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本文在基于嵌入式Linux系统平台上,采用USB摄像头捕捉视频信号,利用V4L内核应用编程接口函数,实现了视频连续帧图像的采集,并保存成文件的形式利用无线传输方式传输给接收端。这里着重讨论视频采集发送端的实现。
1 Q; Q% C. y1 P 1 系统组成
L7 i$ ^* s0 `/ J3 {- @3 R% Q( C 1.1 统的硬件构成
& W. G2 o: b# s$ p0 o 本系统包括发送端和接收端2部分,两部分均采用Samsung公司生产的S3C2410处理器做硬件开发平台。S3C2410在片上集成了丰富的组件:分开的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache、用于虚拟存储器4 I3 P' v* J& N8 s6 Q% i' @ Y
. A! Y9 z8 T9 y6 A5 h: P- R8 }
管理的MMU、支持STN和TFT的LCD控制器、NAND Flash启动装载器、具有片选逻辑和SDRAM控制器的系统管理器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、I2C5 D" [9 P# `; i
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总线接口、I2S总线接口、USB主设备、USB从设备、SD卡和MMC卡接口、2通道的SPI以及PLL时钟发生器,还采用了AMBA(advanced micrcocontroller bus architecture)新型总线结构。3 S) c! I$ G' C) u" l+ D& Q; D" Z2 g
应用S3C2410处理器平台搭建的发送端硬件结构如图:包括S3C2410处理器、RS232接口、JTAG接口、RJ-45接口、SDRMA、Flash、电源、通过USB口连接的视频采集模块和通过USB接口连接的视频发射
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$ b( P9 a2 ?+ u/ n模块。RS232串口用于人机交互及低速数据的收发,应用电平转换芯片MAX-323进行串口电平和TTL/CMOS电平的转换。JTAG接口用于下载Bootloader。RJ-45接口用于和以太网连接,下载操作系统Linux内
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% \) @4 W2 R9 ]4 y: J% d核、根文件系统和应用软件。SDRMA用于系统的数据存储器、Flash用于系统的程序存储器。应用S3C2410处理器平台搭建的接收端硬件电路:与发送终端相比,多了SD卡和LCD显示器。SD卡主要用来存储
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0 V6 ]4 [# | e/ }7 h U* Y& b数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。) ^: N P# ~& p! o! t) |
1.2 系统软件设计7 C4 C1 s% Z' D9 K1 D- b
系统的软件构成分为引导驱动程序、操作系统、文件系统和应用程序4部分。引导驱动程序在系统启动时进行内存重映射,将保存在Flash中的操作系统和应用程序重新映射到SDRAM中。Linux的内核* \, m. ~( E( x9 e: s
9 D. l$ }" ], ?) A9 x5 I版本为LinIix2.6。文件系统是Yaffs,它包括模块、配置文件和库等。系统的应用程序建立在嵌入式Linux内核、摄像头驱动和文件系统之上。3 ~+ b* M) \8 A5 O
2 视频采集的具体实现
. q3 Y, ]. L/ z+ t( s USB摄像头连接简单、使用灵活、价格低廉且具有良好的性能,因此,得到了广泛的应用。Linux内核包含了多种USB摄像头驱动,最常用的有基于OV5ll及其兼容芯片。OV511芯片主要包括CAMERA接口
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/ w4 z( l3 U5 w、DRMA接口、ISO FIFO接口和OmniCE以及USB控制器等部分。本设计使用的是在低端市场占有率较高的中芯微公司生产的ZC030x系列摄像头芯片。Linux系统中的视频子系统’Vide04linux为视频应用程序
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1 D( b. a! t8 M0 a# O1 g% X1 I$ V. r提供了一套统一的API,视频应用程序通过调用API即可操作各种不同的视频捕获设备,包括电视卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。本设计的具体实现过程如下所述:; V) ]+ [1 A* \/ W' m% U! d1 m
2.2 利用Vide041inux实现图像采集1 p+ x; i5 b L/ V3 t
在安装了图像采集设备驱动后,只需要再编写一个对视频采集的应用程序就可以采集视频图像。在Linux系统中,视频文件是设备文件,可以像访问普通文件一样对其进行读写,摄像头文件一般是/% z( T$ d# Q% ^# q. G3 j' c- m
9 K8 o; @. t/ S% `dev/v4l/video。在进行视频捕捉之前,需要做一些必要的设置工作。这些设置涉及到如下结构:
% G' l9 r8 T. j ~# d* ~! Y V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:+ m {1 w9 p' w8 o) c4 w
Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
: p( x2 M: S! X1 W, i9 i. Y' d If(fd<O)return-l;
