Video4Linux下USB摄像头驱动和视频采集的实现

1 引言

    多媒体通讯技术的发展为信息的获取和传输提供了丰富的手段，视频采集是其中不可缺乏的重要组成部分。视频采集的手段多种多样，随着人们对下降系统成本和提升可靠性的迫切需求，基于嵌入式的视频采集系统成为新的研发热点。本方案以S3C2410微控制器做为硬件平台，经过移植具备实现硬件功能的Linux操做系统，实现了对视频数据的实时采集和存储。

 

 

 

    2 系统

    构成系统平台采用三星公司的处理器S3C2410，该处理器内部集成了ARM920T处理器核，为32位微控制器，带独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，LCD控制器，RAM控制器，NANDFlash控制器，并行I/O口，8路10位ADC，主频最高可达203MHz。在处理器丰富资源的基础上进行了相关的配置和扩展，平台配置了64Mbytes8位的NAND闪存和64Mbytes32位的SDRAM，经过以太网控制器芯片CS8900A扩展了一个网口，另外引出一个串行接口和两个HOST/DEVICEUSB接口。经过在USB接口上外接一个USB摄像头，将采集到的视频图像数据放入存储器缓冲区中，或者用JPEG压缩处理程序处理缓冲区的图像数据并保存，数据可存储在NAND闪存中等待远程主机的访问，也可经过CS8900A扩展的网络接口将视频数据直接发送到远程网中的控制主机上。图1为系统的硬件图，其中USB口接数码摄像头，串口、网口做为输入输出设备，NAND闪存和SDRAM做为存储设备，JTAG口用来把嵌入式Linux操做系统和应用程序烧写进Flash存储器。

    图1视频采集系统硬件框图

    3 嵌入式Linux概述Linux具备内核小，效率高，源代码开放，微内核直接提供网络支持等优势。在中低端嵌入式网络设备的应用中，比起VxWorks等其余操做系统有许多优点，逐渐成为嵌入式操做系统的主流。但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，不能直接将其做为嵌入式硬件平台上的操做系统，须要针对具体的应用进行内核的配置和裁减，使整个系统可以存放到容量较小的Flash中。Linux的动态模块加载方式使Linux的裁剪极为方便，高度模块化使得添加和删减很是容易。

    系统采用交叉编译调试，PC机做为宿主机，对应的嵌入式系统平台叫作目标板。嵌入式Linux提供了一套完整的工具链(toolchain)，它利用GNU的gCC作编译器，用gdb、xgdb作调试工具，可以很方便地实现从操做系统内核到用户态应用软件各个级别的调试。嵌入式Linux的移植过程如图2所示，在此不做具体阐述。

    图2Linux系统开发流程图

    4 软件设计

  4.1 摄像头驱动在Linux环境下，全部的外设都被当作一类称为“设备文件”的特殊文件，系统中全部硬件均可以用一个特殊的设备文件来表示。在本系统中，USB摄像头被做为一种字符设备来对待，用/dev/video0来表示。相对于应用程序来说，硬件是不透明的，设备驱动程序屏蔽了硬件在实现上的细节，应用程序必须依靠相应驱动程序中定义的通讯接口实现对硬件的操做。

    Video4Linux(简称V4L)是Linux系统关于视频设备的内核驱动程序，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。对于USB接口摄像头，驱动程序中提供了基本的I/O操做接口函数open、read、write、close的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O通道的控制接口函数ioctl的实现等，并在structfile_operations数据结构中定义了这些函数，当应用程序对设备文件进行例如read、write等操做时，嵌入式Linux内核经过strcutfile_operations数据结构访问驱动程序提供的函数。

    驱动程序基本结构以下：

    1)驱动的注册与注销经过在驱动程序的初始化过程当中调用register_chrdev()或register_blkdev()函数来添加驱动程序并分配主设备号；经过调用unregister_chrdev()或unregister_blkdev()函数从内核中注销设备，同时释放其占用的主设备号。

    2)设备文件的打开与释放调用file_operations结构体中的Open()函数打开设备；调用file_operations结构中的函数release()关闭设备。

    3)设备的读/写操做使用函数read()和write()完成对设备的读和写。

    4)设备的控制操做经过设备驱动程序中的函数ioctl()来完成。ioctl()的用法与具体设备密切关联，所以须要根据设备的状况进行具体分析。

    5)设备的中断和轮流查询处理因为有些硬件设备不支持中断，那么在对其读写时须要轮流查询设备状态，以便决定是否继续进行数据传输。若是硬件设备支持中断，则能够按中断方式进行操做。

