基于嵌入式ARM的圖像采集與傳輸設(shè)計(jì)
天津科技大學(xué) 嚴(yán)新忠 陳雨
摘要： 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(yuǎn)程視頻監(jiān)控、可視電話會(huì)議和工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的一項(xiàng)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(tái)上，采用USB攝像頭捕捉視頻信號(hào)，利用V4L內(nèi)核應(yīng)用編程接口函數(shù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)。
Abstract：
Key words :
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(yuǎn)程視頻監(jiān)控、可視電話會(huì)議和工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的一項(xiàng)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(tái)上，采用USB攝像頭捕捉視頻信號(hào)，利用V4L內(nèi)核應(yīng)用編程接口函數(shù)，實(shí)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(shí)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(tái)。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(chǔ)器管理的MMU、支持STN和TFT的LCD控制器、NAND Flash啟動(dòng)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(shí)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(shí)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(tái)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(jī)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(jìn)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(chǔ)器、Flash用于系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器。
應(yīng)用S3C2410處理器平臺(tái)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(chǔ)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(jì)
系統(tǒng)的軟件構(gòu)成分為引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)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(dòng)和文件系統(tǒng)之上。
2 視頻采集的具體實(shí)現(xiàn)
USB攝像頭連接簡單、使用靈活、價(jià)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(dòng)，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(jì)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(jì)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下所述：
2．1 攝像頭驅(qū)動(dòng)的實(shí)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(jìn)入“multimedia device———>”菜單選項(xiàng)，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(dòng)
返回主菜單，在進(jìn)入“USB support———>”菜單選項(xiàng)，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(dòng)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(dòng)和主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)。
2．2 利用Vide041inux實(shí)現(xiàn)圖像采集
在安裝了圖像采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)后，只需要再編寫一個(gè)對(duì)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(duì)其進(jìn)行讀寫，攝像頭文件一般是／dev／v4l／video。在進(jìn)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)：
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<O)return-l；
接著對(duì)攝像頭參數(shù)進(jìn)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(duì)特定項(xiàng)進(jìn)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(duì)這些值進(jìn)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(dòng)的數(shù)據(jù)緩沖，然后直接對(duì)映射后的緩沖進(jìn)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(chǔ)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(duì)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(jìn)程間可共享。該函數(shù)成功時(shí)返回圖像數(shù)據(jù)的指針，失敗時(shí)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(shí)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(dá)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(qiáng)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(jìn)行GPRS傳輸操作之前需對(duì)模塊進(jìn)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(dòng)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(dòng)正常工作，能很好地支持?jǐn)?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(biāo)與無線模塊的指標(biāo)無實(shí)質(zhì)性差別，整個(gè)系統(tǒng)工作正常，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié)束語
本文基于S3C2410的硬件平臺(tái)和嵌入式Linux的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)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(gè)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(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)每秒鐘傳送1幀圖像。整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點(diǎn)，可擴(kuò)展應(yīng)用在工業(yè)控制、視頻會(huì)議系統(tǒng)、可視電話、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。
來源：國外電子測量技術(shù)
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