金紹勛，黃繼小，趙志剛，呂德遠(yuǎn)，黃浩文，付 存，劉文擎，屈軍樂

(1.深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2.深圳技術(shù)大學(xué)新材料與新能源學(xué)院，廣東深圳 518118)

0 引言

高光譜儀作為一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成份分析的測(cè)量?jī)x器，在食品安全檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、農(nóng)產(chǎn)品分類、材料分析以及遙感成像等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。隨著高精度加工技術(shù)、傳感器技術(shù)及微電子技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，高光譜儀逐漸克服體積大、對(duì)環(huán)境檢測(cè)要求度高等缺點(diǎn)，向微型化、智能化、多用途等方向發(fā)展[2-4]。

微型高光譜儀大多通過USB接口與PC機(jī)終端進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸，需要在PC機(jī)上使用專門軟件對(duì)所獲取的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集，顯著限制其便攜性[3-5]。隨著移動(dòng)智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，通過WIFI無線傳輸高光譜數(shù)據(jù)，并利用移動(dòng)終端進(jìn)行控制信號(hào)發(fā)送與結(jié)果顯示，可顯著增強(qiáng)微型高光譜儀的便攜性，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。高光譜數(shù)據(jù)量龐大，會(huì)對(duì)無線傳輸造成很大的壓力[6-7]，如何在調(diào)焦和目標(biāo)捕獲等階段進(jìn)行實(shí)時(shí)的高光譜圖像視頻預(yù)覽，是目前需要解決的問題。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)基于Zynq平臺(tái)的微型高光譜儀，搭建Socket服務(wù)器建立微型高光譜儀與移動(dòng)終端之間的通信連接，采用H.264的編碼方式對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并利用RTSP協(xié)議與TCP協(xié)議將高光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至移動(dòng)終端。用戶可在移動(dòng)終端實(shí)時(shí)地預(yù)覽被測(cè)樣本的高光譜視頻和原始高光譜圖像。

1 系統(tǒng)方案及硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的微型高光譜儀實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽系統(tǒng)由微型高光譜儀和移動(dòng)終端兩部分組成。微型高光譜儀實(shí)物如圖1所示，包括高光譜圖像傳感器、Zynq處理平臺(tái)、無線傳輸模塊等。

圖1 微型高光譜儀實(shí)物圖

微型高光譜儀外殼采用鋁合金材質(zhì)，體積為144 mm×57 mm×63 mm，總體質(zhì)量為229 g。硬件電路采用12層高器件密度PCB設(shè)計(jì)，包含Zynq-7020芯片、JTAG接口、高光譜傳感器、DDR3 SDRAM等。硬件電路PCB實(shí)物如圖2所示。

圖2 微型高光譜儀硬件電路圖

高光譜圖像傳感器為比利時(shí)微電子研究中心(IMEC)的新型馬賽克面陣高光譜傳感器。該傳感器通過在標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器感光面中鍍可濾過不同波段光的周期性排布濾光膜，來獲取不同波段的高光譜數(shù)據(jù)。光譜分辨率為12 nm，成像速度可達(dá)340幀/s，滿足高速實(shí)時(shí)高光譜數(shù)據(jù)采集的要求。馬賽克高光譜傳感器芯片如圖3所示。

圖3 IMEC馬賽克高光譜傳感器芯片及周期排布濾光膜示意圖

Zynq處理平臺(tái)的主控芯片使用Zynq-7020芯片，分為PL(programmable logic)和PS(processing system)兩部分。PL部分即FPGA，主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)高光譜傳感器采集待測(cè)物的高光譜數(shù)據(jù)，并將采集到的原始數(shù)據(jù)放置DDR3 SDRAM中儲(chǔ)存；PS部分為2個(gè)ARM Cortex-A9核，主要負(fù)責(zé)控制放置在DDR3 SDRAM中的高光譜數(shù)據(jù)的傳輸與處理。

2 嵌入式Linux平臺(tái)的搭建

設(shè)計(jì)的微型高光譜儀在Zynq處理器的PS部分搭載了嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)，為后續(xù)高光譜數(shù)據(jù)傳輸與處理提供了開發(fā)環(huán)境。嵌入式Linux平臺(tái)搭建主要包括以下工作：搭建Linux開發(fā)環(huán)境、BOOT.bin的制作以及映像文件系統(tǒng)移植。

