基于DM6446嵌入式虹膜識別系統視頻驅動的開發與實現

羅茂元,胡春林

（1.電子科技大學物理電子學院，成都，610054；2.電子科技大學電子工程學院，成都，611731）

0 引言

隨著社會和科技的發展，身份認證的重要性日益顯現。在身份識別方式中，虹膜識別以其最精確、非接觸性等特點，居于各種生物特征識別系統的首位。目前，虹膜識別系統實現平臺可分為基于PC機和基于嵌入式兩大類。前者主要用于大型管理系統等領域，結構復雜，信息量大，體積大；而后者適用于小范圍認證，信息處理量小，系統結構較為簡單的領域，如高安全級別門禁系統等。

本課題重點研究在DM6446嵌入式虹膜系統的硬件平臺下，通過配置視頻前端寄存器，設計視頻驅動程序。其目的在于實現分辨率為640*480的虹膜視頻圖像的采集，并將捕獲到的虹膜圖像在DDR2內存中保存，為后端的DSP虹膜算法提取特征值、完成相應編碼提供基礎。

1 視頻處理前端（VPFE）的設計與實現

嵌入式DM6446處理器的視頻處理子系統模塊（VPSS）由用于視頻輸入及前端處理的視頻前端模塊（VPFE）和用于視頻顯示及后端處理的視頻后端模塊（VPBE）兩部分組成。

視頻處理前端（VPFE）主要由CCDC、IPIPE、IPIPEIF、H3A四個模塊組成。CCDC提供了一個連接圖像傳感器和數字視頻源的接口。在硬件設計上，將CCDC控制器與CMOS圖像傳感器芯片MT9T001相連接，通過設置CCDC相應的寄存器，使只接收原始圖像/視頻數據圖像，而非多種形式的YUV視頻數據，完成圖像的采集。如圖1所示，CMOS攝像頭原始圖像數據以RAW格式的視頻流通過粗實線路徑流向A2口，通過對下圖中3個寄存器的配置，可設置圖像數據采集的鎖存時刻、輸入數據傳遞是否按位取反以及數據比特數。

圖1 RAW模式下CCDC的配置

在圖2中，設置寄存器使A1路徑的YCC數據不能通過，A2路徑的RAW數據通過。由于后續均使用原始RAW圖像數據，因此，不需圖像調節功能，其他寄存器均保持默認值。RAW圖像數據經粗實線路徑流到B端口。

圖2 RAW模式下數據選擇

CCDC控制器后端處理采集的視頻流不分奇偶場，如圖3所示，采用連續存儲模式將圖像原始數據存儲到DDR2內存中，由寄存器DDR_ADDR.ADR的值決定每一幀圖像數據在實際物理內存DDR2中的起始地址，設置SDOFST寄存器根據場的ID號確定奇偶行在DDR2內存中額外偏移。

圖3 RAW模式下CCDC控制器后端處理

2 視頻前端抓捕驅動程序的設計

在Linux中，V4L2為Linux下的視頻設備程序開發提供了一套接口規范。本系統采用V4L2視頻驅動管理虹膜圖像傳感器MT9T001，視頻驅動的整體構架主要由應用程序、V4L2核心層、MT9T001驅動等組成，下面對相關構架單元著重分析。

2.1 V4L2驅動核心層數據結構

在Linux系統中視頻驅動子系統是圍繞struct video_device結構體建立的，用于描述當前視頻設備所支持的視頻功能和傳輸類型。在該結構體中，主要包含三組不同的函數指針集，用于移植虹膜攝像頭的V4L2架構驅動程序。

第一組函數指針針對V4L2自身架構所設計，實現對不同的視頻設備進行配置操作、輸入幀率控制以及其他操作，是API函數的核心。

第二組由release()函數作為一個函數指針，進行整個結構體銷毀工作。由于video_device是針對多個應用層設備文件，如果在每次應用程序調用完相應的視頻設備后，就盡快對這一結構體進行銷毀，那么非常容易出現內核不穩定的情況，所以release()單獨作為一個函數指針。

第三組是常規的文件操作，根據實際設備進行輸入或輸出，實現相應函數內部的具體功能。通過對該函數調用可對底層視頻設備進行初始化控制、配置底層設備視頻圖像數據格式和視頻緩沖區的大小設置等。

2.2 V4L2驅動注冊

V4L2視頻驅動位于應用程序和硬件設備之間的中間層，它是一個兩層驅動系統。在實現內核空間拷貝數據時，使用mmap函數轉換成應用程序中的絕對地址，切換數據指針將內核空間的視頻驅動圖像數據與用戶空間共享。

2.3 多級緩存內存管理

由于攝像頭采集圖像傳送數據的速度和DSP應用程序處理速度不同，為避免視頻數據丟幀，上層和底層并行處理互不干擾，采用多級緩存方式實現FIFO視頻內存管理。如圖4所示，在視頻緩沖區將視頻圖像分成多個同樣大小的緩存塊，當視頻采集開始時，將采集數據存到DM6446輸入視頻端口的FIFO，先填寫第一個緩存塊bufferA，當bufferA填滿后，DSP 發出信號產生EDMA 中斷，啟動EDMA 通道，搬運FIFO中的bufferA圖像數據，將其存入SDRAM中，等待圖像處理。在每場圖像采集完成后觸發VPORT中斷，中斷服務程序更新圖像存儲區，EDMA 通道自動把指針指向第二個緩存塊bufferB，繼續采集另一場圖像，已完成的視頻緩存塊bufferA就作為了空閑模塊，歸還給輸入隊列以便再次使用，以此實現多個同樣大小的緩存塊交替接收數據。解決了攝像頭采集和DSP應用并行處理且互不干擾。

圖4 采用多級緩存技術采集圖像示意圖

3 視頻前端抓捕測試

在DM6446 VPFE視頻驅動設計完成后，還需編寫視頻采集程序，通過調用V4L2控制命令字實現對視頻采集設備的控制，以驗證驅動開發的正確性。

將V-MT9V0011 連接到DM6446的視頻處理前端，通過 UART0調試串口啟動嵌入式操作系統，將視頻采集程序通過 tftp 下載至 DM6446 核心板中。在 PC 機上利用 VLC 播放器打開 RTSP 媒體流觀察輸出圖像，進行初級測試。視頻捕捉結果如圖5所示，輸出圖像顯示統計幀率正常，最高到達60FPS的傳輸速度；圖像清晰、流暢。驗證了本 DM6446 VPFE驅動的正確性。

圖5 采集到的虹膜圖像

4 結束語

綜上所述，本文以DM6446為開發平臺，實現了基于 V4L2 的視頻處理前端驅動的設計，并通過進行視頻采集程序測試，證明其可以進行長期、穩定、實時的，對虹膜圖像數據進行采集，并且并沒有圖像數據位置不正確或者是丟幀的情況出現，到達了預期設計目的。

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