嵌入式Linux视频采集系统的设计与实现

　　摘要：本文以嵌入式微处理器S3C2410为,对Linux下的视频采集技术进行了详细分析。信号采集使用USB摄像头,介绍了Video4Linux编程接口的使用方法,给出了Linux下视频采集的实现过程。

　　1 引言

　　多媒体通信技术的发展为信息的获取和传输提供了丰富的手段，视频采集是其中不可缺少的重要组成部分。视频采集的手段多种多样，随着人们对降低系统成本和提高可靠性的迫切需求，基于嵌入式的视频采集系统成为新的研发热点。本方案以S3C2410 微控制器作为硬件平台，通过移植具有实现硬件功能的Linux 操作系统，实现了对视频数据的实时采集和存储。

　　2 系统构成

　　系统平台采用三星公司的处理器S3C2410，该处理器内部集成了ARM920T 处理器核，为32 位微控制器，带独立的16KB 指令Cache 和16KB 数据Cache，LCD 控制器，RAM 控制器，NAND Flash 控制器，并行I/O 口，8 路10 位ADC，主频可达203MHZ。在处理器丰富资源的基础上进行了相关的配置和扩展，平台配置了64Mbytes 8 位的NAND 闪存和64Mbytes32 位的SDRAM，通过以太网控制器芯片CS8900A 扩展了一个网口，另外引出一个串行接口和两个HOST/DEVICE USB 接口。通过在USB 接口上外接一个USB 摄像头，将采集到的视频图像数据放入存储器缓冲区中，或者用JPEG 压缩处理程序处理缓冲区的图像数据并保存，数据可存储在NAND 闪存中等待远程主机的访问，也可通过CS8900A 扩展的网络接口将视频数据直接发送到远程网中的控制主机上。图 1 为系统的硬件图，其中USB 口接数码摄像头，串口、网口作为输入输出设备，NAND闪存和SDRAM 作为存储设备，JTAG 口用来把嵌入式Linux 操作系统和应用程序烧写进Flash 存储器。

　　图1 视频采集系统硬件框图

　　3 嵌入式Linux 概述

　　Linux 具有内核小，效率高，源代码开放，微内核直接提供网络支持等优点。在中低端嵌入式网络设备的应用中，比起VxWorks 等其他操作系统有许多优势，逐渐成为嵌入式操作系统的主流。但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，不能直接将其作为嵌入式硬件平台上的操作系统，需要针对具体的应用进行内核的配置和裁减，使整个系统能够存放到容量较小的Flash 中。Linux 的动态模块加载方式使Linux 的裁剪极为方便，高度模块化使得添加和删减非常容易。

　　系统采用交叉编译调试，PC 机作为宿主机，对应的嵌入式系统平台叫做目标板。嵌入式Linux 提供了一套完整的工具链(tool chain)，它利用GNU 的gcc 做编译器，用gdb、xgdb做调试工具，能够很方便地实现从操作系统内核到用户态应用软件各个级别的调试。嵌入式 Linux 的移植过程如图2 所示，在此不作具体阐述。

　　图2 Linux 系统开发流程图

　　4 软件设计

　　4.1 摄像头驱动

　　在Linux 环境下，所有的外设都被看成一类称为“设备文件”的特殊文件，系统中所有硬件都可以用一个特殊的设备文件来表示。在本系统中，USB 摄像头被作为一种字符设备来对待，用/dev/video0 来表示。相对于应用程序来讲，硬件是不透明的，设备驱动程序屏蔽了硬件在实现上的细节，应用程序必须依靠相应驱动程序中定义的通信接口实现对硬件的操作。

　　Video4Linux(简称V4L)是Linux 系统关于视频设备的内核驱动程序，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。对于USB 接口摄像头，驱动程序中提供了基本的I/O操作接口函数open、read、write、close 的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O 通道的控制接口函数ioctl 的实现等，并在struct file_operations 数据结构中定义了这些函数，当应用程序对设备文件进行例如read、write 等操作时，嵌入式Linux 内核通过strcutfile_operations 数据结构访问驱动程序提供的函数。

　　驱动程序基本结构如下：

　　1)驱动的注册与注销

　　通过在驱动程序的初始化过程中调用 register_chrdev()或register_blkdev()函数来添加驱动程序并分配主设备号；通过调用unregister_chrdev()或unregister_blkdev()函数从内核中注销设备，同时释放其占用的主设备号。

