基于嵌入式ARM的圖像采集與傳輸設計
天津科技大學 嚴新忠 陳雨
摘要： 隨著嵌入式技術的迅猛發展和Linux在信息行業中的廣泛應用，視頻采集與傳輸系統作為遠程視頻監控、可視電話會議和工業自動控制領域的一項核心技術，近年來已經得到了飛速的發展。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，實現了視頻連續幀圖像的采集，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送端的實現。
Abstract：
Key words :
隨著嵌入式技術的迅猛發展和Linux在信息行業中的廣泛應用，視頻采集與傳輸系統作為遠程視頻監控、可視電話會議和工業自動控制領域的一項核心技術，近年來已經得到了飛速的發展。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，實現了視頻連續幀圖像的采集，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送端的實現。
1 系統組成
1．1 統的硬件構成
本系統包括發送端和接收端2部分，兩部分均采用Samsung公司生產的S3C2410處理器做硬件開發平臺。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接口連接的視頻發射模塊。RS232串口用于人機交互及低速數據的收發，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：與發送終端相比，多了SD卡和LCD顯示器。SD卡主要用來存儲數據，LCD顯示器主要用來顯示視頻圖像。
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。引導驅動程序在系統啟動時進行內存重映射，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LinIix2．6。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、攝像頭驅動和文件系統之上。
2 視頻采集的具體實現
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。本設計的具體實現過程如下所述：
2．1 攝像頭驅動的實現
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<O)return-l；
接著對攝像頭參數進行設置。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系統調用對這些值進行修改。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，關系到圖像采集的效率。獲取圖像數據有2種方法：一是通過映射得到視頻驅動的數據緩沖，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。下面分別介紹：
(1)read系統調用方式比較簡單，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，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并且不同進程間可共享。該函數成功時返回圖像數據的指針，失敗時返回值為-1。
3 無線傳輸模塊
本系統選用西門子的MC235作為GPRS通信模塊，來實現圖像的無線傳輸。該模塊結合語音、數據傳輸、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，特別適用于數據的監測和傳輸。
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，能很好地支持數據／命令復合協議傳輸，其協議的丟包率、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，實現了視頻信號的采集和網絡傳輸。發送端由于把圖像壓縮和網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，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的功能，同時實現了收發雙方體積的小型化和低功耗，在網絡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，可以實現每秒鐘傳送1幀圖像。整個系統具有穩定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點，可擴展應用在工業控制、視頻會議系統、可視電話、遠程監控系統等諸多領域。
來源：國外電子測量技術
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