搭建Linux開發(fā)環(huán)境需要在PC機(jī)上構(gòu)建虛擬機(jī)環(huán)境，在虛擬機(jī)中安裝Linux操作系統(tǒng)。由于微型高光譜儀中的Linux操作系統(tǒng)與Windows虛擬機(jī)中的Linux操作系統(tǒng)是基于2個(gè)不同的平臺(tái)，為了能夠讓微型高光譜儀正常運(yùn)行應(yīng)用程序，需要安裝交叉編譯環(huán)境，這是生成不同平臺(tái)上的可執(zhí)行代碼的工具。交叉編譯環(huán)境安裝與配置步驟如下。

運(yùn)用tar命令將下載好的交叉工具鏈解壓到設(shè)定好的目錄下；運(yùn)用nano命令編輯.profile文件，為其配置環(huán)境變量。修改交叉工具鏈路徑，并在終端輸入命令:arm-linux-gnueabihf-gcc-v,以檢查是否配置成功。配置成功，則會(huì)顯示如下信息：

Using built-i n specs.

COLLECT_GCC=arm-linux-gnueabihf-gcc

COLLECT_LTO_WRAPPER=/opt/gcc-arm-linux-gnueabi/bin/…/libexec/gcc/arm-linux-gnueabihf/6.2.1/lto-wrapper

Target：arm-linux-gnueabihf

…

Thread model：posix

gcc version 6.2.1 20161114 (Linaro GCC Snapshot 6.2-2016.11)

BOOT.bin是系統(tǒng)上電后第一個(gè)要運(yùn)行的程序，Linux操作系統(tǒng)需要通過BOOT.bin引導(dǎo)啟動(dòng)。BOOT.bin的制作需要在PL部分運(yùn)用Vivado軟件建立工程生成比特流文件、FSBL文件、u-boot文件。比特流文件是工程編譯實(shí)現(xiàn)成功后生成的二進(jìn)制文件。FSBL文件為L(zhǎng)inux第一階段的啟動(dòng)加載器，可以通過Xilinx提供SDK軟件生成FSBL文件。u-boot文件引導(dǎo)Linux內(nèi)核和文件啟動(dòng)，可以通過Xilinx官方網(wǎng)站下載。由SDK軟件將上述3個(gè)文件打包生成BOOT.bin文件，通過微型高光譜儀上的JTAG接口下載到QFLASH中。

為了在Zynq上運(yùn)行Linux系統(tǒng)，需要將對(duì)應(yīng)的Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植至微型高光譜儀的Zynq中。映像文件系統(tǒng)移植步驟為：從Xilinx官網(wǎng)下載與微型高光譜儀的Zynq對(duì)應(yīng)的Linux內(nèi)核；用已經(jīng)搭建好的交叉編譯環(huán)境對(duì)內(nèi)核重新編譯，生成能夠在Zynq上運(yùn)行的Linux系統(tǒng)；將構(gòu)建好的文件系統(tǒng)中的所有文件，利用交叉編譯環(huán)境對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行編譯；利用交叉編譯工具將Linux內(nèi)核文件與文件系統(tǒng)打包成映像文件(uImage)文件，燒錄到FLASH中指定地址。

3 Socket服務(wù)器系統(tǒng)的建立

為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問微型高光譜儀，在Zynq中的ARM上搭建Socket服務(wù)器。Socket最初由加利福尼亞的伯克利大學(xué)開發(fā)，用作Unix系統(tǒng)環(huán)境下的一個(gè)編程接口[8-9]，是維持Internet的基本技術(shù)之一[8-11]。應(yīng)用程序可以通過它發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行類似于文件系統(tǒng)的打開、讀寫和關(guān)閉等操作。

圖4為設(shè)計(jì)的微型高光譜儀視頻流實(shí)時(shí)預(yù)覽系統(tǒng)框圖。微型高光譜儀首先與移動(dòng)終端通過Socket服務(wù)器的無線通信方式進(jìn)行連接，建立連接后移動(dòng)終端通過Socket服務(wù)器對(duì)微型高光譜儀發(fā)送采集控制指令，將已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)從DDR3 SDRAM取出；高光譜處理模塊處理得到高光譜數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻編碼模塊，或?qū)⒏吖庾V圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至Socket服務(wù)器無線傳輸移動(dòng)終端；視頻編碼模塊對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻編碼，將處理后的視頻數(shù)據(jù)推送至Socket服務(wù)器的移動(dòng)終端；移動(dòng)終端接收視頻數(shù)據(jù)和高光譜圖像數(shù)據(jù)的顯示參數(shù)，并在顯示屏上顯示預(yù)覽視頻或高光譜圖像。

