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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。2 W: N! y( s; W3 H% b; M
1 系统组成
4 N7 ^+ o$ d) D8 a 1.1 统的硬件构成. D" N, N$ e) m( T- C9 z4 e
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( s! Q% t% n0 ~1 H1 h7 H
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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、I2C
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4 R* x' K; o, M' I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。
+ P: L+ {* O# R. M# ` 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' B1 [* r% e! F. h) e; W
8 c k, g7 @* o. w2 M2 i4 h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+ x/ T* M t9 G% A* B
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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- L! d( v' s+ W; f
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数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。
( h- t0 I( i4 {8 g6 | 1.2 系统软件设计
8 n9 k# K0 ?4 i' f, j 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
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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 ?! k+ ]* K. X+ w# I: K 2 视频采集的具体实现
+ k- W6 N2 R$ S. k/ t 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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6 \8 u* | a1 l! d0 r! [. r# R! q、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9 J* N0 o! {$ N! {
' |) A3 r* j1 p% t9 F
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:
( H! @, x5 ]! ^% H/ i 2.2 利用Vide041inux实现图像采集9 a! d5 f' Y1 W$ 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// B6 O7 l e: B, v9 @. \& _3 M
8 ]& w. I$ n# @* n- fdev/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:% r y% s7 |# C; h; o6 t3 X
V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
! {1 x" K, k& O; B- E Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
. @4 K+ Y9 O, I# Y" o# h If(fd<O)return-l;; r& l$ ?6 m! B5 X* }
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。
5 |* M) A: Y( @: T; ` 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
0 W( H O& _+ A
5 u; u) b1 i6 o) M4 {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:
; g. j' f8 r9 P. j" `) z( @" w \ (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。
( A5 E/ |& d" v) Y (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( B' |0 Z& u' Q D& L( o9 @ C
5 V& H3 j) J' {! h
如下语句:
: S9 q! v" E+ i3 c' j h# r1 V$ b grab_buf.height=240;( r# Z6 U) x7 a8 H4 Q/ `0 Q
grab_buf.width=320;
! v7 H: A! d' H* O2 B' T( i6 K grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
5 S3 K- Q+ `" j2 X! c+ a6 P; d7 f. T 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4 `* P3 L" h, C- i6 D
, B N2 P* m$ d+ ?
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。# m6 T4 a: r3 {3 Y0 b# u
2.1 摄像头驱动的实现+ d' c3 e) X. U
1)配置Vide04linux内核
; y! c: [# Q. R 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:
: F" K4 e; r: W7 G& G r Device driver--->
6 ]5 J! y+ ~/ u7 j0 F$ }/ D Multimedia devices--->2 Z, A1 w1 ]; n3 n! o1 @
<*>Video for linux
% [ z1 g9 X, L! b1 r 2)配置OV511驱动& l3 `% Q& U: i' z$ U+ t" @) N
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:
; l- {5 \6 S( N+ U SUB suppor--->2 K. c$ G, C! }9 C& M. _7 c4 V R% H
<*>USB OV5llcamera support(NEW); ?! y n6 C2 o- @% C
3)模块安装
3 ?& C8 i' [9 p% n 执行以下命令安装视频输入模块:
& B4 n+ ]+ M# z, S( l. E& ~ insmod videodev.o9 M& \, |- }: z5 T" {% [3 ^
执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:2 t) l; ^6 G8 i$ Y T4 x2 Q% @3 J3 a
insmod usbcore.o& ~) D7 C2 v# r7 v7 P
insmod usb-ohci-s3c2410.ko
* Z4 a& Q( ?( d insmod ov511.o3 a7 X& f. D& B8 p7 Q J" d
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。
6 x$ ]7 [* t% f0 x1 }1 P 3 无线传输模块
* x* X9 `- j" m( s/ U5 @ 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。
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