    4.2 视频采集在USB摄像头驱动被加载成功后，还要编写视频流采集应用程序。摄像头中各类I/O口的控制依靠Video4Linux提供的应用程序接口函数实现，主要有Open、Read、Write等。V4L下的视频采集工做原理如图3。在本系统中，将有关摄像头的各类数据和结构封装成了一个类。

    图3V4L下视频采集工做模型

    4.2.1 Video4Linux定义的数据结构structvideo_capabilitycapability：包含摄像头设备的基本信息(设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等)，分别对应着结构体中成员变量name[32]，maxwidth，maxheight，minwidth，minheight，channels(信号源个数)，type等。

    structvideo_windowwindow：包含采集到图像的各类属性，如brightness(亮度)、hue(色调)、color(颜色)、contrast(对比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等。

    structvideo_channelchannel：关于各个信号源的属性，如channel(信号源编号)、name(名称)、tuners(信号源通道)、type(类型)、Norm(制式)等。

    structvideo_picturepicture：包含关于capturearea的信息。

    structvideo_mmapmmap：用于内存映射。

    structvideo_mbuFMbuf：利用mmap进行映射的帧信息，即输入到摄像头存储缓冲区中的帧信息，包括size(帧的大小)、frames(最多支持的帧数)、offsets(每帧相对基址的偏移)。

    在本系统中，程序主要用到的一些系统调用函数以下：open(“/dev/video0”，O_RDWR)：设备的打开。

    close(fd)：设备的关闭。

    mmap(voidaddr，size_tlen，intprot，intflags，intfd，off_toffset)：设备缓冲区到内存空间的映射。

 

 

 

    munmap(voidaddr，size_tlen)：采集工做结束后取消mmap和mbuf的绑定。

    ioctl(intfd，iNTCmd，。。。)：控制I/O通道。

    4.2.2视频采集程序的实现

    1）打开摄像头首先对上面提到的类进行初始化，接下来利用系统调用函数_fd=open(“devfile”，O_RDWR)，该函数的功能是打开参数devfile指定的设备，对于摄像头用设备文件名“/dev/video0”表示，_fd是设备打开后返回的文件描述符，之后能够直接使用它来对设备文件进行操做。

    2）获取摄像头参数经过ioctl(_fd，VIDIOCGCAP，&capability)函数来读取structvideo_capability结构中有关摄像头的信息。ioctl(int_fd，intcmd，。。。)主要是用来控制I/O通道，函数成功返回后使用printf函数获得各成员份量信息，接着调用ioctl(_fd，VIDIOCGWIN，&window)和ioctl(_fd，VIDIOCGPICT，&picture)函数读取structvideo_window信息和摄像头缓冲区中的video_picture图像信息。

    3）设置摄像头缓冲区中图像参数在采集摄像头视频数据前，可根据需求修改图像参数如分辨率等，具体方法为先给份量赋新值，再调用函数ioctl(_fd，VIDIOCSPICT，&picture)。

    4）视频数据的读取与read()方式相比，mmap()方式经过把设备文件映射到内存，绕过了内核缓冲区，加速了I/O访问。完成内存映射以后，就能够用mmap()方式实现对内存映射区域视频数据的单帧采集。此方式下真正作视频截取的为VIDIOCMCAPTURE，调用函数ioctl(_fd，VIDIOCMCAPTURE，&mmap)，激活设备并真正开始一帧图像的截取，是非阻塞的，接着调用ioctl(_fd，VIDIOCSYNC，&frame)函数等待一帧图像截取结束，成功返回表示一帧截取已完成，接着能够作下一次的VIDIOCMCAPTURE操做。

    通过上述的几个过程，系统完成了对USB摄像头的驱动、对视频数据的采集工做，捕获到的视频帧被映射到内存区域，若是要对视频数据进行压缩等处理工做则可经过访问内存映射区域进行。

    5 结语

    做为网络视频监控系统的一部分，本方案基于目前市场上主流的ARM处理器与嵌入式Linux操做系统，实现了视频数据的实时采集，整个系统数字化、网络化程度高，与传统的采集系统相比有较大优点。经办公室局域网测试，该系统实时性好、稳定可靠、图像质量也比较优越，可普遍应用在交通、银行、工业监控及视频会议等众多领域。目前该项目产生的经济效益约为20万元。

    本文做者创新点：设计了一个基于嵌入式Linux的视频采集系统，详细介绍了Video4Linux下USB摄像头驱动和视频采集程序的实现过程。