圖4 微型高光譜儀視頻流實(shí)時(shí)預(yù)覽系統(tǒng)框圖

高光譜數(shù)據(jù)的無線傳輸流程如圖5所示。移動(dòng)終端在與Socket服務(wù)器建立連接后發(fā)送指令，Socket服務(wù)器接收并解析移動(dòng)終端的指令，微型高光譜儀將根據(jù)指令執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理類調(diào)用等操作，然后返回移動(dòng)終端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。移動(dòng)終端的請(qǐng)求分為視頻流請(qǐng)求和高光譜圖像數(shù)據(jù)請(qǐng)求兩類。視頻流請(qǐng)求時(shí)，得到的視頻數(shù)據(jù)僅提供預(yù)覽功能；高光譜圖像數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，返回的數(shù)據(jù)包括圖片(tif，jpeg，bmp)和圖片各點(diǎn)的像素值。圖片各點(diǎn)的像素值保存在一個(gè)csv文件里。最終微型高光譜儀將處理完成的高光譜數(shù)據(jù)由Socket服務(wù)器發(fā)送至移動(dòng)終端，至此完成一次高光譜數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖5 高光譜數(shù)據(jù)的無線傳輸流程圖

Socket服務(wù)器傳輸?shù)囊曨l流使用H.264編碼方式，根據(jù)RTSP協(xié)議推送視頻流至無線網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)端的應(yīng)用輸入服務(wù)器的地址就可獲取微型高光譜儀的視頻流。H.264編碼出來的視頻流解碼兼容性好，數(shù)據(jù)量也顯著減少，非常適用在Socket服務(wù)器無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

Socket服務(wù)器系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了微型高光譜儀與移動(dòng)終端高光譜數(shù)據(jù)的無線傳輸。同時(shí)，H.264編碼方式對(duì)該服務(wù)器設(shè)備要求較低。設(shè)計(jì)的Socket服務(wù)器系統(tǒng)滿足高光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)視頻無線傳輸條件。

4 測(cè)試與分析

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。移動(dòng)終端為Android手機(jī)平臺(tái)，通過APP實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)客戶端與微型光譜儀Socket服務(wù)器的交互，完成實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 視頻預(yù)覽APP界面

視頻預(yù)覽APP界面如圖7所示。點(diǎn)擊左下角的“播放”按鈕可預(yù)覽微型高光譜儀所拍攝的視頻，調(diào)節(jié)微型高光譜儀鏡頭的光圈和焦距進(jìn)行對(duì)焦。最終得到視頻預(yù)覽信息如圖8所示。

圖8 視頻預(yù)覽

根據(jù)視頻預(yù)覽信息可以看出微型高光譜儀獲取的視頻幀率28 fps，滿足視頻的實(shí)時(shí)預(yù)覽。

如圖9所示，在APP中調(diào)節(jié)圖像的尺寸與類型，可獲取原始高光譜圖像或25波段的單通道高光譜圖像。

若需要讀取原始高光譜圖像，可將“尺寸”選項(xiàng)選擇為2048×1088，“類型”選項(xiàng)選擇tif，點(diǎn)擊“拍照”按鈕后等待“1”出現(xiàn)在視頻預(yù)覽窗口的底部。即可獲取原始高光譜圖像。同理，將“尺寸”選項(xiàng)選擇為408×217，“類型”選項(xiàng)選擇需要保存的文件類型(這里選擇bmp)，點(diǎn)擊拍照后等待“25”出現(xiàn)在視頻預(yù)覽窗口的底部即可獲取25波段高光譜圖像。

獲取到的圖像存放在文件管理中，如圖10所示。

5 結(jié)論

本文在研制的微型高光譜儀中搭建了Socket服務(wù)器，控制微型高光譜儀與移動(dòng)終端進(jìn)行交互，完成了高光譜數(shù)據(jù)的無線傳輸，并在移動(dòng)終端APP上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的視頻預(yù)覽。設(shè)計(jì)的基于Socket服務(wù)器的Zynq平臺(tái)微型高光譜儀實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽系統(tǒng)，既可在移動(dòng)終端實(shí)時(shí)預(yù)覽視頻，也可獲取原始高光譜圖像數(shù)據(jù)。

(a)原始高光譜圖像

(b)25波段高光譜圖像圖9 原始高光譜圖像與25波段高光譜圖像的獲取

圖10 文件管理中查看25波段圖像