基于ARM和Linux的圖像采集與傳輸設計

　　0 引言

　　隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展和Linux在信息行業(yè)中的廣泛應用，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)自動控制領域的一項核心技術，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內核應用編程接口函數(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)。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）

　　1 系統(tǒng)組成

　　1.1 統(tǒng)的硬件構成

　　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主設備、USB從設備、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)新型總線結構。

　　應用S3C2410處理器平臺搭建的發(fā)送端硬件結構如圖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)，應用電平轉換芯片MAX-323進行串口電平和TTL/CMOS電平的轉換。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內核、根文件系統(tǒng)和應用軟件。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)軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件構成分為引導驅動程序、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應用程序4部分，如圖3所示。引導驅動程序在系統(tǒng)啟動時進行內存重映射，將保存在 Flash中的操作系統(tǒng)和應用程序重新映射到SDRAM中。Linux的內核版本為LinIix2.6。文件系統(tǒng)是Yaffs，它包括模塊、配置文件和庫等。系統(tǒng)的應用程序建立在嵌入式Linux內核、攝像頭驅動和文件系統(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，得到了廣泛的應用。Linux內核包含了多種USB攝像頭驅動，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為視頻應用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應用程序通過調用API即可操作各種不同的視頻捕獲設備，包括電視卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。本設計的具體實現(xiàn)過程如下所述：

　　2.1 攝像頭驅動的實現(xiàn)

　　1)配置Vide04linux內核

　　在終端使用make menuconfig命令打開S3C24lOlinux內核編譯的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驅動

　　返回主菜單，在進入“USB support———>”菜單選項，然后將USB OV5llcamera support設置為模塊，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備驅動模塊：

　　insmod usbcore.o

　　insmod usb-ohci-s3c2410.ko

　　insmod ov511.o

　　由于使用的設備是USB接口的攝像頭，所以在加載ov511.o模塊前，需要加載USB內核驅動和主機控制器驅動。

　　2.2 利用Vide041inux實現(xiàn)圖像采集

　　在安裝了圖像采集設備驅動后，只需要再編寫一個對視頻采集的應用程序就可以采集視頻圖像。在Linux系統(tǒng)中，視頻文件是設備文件，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置工作。這些設置涉及到如下結構：

　　V4L下視頻采集編程首先要打開視頻設備：

　　Int fd="open"(“/dev/v4l/video”，O_RDONLY);

　　If(fd

　　接著對攝像頭參數(shù)進行設置。一般是先通過I/O控制命令讀取設備信息，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)調用對這些值進行修改。然后調用函數(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;二是直接讀設備，及調用read函數(shù)。下面分別介紹：

　　(1)read系統(tǒng)調用方式比較簡單，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中的設置，例如重新設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;

　　接著把攝像頭對應的設備文件映射到內存區(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。這樣設備文件的內容就映射到內存區(qū)，該映射內容區(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。該模塊結合語音、數(shù)據(jù)傳輸、短信服務等功能，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置，主要有：(1)設置通信波特率;(2)設置接入網(wǎng)關;(3)設置移動終端類別;(4)測試 GPRS服務是否開通，激活GPRS功能。這些設置都在主程序的初始化代碼段完成。通過測試，GPRS驅動正常工作，能很好地支持數(shù)據(jù)/命令復合協(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性差別，整個系統(tǒng)工作正常，基本達到設計要求。

　　4 結束語

　　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)絡傳輸。發(fā)送端由于把圖像壓縮和網(wǎng)絡功能集成到一個體積很小的設備內，并直接通過無線方式接入GPRS網(wǎng)，省掉各種復雜的電纜連接，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)等諸多領域。