摘 要： 針對ROS系統平臺的接口局限性，結合USB接口的通用性和普及性，采用USB攝像頭作為系統的視頻采集設備，設計和實現了一種基于ROS（機器人操作系統）平臺的視頻監控系統方案。基于UVC視頻類協議的圖像采集系統具有良好的兼容性，實現了USB視頻采集設備在ROS系統平臺上的免驅使用。視頻采集程序的設計采用針對UVC協議的V4L2框架，有效地利用了ROS系統提供的應用編程接口。系統應用結果表明，本文提出的ROS視頻監控方案具有良好的實用性和方便性，視頻傳輸效果良好。
關鍵詞： ROS；視頻監控；UVC視頻類協議；V4L2
0 引言
視頻監控系統一直是嵌入式平臺研究中的一個重要方向，Linux系統具有源代碼開放、內核穩定、可裁減性、支持硬件廣泛及驅動豐富等特點[1]，嵌入式視頻監控多采用Linux作為其軟件平臺[2]。機器人操作系統ROS（Robot Operating System）是一種次級操作系統[3]，易用性、開發效率高、跨平臺、代碼可復用成為ROS的主要優點，目前已有多款嵌入式機器人平臺使用ROS作為其控制系統，如PR2、TurtleBot等。
本文設計實現了應用于ROS平臺的視頻監控系統。ROS系統為FireWire（IEEE1394）攝像頭提供了官方支持，1394也稱火線接口，優點是傳輸速度快，缺點是其針形接口兼容性差。相比之下USB攝像頭兼容性強，安裝方便，且價格便宜，本課題的視頻采集設備采用USB攝像頭。
本文從系統結構設計、UVC（USB Video Class）視頻類協議傳輸方法、V4L2（Video for Linux 2）視頻采集程序幾個方面來完成系統設計，最后設計出應用于ROS上的uvc_cam視頻采集功能包，實現圖像采集與視頻監控功能，為嵌入式ROS機器人平臺的視頻監控開發提供一種有效的方法。
1 系統結構設計
本文的目的是設計實現基于ROS系統平臺的視頻監控系統。ROS起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室的項目與機器人技術公司Willow Garage的個人機器人項目之間的合作[4]。ROS主要支持Ubuntu系統，提供類似操作系統所提供的功能。
本文設計的視頻監控系統采用USB視頻采集設備，設計基于UVC視頻類協議的視頻數據傳輸方法，并利用ROS系統底層提供的V4L2視頻編程接口完成視頻采集程序的設計，最后根據ROS的系統構架完成視頻采集功能包uvc_cam的設計，實現ROS操作系統平臺的視頻監控功能。
系統結構如圖1所示。
2 基于UVC協議的視頻傳輸方法
2.1 UVC標準及支持
由于視頻采集模塊不同、傳輸協議不同等原因，ROS系統需要安裝不同的USB驅動程序，這給移動機器人平臺的使用帶來很多不便。針對此問題，本文設計基于UVC協議規范的視頻傳輸方法，使ROS系統為符合UVC視頻類標準的USB攝像頭提供通用驅動，方便安裝和使用。
2.2 UVC協議視頻端口描述符設計
一個USB視頻類設備接入ROS平臺后需要通過描述符讓ROS主機獲得它的屬性和被確認為標準的USB類設備，這些描述符是標準的USB描述符，并在其子描述符中定義了USB設備的各種功能[5]。對于視頻設備的每個功能，需要一個視頻控制端口和一個或多個視頻流端口實現[6]。本文系統設計的視頻接口描述符及功能如下：
（1）輸入終端描述：一個實體代表數據流的開始端點，描述了圖像視頻流數據的來源。
（2）相機終端描述：相機終端控制傳輸視頻流的設備組件的機械特性。
（3）選擇單元描述：起著源選擇器的作用，選擇多個輸入數據流并路由它們到單一的輸出流。
（4）處理單元描述：描述了對圖像亮度、色調、對比度、平移、變焦等參數的處理。
（5）輸出終端描述：將終端描述為前面的幾個部分和主機之間的端口，將視頻數據輸出，通過顯示屏顯示。
2.3 UVC設備拓撲結構
UVC標準的視頻控制接口包含了USB視頻采集、處理、輸出相關組件，視頻流接口包含了與主機之間實現交互的組件，這些組件構成本文系統設計的UVC設備拓撲結構，如圖2。
一個符合UVC規范的USB攝像頭插入到ROS平臺接口時，從視頻傳感器得到的數據流由相機終端輸入，復合視頻設備得到的數據流從輸入終端進入，在本系統的設計中，相機終端和輸入終端兩個功能組件由USB視頻采集模塊來完成。然后經過選擇單元路由后交給處理器進行亮度、對比度等優化，最后由輸出終端綁定到USB端點并與ROS主機進行交互，完成視頻流處理，ROS主機獲取該USB攝像頭的屬性和功能。
3 基于V4L2的視頻采集程序設計
3.1 V4L2應用編程接口
V4L2是由Bill Dirks[7]設計完成的針對Linux的視頻捕捉應用程序接口。V4L2是V4L的升級版本[8]，與V4L相比，有更好的擴展性和靈活性。V4L2對V4L做了徹底改動，因此兩者并不兼容，V4L2最大的優勢是可以自定義設備驅動緩存數量，支持的硬件設備也更多[9]。
本系統的視頻采集程序設計部分采用V4L2標準框架，V4L2不僅是針對UVC免驅USB設備的編程框架，同時ROS操作系統底層也提供了V4L2編程接口。
3.2 V4L2視頻采集模型
V4L2在視頻采集中用到的兩個重要系統調用函數是ioctl（）和mmap（）。ioctl（）是設備接口控制函數，對設備的I/O通道進行控制，視頻采集過程中獲取設備功能、設置幀格式、申請幀緩沖等操作函數都將通過該系統調用實現。
ioctl（）語法為：ioctl（int fd，int request，void*argp），fd為通過open（）函數獲得的設備文件描述符；request為系統調用類型，用于告訴系統操作的動作，如VIDIOC_QUERYCAP是獲取設備功能；argp是用戶數據指針，用于參數傳遞和數據接收。
