；
//地址保持時間（A）
writeTiming.FSMC_DataSetupTime=0x03；
//數(shù)據(jù)保存時間為4個HCLK
writeTiming.FSMC_BusTurnAroundDuration=0x00；
writeTiming.FSMC_CLKDivision=0x00；
writeTiming.FSMC_DataLatency=0x00；
writeTiming.FSMC_AccessMode=FSMC_AccessMode_A； //模式A
3.4 SCCB接口初始化程序設(shè)計
由于對攝像頭的工作參數(shù)的配置是通過SCCB來實現(xiàn)的，因此在軟件設(shè)計時，首先設(shè)計出SCCB程序從而控制攝像頭的相關(guān)參數(shù)。SCCB設(shè)計程序如下：
void SCCB_Init（void）
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure；
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOG， ENABLE）； //使能PB端口時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13；
//端口配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU；//輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz；
GPIO_Init（GPIOG， &GPIO_InitStructure）；
GPIO_SetBits（GPIOG，GPIO_Pin_13）； //輸出高電平
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3； //端口配置
GPIO_Init（GPIOD， &GPIO_InitStructure）；
GPIO_SetBits（GPIOD，GPIO_Pin_3）； //輸出高電平
SCCB_SDA_OUT（）；
}
以上是模擬SCCB初始化函數(shù)、使能PB端口時鐘和相關(guān)引腳的配置。SCCB起始信號函數(shù)如下：
void SCCB_Start（void）
{
SCCB_SDA=1； //數(shù)據(jù)線高電平
SCCB_SCL=1； //在時鐘線高的時候數(shù)據(jù)線由高至低
delay_us（50）；
SCCB_SDA=0；
delay_us（50）；
SCCB_SCL=0；
//數(shù)據(jù)線上電位恢復(fù)低電平（對于單操作函數(shù)必要）
}
通過SCCB起始信號函數(shù)可以看出，當(dāng)時鐘為高電平時，數(shù)據(jù)線由高到低為SCCB起始信號，在激活狀態(tài)下，SDA和SCL均為低電平。SCCB的停止信號如下：
void SCCB_Stop（void）
{
SCCB_SDA=0；
delay_us（50）；
SCCB_SCL=1；
delay_us（50）；
SCCB_SDA=1；
delay_us（50）；
}
通過SCCB停止信號函數(shù)可以看出，當(dāng)時鐘為高電平的時候，數(shù)據(jù)線的由低到高為SCCB停止信號，在空閑狀況下SDA和SCL均為高電平。
4 實驗分析
為了方便操作，整個系統(tǒng)設(shè)計為外接電源供電，同時打開控制面板來控制供電。控制面板帶總開關(guān)、燈光旋轉(zhuǎn)開關(guān)、攝像頭控制接口、燈光控制接口和電源輸入接口，通過220 V交流電轉(zhuǎn)12 V直流電轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)STM32、攝像頭、LED燈光的供電一體化。整個系統(tǒng)的供電由4根電源線控制，包含18根攝像頭信號線和兩根LED燈光控制線。
由于攝像頭前設(shè)計了33顆專業(yè)級LED燈，總光源面積為504π mm2。實驗前將LED燈光全部打開且調(diào)節(jié)到最亮狀態(tài)，用不同環(huán)徑（中間空出攝像頭的位置）的不透光的圓環(huán)形黑紙條成比例地遮住LED燈，分別在明亮、一般、較暗三種環(huán)境下進(jìn)行圖像采集實驗。明亮、一般、較暗環(huán)境的判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。三種情況下圓柱體的圖像采集情況如圖4、5、6所示。
從以上在不同燈光環(huán)境下采集的同一物體圖像可以看出，三種環(huán)境下石塊紋理清晰可見，從而證實了本文設(shè)計的水下圖像采集軟件能夠有效地實現(xiàn)圖像采集功能，并且在不同的燈光強(qiáng)度下，圖像采集效果不同，燈光強(qiáng)度越強(qiáng)，采集效果越好。
5 結(jié)論
結(jié)合論文的研究目標(biāo)，給出了包含OV7670攝像頭模塊、STM32F103ZET6單片機(jī)處理器模塊、SCCB總線讀取數(shù)據(jù)模塊以及LCD液晶顯示屏模塊的水下圖像采集系統(tǒng)。分別對系統(tǒng)的OV7670程序、LCD程序、SCCB接口程序進(jìn)行了設(shè)計。通過在不同燈光強(qiáng)度下的試驗，證實了本文設(shè)計的水下圖像采集軟件能夠有效地實現(xiàn)水下圖像采集功能。
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