2 X5 F2 k+ |! \' E4 a2 N6 ^' N 接着对摄像头参数进行设置。一般是先通过I/O控制命令读取设备信息,然后对特定项进行修改,最后通过I/O控制命令保存到内核中。由于篇幅有限源程序不再赘述。 J% v- W& C0 c' F8 w
获取基本信息后,可以输出显示,也可以通过ioctl系统调用对这些值进行修改。然后调用函数Char*Carmera_get_image(video_device*vd)获得图像数据指针。此函数比较重要,关系到图像采集的
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% N7 ]& S9 b6 Q" A0 q效率。获取图像数据有2种方法:一是通过映射得到视频驱动的数据缓冲,然后直接对映射后的缓冲进行读操作;二是直接读设备,及调用read函数。下面分别介绍:& z3 U6 o; ^) A9 C. p
(1)read系统调用方式比较简单,只需将前面得到摄像头参数传入read函数中,得到图像数据指针picture_p后返回即可:read(vd->fd,picture_p,width*hight);其中vd_>fd为设备文件描述符。
8 ?+ k! J7 x' B( `- r7 P/ n5 J9 h (2)利用mmap方式先使用ioctl(fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息,之后修改voideo_mmap中的设置,例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式,使用
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( ~! _1 x# ?4 D c) n" r如下语句:: k) u6 I4 E- g
grab_buf.height=240;7 Q9 }/ S+ B R4 K1 L) r
grab_buf.width=320;. H6 G# _! x$ F! c% C5 s8 m: A: J
grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;9 V! \5 b- S ^& [% m* _8 d
接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区,具体使用grab_data=(unsigned char*)mmap(O,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grab_fd,O)操作。这样设备文件的内容就映射0 Y) e% E2 m8 A2 o0 ?4 [6 m! b
% L* p4 J" o( x" O' z到内存区,该映射内容区可读可写并且不同进程间可共享。该函数成功时返回图像数据的指针,失败时返回值为-1。
+ ?6 |9 x& y) ~4 w U 2.1 摄像头驱动的实现 {- n6 s% X0 j( ~/ S" T8 z- Z' T! `
1)配置Vide04linux内核
# B% d7 _4 \ j; j" \ 在终端使用make menuconfig命令打开S3C24lOlinux内核编译的main menu窗口,并进入“multimedia device--->”菜单选项,然后将Video for Linux配置为模块,即:- M! }$ }) q) [
Device driver--->0 P7 J; a+ I/ s1 S
Multimedia devices--->0 K( E% D+ ^& X/ m- j- `4 e6 J
<*>Video for linux- {6 F! v; d+ m2 @7 _
2)配置OV511驱动- ^3 |9 y7 o! t2 d, i) W8 j, i
返回主菜单,在进入“USB support--->”菜单选项,然后将USB OV5llcamera support设置为模块,即:
. j& z' N( N9 R: Z5 D/ R SUB suppor--->
- Y3 p n6 f. z- G4 M# p+ Z8 p0 a <*>USB OV5llcamera support(NEW): R; s: Z& v% k, U" d% m) a0 V
3)模块安装
1 g+ }5 O ?" g: ^7 ?7 o+ _ 执行以下命令安装视频输入模块:
w% n P# ^9 T' x1 B. X- J$ p insmod videodev.o
5 A# E8 Y8 P3 k* R1 p9 Z4 s) _/ a 执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:7 v! i% `& x3 e9 `+ P' ~
insmod usbcore.o
3 V/ e& s' r. X4 J; I5 p l insmod usb-ohci-s3c2410.ko+ c% n3 q) H/ |; f8 s
insmod ov511.o! l6 A$ w; U9 h2 w6 j
由于使用的设备是USB接口的摄像头,所以在加载ov511.o模块前,需要加载USB内核驱动和主机控制器驱动。
) d# `* \5 ?9 h4 q3 G5 B y 3 无线传输模块/ g1 ]4 K3 r" i3 Y- [
本系统选用西门子的MC235作为GPRS通信模块,来实现图像的无线传输。该模块结合语音、数据传输、短信服务等功能,最大传输速率可以达到85.6 Kbps,具有丰富的AT指令使模块与微处理器通信,功能强大,操作灵活方便,特别适用于数据的监测和传输。在进行GPRS传输操作之前需对模块进行设置,主要有:(1)设置通信波特率;(2)设置接入网关;(3)设置移动终端类别;(4)测试GPRS服务是否开通,激活GPRS功能。这些设置都在主程序的初始化代码段完成。通过测试,GPRS驱动正常工作,能很好地支持数据/命令复合协议传输,其协议的丢包率、吞吐量等性能指标与无线模块的指标无实质性差别,整个系统工作正常,基本达到设计要求。( {6 X+ D) d8 r! O4 \" L, U+ P' n. {1 O
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