　　2)设备文件的打开与释放

　　调用 file_operations 结构体中的open()函数打开设备；调用file_operations 结构中的函数release()关闭设备。

　　3)设备的读/写操作

　　使用函数 read()和write()完成对设备的读和写。

　　4)设备的控制操作

　　通过设备驱动程序中的函数ioctl()来完成。ioctl()的用法与具体设备密切关联，因此需要根据设备的情况进行具体分析。

　　5)设备的中断和轮流查询处理

　　由于有些硬件设备不支持中断，那么在对其读写时需要轮流查询设备状态，以便决定是否继续进行数据传输。如果硬件设备支持中断，则可以按中断方式进行操作。

　　4.2 视频采集

　　在USB 摄像头驱动被加载成功后，还要编写视频流采集应用程序。摄像头中各种I/O口的控制依靠Video4Linux 提供的应用程序接口函数实现，主要有Open、Read、Write 等。V4L 下的视频采集工作原理如图3。在本系统中，将有关摄像头的各种数据和结构封装成了一个类。

　　图3 V4L 下视频采集工作模型

　　4.2.1Video4Linux 定义的数据结构

　　struct video_capability capability：包含摄像头设备的基本信息(设备名称、支持的分辨率、信号源信息等) ， 分别对应着结构体中成员变量name[32], maxwidth,maxheight,minwidth, minheight, channels(信号源个数)，type等。

　　struct video_window window：包含采集到图像的各种属性，如brightness(亮度)、hue(色调)、color(颜色)、contrast(对比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等。

　　struct video_channel channel：关于各个信号源的属性，如channel(信号源编号)、name(名称)、tuners(信号源通道)、type(类型)、Norm(制式)等。

　　struct video_picture picture：包含关于capture area 的信息。

　　struct video_mmap mmap：用于内存映射。

　　struct video_mbuf mbuf：利用mmap 进行映射的帧信息，即输入到摄像头存储缓冲区中的帧信息，包括size(帧的大小)、frames(多支持的帧数)、offsets(每帧相对基址的偏移)。

　　在本系统中，程序主要用到的一些系统调用函数如下：

　　open (“/dev/video0”，O_RDWR)：设备的打开。

　　close(fd)：设备的关闭。

　　mmap(void *addr,size_t len,int prot,int flags,int fd,off_t offset)：设备缓冲区到内存空间的映射。

　　munmap(void *addr,size_t len)：采集工作结束后取消mmap 和mbuf 的绑定。

　　ioctl(int fd,int cmd,...)：控制I/O 通道。

　　4.2.2 视频采集程序的实现

　　1）打开摄像头

　　首先对上面提到的类进行初始化，接下来利用系统调用函数_fd=open (“devfile”，O_RDWR)，该函数的功能是打开参数devfile 指定的设备，对于摄像头用设备文件名“/dev/video0”表示，_fd 是设备打开后返回的文件描述符，以后可以直接使用它来对设备文件进行操作。

　　2）获取摄像头参数

　　通过 ioctl(_fd,VIDIOCGCAP,&capability)函数来读取struct video_capability 结构中有关摄像头的信息。ioctl(int _fd ,int cmd,...)主要是用来控制I/O 通道，函数成功返回后使用printf函数得到各成员分量信息，接着调用ioctl(_fd,VIDIOCGWIN, &window)和ioctl(_fd，VIDIOCGPICT ， &picture) 函数读取struct video_window 信息和摄像头缓冲区中的video_picture 图像信息。

　　3）设置摄像头缓冲区中图像参数

　　在采集摄像头视频数据前，可根据需求修改图像参数如分辨率等，具体方法为先给分量赋新值，再调用函数ioctl(_fd,VIDIOCSPICT,&picture)。

　　4）视频数据的读取与 read()方式相比，mmap()方式通过把设备文件映射到内存，绕过了内核缓冲区，加速了I/O 访问。完成内存映射之后，就可以用mmap()方式实现对内存映射区域视频数据的单帧采集。此方式下真正做视频截取的为VIDIOCMCAPTURE，调用函数ioctl(_fd ，VIDIOCMCAPTURE，&mmap)，激活设备并真正开始一帧图像的截取，是非阻塞的，接着调用ioctl(_fd，VIDIOCSYNC，&frame)函数等待一帧图像截取结束，成功返回表示一帧截取已完成，接着可以做下的VIDIOCMCAPTURE 操作。

　　经过上述的几个过程，系统完成了对 USB 摄像头的驱动、对视频数据的采集工作，捕获到的视频帧被映射到内存区域，如果要对视频数据进行压缩等处理工作则可通过访问内存映射区域进行。

　　5 结语

　　作为网络视频监控系统的一部分，本方案基于目前市场上主流的ARM 处理器与嵌入式Linux 操作系统，实现了视频数据的实时采集，整个系统数字化、网络化程度高，与传统的采集系统相比有较大优势。经办公室局域网测试，该系统实时性好、稳定可靠、图像质量也比较优越，可广泛应用在交通、银行、工业监控及视频会议等众多领域。目前该项目产生的经济效益约为20 万元。

　　本文作者创新点：设计了一个基于嵌入式Linux的视频采集系统，详细介绍了Video4Linux下USB摄像头驱动和视频采集程序的实现过程。