嵌入式Linux視頻采集系統的設計與實現

摘要：本文以嵌入式微處理器S3C2410為核心，對Linux下的視頻采集技術進行了詳細分析。信號采集使用USB攝像頭，介紹了Video4Linux編程接口的使用方法，給出了Linux下視頻采集的實現過程。

1引言多媒體通信技術的發展為信息的獲取和傳輸提供了豐富的手段，視頻采集是其中不可缺少的重要組成部分。視頻采集的手段多種多樣，隨著人們對降低系統成本和提高可靠性的迫切需求，基于嵌入式的視頻采集系統成為新的研發熱點。本方案以S3C2410微控制器作為硬件平臺，通過移植具有實現硬件功能的Linux操作系統，實現了對視頻數據的實時采集和存儲。

2系統構成系統平臺采用三星公司的處理器S3C2410，該處理器內部集成了ARM920T處理器核，為32位微控制器，帶獨立的16KB指令Cache和16KB數據Cache，LCD控制器，RAM控制器，NANDFlash控制器，并行I/O口，8路10位ADC，主頻最高可達203MHZ。在處理器豐富資源的基礎上進行了相關的配置和擴展，平臺配置了64Mbytes8位的NAND閃存和64Mbytes32位的SDRAM，通過以太網控制器芯片CS8900A擴展了一個網口，另外引出一個串行接口和兩個HOST/DEVICEUSB接口。通過在USB接口上外接一個USB攝像頭，將采集到的視頻圖像數據放入存儲器緩沖區中，或者用JPEG壓縮處理程序處理緩沖區的圖像數據并保存，數據可存儲在NAND閃存中等待遠程主機的訪問，也可通過CS8900A擴展的網絡接口將視頻數據直接發送到遠程網中的控制主機上。圖1為系統的硬件圖，其中USB口接數碼攝像頭，串口、網口作為輸入輸出設備，NAND閃存和SDRAM作為存儲設備，JTAG口用來把嵌入式Linux操作系統和應用程序燒寫進Flash存儲器。

圖1視頻采集系統硬件框圖3嵌入式Linux概述Linux具有內核小，效率高，源代碼開放，微內核直接提供網絡支持等優點。在中低端嵌入式網絡設備的應用中，比起VxWorks等其他操作系統有許多優勢，逐漸成為嵌入式操作系統的主流。但嵌入式系統的硬件資源畢竟有限，不能直接將其作為嵌入式硬件平臺上的操作系統，需要針對具體的應用進行內核的配置和裁減，使整個系統能夠存放到容量較小的Flash中。Linux的動態模塊加載方式使Linux的裁剪極為方便，高度模塊化使得添加和刪減非常容易。

系統采用交叉編譯調試，PC機作為宿主機，對應的嵌入式系統平臺叫做目標板。嵌入式Linux提供了一套完整的工具鏈(toolchain)，它利用GNU的gcc做編譯器，用gdb、xgdb做調試工具，能夠很方便地實現從操作系統內核到用戶態應用軟件各個級別的調試。嵌入式Linux的移植過程如圖2所示，在此不作具體闡述。

圖2Linux系統開發流程圖4軟件設計4。1攝像頭驅動在Linux環境下，所有的外設都被看成一類稱為“設備文件”的特殊文件，系統中所有硬件都可以用一個特殊的設備文件來表示。在本系統中，USB攝像頭被作為一種字符設備來對待，用/dev/video0來表示。相對于應用程序來講，硬件是不透明的，設備驅動程序屏蔽了硬件在實現上的細節，應用程序必須依靠相應驅動程序中定義的通信接口實現對硬件的操作。

Video4Linux(簡稱V4L)是Linux系統關于視頻設備的內核驅動程序，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數。對于USB接口攝像頭，驅動程序中提供了基本的I/O操作接口函數open、read、write、close的實現，對中斷的處理實現，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數ioctl的實現等，并在structfile_operations數據結構中定義了這些函數，當應用程序對設備文件進行例如read、write等操作時，嵌入式Linux內核通過strcutfile_operations數據結構訪問驅動程序提供的函數。

驅動程序基本結構如下：1)驅動的注冊與注銷通過在驅動程序的初始化過程中調用register_chrdev()或register_blkdev()函數來添加驅動程序并分配主設備號；通過調用unregister_chrdev()或unregister_blkdev()函數從內核中注銷設備，同時釋放其占用的主設備號。

2)設備文件的打開與釋放調用file_operations結構體中的Open()函數打開設備；調用file_operations結構中的函數release()關閉設備。

3)設備的讀/寫操作使用函數read()和write()完成對設備的讀和寫。

4)設備的控制操作通過設備驅動程序中的函數ioctl()來完成。ioctl()的用法與具體設備密切關聯，因此需要根據設備的情況進行具體分析。

5)設備的中斷和輪流查詢處理由于有些硬件設備不支持中斷，那么在對其讀寫時需要輪流查詢設備狀態，以便決定是否繼續進行數據傳輸。如果硬件設備支持中斷，則可以按中斷方式進行操作。

4。2視頻采集在USB攝像頭驅動被加載成功后，還要編寫視頻流采集應用程序。攝像頭中各種I/O口的控制依靠Video4Linux提供的應用程序接口函數實現，主要有Open、Read、Write等。V4L下的視頻采集工作原理如圖3。在本系統中，將有關攝像頭的各種數據和結構封裝成了一個類。

圖3V4L下視頻采集工作模型4。2。1Video4Linux定義的數據結構structvideo_capabilitycapability：包含攝像頭設備的基本信息(設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等)，分別對應著結構體中成員變量name[32]，maxwidth，maxheight，minwidth，minheight，channels(信號源個數)，type等。

structvideo_windowwindow：包含采集到圖像的各種屬性，如brightness(亮度)、hue(色調)、color(顏色)、contrast(對比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等。

structvideo_channelchannel：關于各個信號源的屬性，如channel(信號源編號)、name(名稱)、tuners(信號源通道)、type(類型)、Norm(制式)等。

structvideo_picturepicture：包含關于capturearea的信息。

structvideo_mmapmmap：用于內存映射。

structvideo_mbufmbuf：利用mmap進行映射的幀信息，即輸入到攝像頭存儲緩沖區中的幀信息，包括size(幀的大小)、frames(最多支持的幀數)、offsets(每幀相對基址的偏移)。