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0 引言 隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展和Linux在信息行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，視頻采集與傳輸系統(tǒng)作為遠程視頻監(jiān)控、可視電話會議和工業(yè)自動控制領(lǐng)域的一項核心技術(shù)，近年來已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展。本文在基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺上，采用USB攝像頭捕捉視頻信號，利用V4L內(nèi)核應(yīng)用編程接口函數(shù)，實現(xiàn)了視頻連續(xù)幀圖像的采集，并保存成文件的形式利用無線傳輸方式傳輸給接收端。這里著重討論視頻采集發(fā)送端的實現(xiàn)。 1 系統(tǒng)組成 1．1 統(tǒng)的硬件構(gòu)成 本系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端2部分，兩部分均采用Samsung公司生產(chǎn)的S3C2410處理器做硬件開發(fā)平臺。S3C2410在片上集成了豐富的組件：分開的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache、用于虛擬存儲器管理的MMU、支持STN和TFT的LCD控制器、NAND Flash啟動裝載器、具有片選邏輯和SDRAM控制器的系統(tǒng)管理器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時器、I／O口、RTC、8通道10 位ADC和觸摸屏接口、I2C總線接口、I2S總線接口、USB主設(shè)備、USB從設(shè)備、SD卡和MMC卡接口、2通道的SPI以及PLL時鐘發(fā)生器，還采用了AMBA(advanced micrcocontroller bus architecture)新型總線結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用S3C2410處理器平臺搭建的發(fā)送端硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：包括S3C2410處理器、RS232接口、JTAG接口、RJ-45接口、SDRMA、 Flash、電源、通過USB口連接的視頻采集模塊和通過USB接口連接的視頻發(fā)射模塊。RS232串口用于人機交互及低速數(shù)據(jù)的收發(fā)，應(yīng)用電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX-323進行串口電平和TTL／CMOS電平的轉(zhuǎn)換。JTAG接口用于下載Bootloader。RJ-45接口用于和以太網(wǎng)連接，下載操作系統(tǒng) Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。SDRMA用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器、Flash用于系統(tǒng)的程序存儲器。 
應(yīng)用S3C2410處理器平臺搭建的接收端硬件電路如圖2所示：與發(fā)送終端相比，多了SD卡和LCD顯示器。SD卡主要用來存儲數(shù)據(jù)，LCD顯示器主要用來顯示視頻圖像。
1．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成分為引導(dǎo)驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序4部分，如圖3所示。引導(dǎo)驅(qū)動程序在系統(tǒng)啟動時進行內(nèi)存重映射，將保存在Flash中的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序重新映射到SDRAM中。Linux的內(nèi)核版本為LinIix2．6。文件系統(tǒng)是Yaffs，它包括模塊、配置文件和庫等。系統(tǒng)的應(yīng)用程序建立在嵌入式Linux內(nèi)核、攝像頭驅(qū)動和文件系統(tǒng)之上。
2 視頻采集的具體實現(xiàn) USB攝像頭連接簡單、使用靈活、價格低廉且具有良好的性能，因此，得到了廣泛的應(yīng)用。Linux內(nèi)核包含了多種USB攝像頭驅(qū)動，最常用的有基于 OV5ll及其兼容芯片。OV511芯片主要包括CAMERA接口、DRMA接口、ISO FIFO接口和OmniCE以及USB控制器等部分。本設(shè)計使用的是在低端市場占有率較高的中芯微公司生產(chǎn)的ZC030x系列攝像頭芯片。Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)’Vide04linux為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應(yīng)用程序通過調(diào)用API即可操作各種不同的視頻捕獲設(shè)備，包括電視卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。本設(shè)計的具體實現(xiàn)過程如下所述： 2．1 攝像頭驅(qū)動的實現(xiàn) 1)配置Vide04linux內(nèi)核 在終端使用make menuconfig命令打開S3C24lOlinux內(nèi)核編譯的main menu窗口，并進入“multimedia device———>”菜單選項，然后將Video for Linux配置為模塊，即： Device driver———> Multimedia devices———> <*>Video for linux 2)配置OV511驅(qū)動 返回主菜單，在進入“USB support———>”菜單選項，然后將USB OV5llcamera support設(shè)置為模塊，即： SUB suppor———> <*>USB OV5llcamera support(NEW) 3)模塊安裝 執(zhí)行以下命令安裝視頻輸入模塊： insmod videodev．o 執(zhí)行以下命令安裝視頻輸入設(shè)備驅(qū)動模塊： insmod usbcore．o insmod usb-ohci-s3c2410．ko insmod ov511．o 由于使用的設(shè)備是USB接口的攝像頭，所以在加載ov511．o模塊前，需要加載USB內(nèi)核驅(qū)動和主機控制器驅(qū)動。 2．2 利用Vide041inux實現(xiàn)圖像采集 在安裝了圖像采集設(shè)備驅(qū)動后，只需要再編寫一個對視頻采集的應(yīng)用程序就可以采集視頻圖像。在Linux系統(tǒng)中，視頻文件是設(shè)備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫，攝像頭文件一般是／dev／v4l／video。在進行視頻捕捉之前，需要做一些必要的設(shè)置工作。