mmap（）系統調用使得進程之間通過映射同一普通文件來實現共享內存，實現從內核空間到用戶空間的映射，不需要任何數據拷貝，提高了數據傳輸效率。在本系統設計中，還會用到幾個V4L2常用的API函數：open（）用于打開一個設備，close（）函數用于關閉一個設備，read（）函數用于從設備讀取數據。
3.3 V4L2視頻采集程序設計
基于V4L2編程規范和視頻采集模型，本文設計的視頻采集程序流程及其對應的操作函數如圖3。
4 ROS視頻傳輸實現方法
4.1 ROS系統構架
ROS的首要設計目標是在機器人研發領域提高代碼復用率。ROS可以分成兩層，低層為操作系統層，高層則是廣大用戶群貢獻的實現不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖、行動規劃、感知、模擬等。ROS是一種分布式處理框架（又稱Nodes），這使可執行文件能被單獨設計，并且在運行時松散耦合。這些過程可以封裝到數據包（Packages）和堆棧（Stacks）中，以便于共享和分發。
計算圖級是ROS處理數據的一種點對點的網絡形式。程序運行時，所有進程以及它們所進行的數據處理將會通過一種點對點的網絡形式表現出來。主要包括以下幾個重要概念：
（1）節點（node）：一些執行運算任務的進程。
（2）消息（message）：節點之間通過傳送消息進行通信。
（3）主題（topic）：消息以一種發布/訂閱的方式傳遞。一個節點可以在一個給定的主題中發布消息。
4.2 uvc_cam功能包結構及設計
結合ROS系統構架，本節將敘述基于UVC協議的ROS視頻傳輸功能包uvc_cam的設計方法。上節講解了節點、消息等概念，ROS中有無數的節點、消息、服務、工具和庫文件，需要有效的結構去管理這些代碼。ROS文件系統級指的就是在硬盤上面查看的ROS源代碼的組織形式，而功能包（packge）就是ROS中組織軟件的主要形式。一個簡單的ROS功能包包括一個存放源代碼的src文件夾、一個CMakelists.txt文件、一個manifest.xml文件。
圖4是uvc_cam功能包的設計結構圖。
（1）src文件夾存放源程序，包括視頻采集程序uvc_cam.cpp、視頻采集節點實現程序uvc_cam_node.cpp、頭文件uvc_cam.h。
（2）CMakeList.txt文件包含了用于安裝動態鏈接庫和生成可執行文件的語句。下面是該文件中的兩條核心語句：
rosbuild_add_library（uvc_cam src/uvc_cam/uvc_cam.cpp），由uvc_cam.cpp編譯建立視頻采集的鏈接庫。
rosbuild_add_executable（uvc_cam_node src/uvc_cam_ node.cpp），該句的功能是由uvc_node_cam.cpp編譯添加可執行的視頻采集節點文件uvc_cam_node。
（3）manifest.xml提供關于uvc_cam功能包的元數據，包括它的許可信息以及與其他功能包之間的依賴關系。
4.3 結果驗證
前面已經描述了ROS系統構架計算圖級和點對點的數據處理方式。圖5是本文設計實現ROS視頻監控的節點拓撲關系圖。
一個終端打開視頻采集節點uvc_cam_node，另外一個終端打開圖像顯示節點image_view，兩個節點之間通過/camera/rgb/image_color進行話題發布和消息訂閱，uvc_cam_node節點實現視頻采集，在image_view節點的終端顯示，效果如圖6。
5 結束語
本文設計并實現了ROS平臺上的視頻監控系統，介紹了ROS在結構和功能上的優越性。結合本文的系統結構，設計了基于UVC視頻類協議的視頻數據傳輸方法，實現了UVC規范的USB攝像頭與ROS系統平臺的即插即用，避免了ROS系統接口兼容性和驅動安裝等問題帶來的不便。詳細描述了V4L2視頻采集程序設計流程和系統調用函數，有效地利用了ROS系統提供的應用編程接口。最后根據ROS的系統構架，設計了uvc_cam視頻采集程序功能包，實現視頻采集和傳輸功能。該系統有良好的設備兼容性和實用性，視頻采集性能穩定，實時性好，是嵌入式ROS系統平臺上實現視頻監控的一種有效方法。
參考文獻
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[2] 王飛，孔聰.基于V4L2的Linux攝像頭驅動的實現[J]．電子科技，2012，25（2）：86-92．
[3] 張建偉.開源機器人操作系統：ROS[M]．北京：科學出版社，2012.
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[5] 殷開亮.基于UVC協議的USB3.0圖像采集系統設計[D]．蘇州：蘇州大學，2014．
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[7] DIRKS B. Video for Linux Two API specification： Draft0.12[S]． Michael H Schimek．
[8] 劉登誠，沈蘇彬，李莉．基于V4L2的視頻驅動程序設計與實現[J].微計算機信息，2011，27（10）：56-58．
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