基于嵌入式ARM的圖像采集與傳輸設計

摘要：針對無(wú)線(xiàn)監測系統應用的廣泛性，介紹了一種基于S3C2410處理器和嵌入式Linux的視頻采集與傳輸系統，通過(guò)USB攝像頭獲取實(shí)時(shí)視頻，利用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將圖像數據傳輸給基于S3C2410平臺和Linux嵌入式系統構建的存儲和顯示端。該系統成本低、功耗低、體積小，可廣泛應用于遠程監控系統、可視電話(huà)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

O 引言

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展和Linux在信息行業(yè)中的廣泛應用，視頻采集與傳輸系統作為遠程視頻監控、可視電話(huà)會(huì )議和工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的一項核心技術(shù)，近年來(lái)已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展。本文在基于嵌入式Linux系統平臺上，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，實(shí)現了視頻連續幀圖像的采集，并保存成文件的形式利用無(wú)線(xiàn)傳輸方式傳輸給接收端。這里著(zhù)重討論視頻采集發(fā)送端的實(shí)現。

1 系統組成

1．1 統的硬件構成

本系統包括發(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(kāi)發(fā)平臺。S3C2410在片上集成了豐富的組件：分開(kāi)的16 KB指令Cache和16 KB數據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(dòng)裝載器、具有片選邏輯和SDRAM控制器的系統管理器、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(xiàn)接口、I2S總線(xiàn)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(shí)鐘發(fā)生器，還采用了AMBA(advanced micrcocontroller bus architecture)新型總線(xiàn)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(guò)USB口連接的視頻采集模塊和通過(guò)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據的收發(fā)，應用電平轉換芯片MAX-323進(jìn)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Linux內核、根文件系統和應用軟件。SDRMA用于系統的數據存儲器、Flash用于系統的程序存儲器。

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(lái)存儲數據，LCD顯示器主要用來(lái)顯示視頻圖像。

1．2 系統軟件設計

系統的軟件構成分為引導驅動(dòng)程序、操作系統、文件系統和應用程序4部分，如圖3所示。引導驅動(dòng)程序在系統啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行內存重映射，將保存在Flash中的操作系統和應用程序重新映射到SDRAM中。Linux的內核版本為L(cháng)inIix2．6。文件系統是Yaffs，它包括模塊、配置文件和庫等。系統的應用程序建立在嵌入式Linux內核、攝像頭驅動(dòng)和文件系統之上。

2 視頻采集的具體實(shí)現

USB攝像頭連接簡(jiǎn)單、使用靈活、價(jià)格低廉且具有良好的性能，因此，得到了廣泛的應用。Linux內核包含了多種USB攝像頭驅動(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。本設計使用的是在低端市場(chǎng)占有率較高的中芯微公司生產(chǎn)的ZC030x系列攝像頭芯片。Linux系統中的視頻子系統’Vide04linux為視頻應用程序提供了一套統一的API，視頻應用程序通過(guò)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(shí)現過(guò)程如下所述：

2．1 攝像頭驅動(dòng)的實(shí)現

1)配置Vide04linux內核

在終端使用make menuconfig命令打開(kāi)S3C24lOlinux內核編譯的main menu窗口，并進(jìn)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(dòng)

返回主菜單，在進(jìn)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

執行以下命令安裝視頻輸入模塊：

　　insmod videodev．o

執行以下命令安裝視頻輸入設備驅動(dòng)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(dòng)和主機控制器驅動(dòng)。

2．2 利用Vide041inux實(shí)現圖像采集

在安裝了圖像采集設備驅動(dòng)后，只需要再編寫(xiě)一個(gè)對視頻采集的應用程序就可以采集視頻圖像。在Linux系統中，視頻文件是設備文件，可以像訪(fǎng)問(wèn)普通文件一樣對其進(jìn)行讀寫(xiě)，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置工作。這些設置涉及到如下結構：

　　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(kāi)視頻設備：

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

　　If(fdO)return-l；

接著(zhù)對攝像頭參數進(jìn)行設置。一般是先通過(guò)I／O控制命令讀取設備信息，然后對特定項進(jìn)行修改，最后通過(guò)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(guò)ioctl系統調用對這些值進(jìn)行修改。然后調用函數Char*Carmera_get_image(video_device*vd)獲得圖像數據指針。此函數比較重要，關(guān)系到圖像采集的效率。獲取圖像數據有2種方法：一是通過(guò)映射得到視頻驅動(dòng)的數據緩沖，然后直接對映射后的緩沖進(jìn)行讀操作；二是直接讀設備，及調用read函數。下面分別介紹：

(1)read系統調用方式比較簡(jiǎn)單，只需將前面得到攝像頭參數傳入read函數中，得到圖像數據指針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)函數獲得攝像頭存儲緩沖區的幀信息，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(yǔ)句：

　　grab_buf．height=240；

　　grab_buf．width=320；

　　grab—buf．format=VIDEO_PALETTE_RGB24；

接著(zhù)把攝像頭對應的設備文件映射到內存區，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，該映射內容區可讀可寫(xiě)并且不同進(jìn)程間可共享。該函數成功時(shí)返回圖像數據的指針，失敗時(shí)返回值為-1。

3 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

本系統選用西門(mén)子的MC235作為GPRS通信模塊，來(lái)實(shí)現圖像的無(wú)線(xiàn)傳輸。該模塊結合語(yǔ)音、數據傳輸、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，特別適用于數據的監測和傳輸。

在進(jìn)行GPRS傳輸操作之前需對模塊進(jìn)行設置，主要有：(1)設置通信波特率；(2)設置接入網(wǎng)關(guān)；(3)設置移動(dòng)終端類(lèi)別；(4)測試GPRS服務(wù)是否開(kāi)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(guò)測試，GPRS驅動(dòng)正常工作，能很好地支持數據／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(wú)線(xiàn)模塊的指標無(wú)實(shí)質(zhì)性差別，整個(gè)系統工作正常，基本達到設計要求。

4 結束語(yǔ)

本文基于S3C2410的硬件平臺和嵌入式Linux的軟件平臺，實(shí)現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(gè)體積很小的設備內，并直接通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(shí)現的功能，同時(shí)實(shí)現了收發(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，系統在圖像分辨率為352×288，像素為16位的情況下，可以實(shí)現每秒鐘傳送1幀圖像。整個(gè)系統具有穩定可靠、安裝簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，可擴展應用在工業(yè)控制、視頻會(huì )議系統、可視電話(huà)、遠程監控系統等諸多領(lǐng)域。