Rabbit3000与HElOlO 图像传感器构成的网络相机
http://www.ic36.com 2006年8月24日9:10 刘轶 李文胜
在家用报警系统、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160×120彩色、320×240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352×288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352×288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×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160×120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320×240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。
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160×120彩色、320×240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352×288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352×288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×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160×120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320×240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。
（关键词）：Rabbit3000 HElOlO 图像传感器 网络相机
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