這些設(shè)置涉及到如下結(jié)構(gòu)： struct video_picture { _u1 6 brightness；／／亮度 _u16 hue； _u16 Colour； _u16 contrast；／／對比度 _u16 whiteness；／／黑色和白色 _u16 depth；／／顏色深度 _u16 palette；／／調(diào)色板 }； Strct video_windowr { _u32 x，y；／／窗體位置 _u32 width，height；／／窗體尺寸 _u32 chromakey； _u32 flags； Struct video_clip_user*clips； Int clipeount： define VIDEO_WINDOW_INTERLACE 1 define VIDEO_WINDOW_CHROMAKEY 16 define VIDEO_CLIP_BITMAP-l define VIDEO_CLIPMAP_SIZE(128*625) }； struct video_capture { _u32 x，y；／／圖像偏移 _u32 width，height；／／捕捉區(qū)域 _u16 decimation；／／采集間隔 _u16 flags；／／采集標志 define VIDEO_CAPTUREl_ODD O define VIDEO_CAPTURE_EVEN 1 }； V4L下視頻采集編程首先要打開視頻設(shè)備： Int fd=open(“／dev／v4l／video”，O_RDONLY)； If(fd 接著對攝像頭參數(shù)進行設(shè)置。一般是先通過I／O控制命令讀取設(shè)備信息，然后對特定項進行修改，最后通過I／O控制命令保存到內(nèi)核中。由于篇幅有限源程序不再贅述。 獲取基本信息后，可以輸出顯示，也可以通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用對這些值進行修改。然后調(diào)用函數(shù) Char*Carmera_get_image(video_device*vd)獲得圖像數(shù)據(jù)指針。此函數(shù)比較重要，關(guān)系到圖像采集的效率。獲取圖像數(shù)據(jù)有2種方法：一是通過映射得到視頻驅(qū)動的數(shù)據(jù)緩沖，然后直接對映射后的緩沖進行讀操作；二是直接讀設(shè)備，及調(diào)用read函數(shù)。下面分別介紹： (1)read系統(tǒng)調(diào)用方式比較簡單，只需將前面得到攝像頭參數(shù)傳入read函數(shù)中，得到圖像數(shù)據(jù)指針picture_p后返回即可：read(vd->fd，picture_p，width*hight)；其中vd_>fd為設(shè)備文件描述符。 (2)利用mmap方式先使用ioctl(fd，VIDIOCGMBUF，&grab_vm)函數(shù)獲得攝像頭存儲緩沖區(qū)的幀信息，之后修改 voideo_mmap中的設(shè)置，例如重新設(shè)置圖像幀的垂直及水平分辨率、彩色顯示格式，使用如下語句： grab_buf．height=240； grab_buf．width=320； grab—buf．format=VIDEO_PALETTE_RGB24； 接著把攝像頭對應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，具體使用grab_data=(unsigned char*)mmap(O，grab_vm．size，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，grab_fd，O)操作。這樣設(shè)備文件的內(nèi)容就映射到內(nèi)存區(qū)，該映射內(nèi)容區(qū)可讀可寫并且不同進程間可共享。該函數(shù)成功時返回圖像數(shù)據(jù)的指針，失敗時返回值為-1。 3 無線傳輸模塊 本系統(tǒng)選用西門子的MC235作為GPRS通信模塊，來實現(xiàn)圖像的無線傳輸。該模塊結(jié)合語音、數(shù)據(jù)傳輸、短信服務(wù)等功能，最大傳輸速率可以達到85．6 Kbps，具有豐富的AT指令使模塊與微處理器通信，功能強大，操作靈活方便，特別適用于數(shù)據(jù)的監(jiān)測和傳輸。 在進行GPRS傳輸操作之前需對模塊進行設(shè)置，主要有：(1)設(shè)置通信波特率；(2)設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)；(3)設(shè)置移動終端類別；(4)測試GPRS服務(wù)是否開通，激活GPRS功能。這些設(shè)置都在主程序的初始化代碼段完成。通過測試，GPRS驅(qū)動正常工作，能很好地支持數(shù)據(jù)／命令復(fù)合協(xié)議傳輸，其協(xié)議的丟包率、吞吐量等性能指標與無線模塊的指標無實質(zhì)性差別，整個系統(tǒng)工作正常，基本達到設(shè)計要求。 4 結(jié)束語 本文基于S3C2410的硬件平臺和嵌入式Linux的軟件平臺，實現(xiàn)了視頻信號的采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸。發(fā)送端由于把圖像壓縮和網(wǎng)絡(luò)功能集成到一個體積很小的設(shè)備內(nèi)，并直接通過無線方式接入GPRS網(wǎng)，省掉各種復(fù)雜的電纜連接，安裝方便；用軟件的方法替代了以往許多用硬件模塊實現(xiàn)的功能，同時實現(xiàn)了收發(fā)雙方體積的小型化和低功耗，在網(wǎng)絡(luò)狀況較為理想的情況下，系統(tǒng)在圖像分辨率為352×288，像素為16位的情況下，可以實現(xiàn)每秒鐘傳送1幀圖像。整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點，可擴展應(yīng)用在工業(yè)控制、視頻會議系統(tǒng)、可視電話、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。 參考文獻 1. 孫天澤,袁文菊,張海峰.嵌入式設(shè)計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南一基于ARM9處理器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:16-51. 2. 徐英慧,馬忠梅,王磊,等.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計--基于S3C2410與Linux[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:342-371. 3. RUBINI A.LINUX設(shè)備驅(qū)動程序[M].魏永明,譯.北京:中國電力出版社,2002:562-598. 4. 王艷,吳旭光,趙勛峰.基于ARM的嵌入式手持設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2007,30(3):47-49. 5. 馮國進.嵌入式Linux驅(qū)動程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:102-149. 6. 管耀武,楊宗德.ARM嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:321-349. 7. 蒲城,張濤.GPRS遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù),2006,29(4):166-167. 8. 黃濤,白創(chuàng),徐靖.嵌入式無線瓦連系統(tǒng)開發(fā)從實踐到提高[M].北京:中國電力出版社,2007:168-239. 作者：嚴新忠 陳雨 （天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院,天津,300222 ） 來源：國外電子測量技術(shù) 2009 28(11) |
