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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。5 l9 }# p. C; ?% `% ]
1 系统组成
4 k0 E2 g% @4 p, w 1.1 统的硬件构成* F2 G& k1 m5 `; ?7 z
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2 h. Y1 C g. ~" |8 P
7 a! Y4 e# n: U6 } x6 N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' W+ V) p# W: Y4 P
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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。
\' c) {" ^: u: p 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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) V* E6 j, k- _' @- y/ H+ I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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: z; W: t2 d2 C9 Y1 y8 _, q: A; x6 U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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数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。0 R1 T3 D ~6 r: z7 S- {
1.2 系统软件设计8 F& R+ J6 e# c8 ^1 U7 W8 }8 a( Q$ Y
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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0 w8 c$ k, m% o$ U& V) 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。$ F/ I0 N9 L# l3 S# z s
2 视频采集的具体实现: n9 Y% I# M% 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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# F3 ^! J" G N _ a# k、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! M& s, O5 h+ i- u
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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:
. N0 t; [% j7 D1 C. X# z1 w 2.2 利用Vide041inux实现图像采集
, |& P0 ?5 o, _! f' ?7 h 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/8 ]0 G9 [0 a/ R7 Z% g! h, H
6 a" t: W* E# z( r! e) m# b$ [
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:. A/ e' o8 q9 K, y
V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
% s E: ^" y P Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
* O" |% {; u7 g* C. f9 u- E If(fd<O)return-l;
1 R8 m& A" z: X: A 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。$ F; u8 L( ~+ u8 Y4 |0 u
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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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:* N$ B! _* n, A% A B: A
(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。! U' o( R5 {% C/ e7 `& z
(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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如下语句:
3 ?7 q; H/ y, Z5 R5 q6 h+ ^ grab_buf.height=240;! U9 S y2 Q$ _! a0 q$ i$ J
grab_buf.width=320;
+ t! P. _2 H" n0 |2 O( I grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
8 e. H. R. V1 P! y Y 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
: h; M' O! O/ A3 P9 j7 W' e7 t) K$ V
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。+ C$ I5 r: a$ c# W
2.1 摄像头驱动的实现# l# r7 H9 z; z' W" X
1)配置Vide04linux内核
2 s6 r2 w8 H- U3 I% i 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:2 \8 h& V! a' [5 {- O7 h1 V
Device driver--->9 _8 J/ d5 j+ t; e, r
Multimedia devices--->+ @0 U0 C* f$ O7 l. M
<*>Video for linux
5 h' u- F! ]6 {* x: K4 ~4 B) {; E 2)配置OV511驱动% J7 @! [- W% Q
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:' \+ ^. v* j+ O% U2 a% R
SUB suppor--->: P% U g* g7 A' ^2 R% F% q
<*>USB OV5llcamera support(NEW)
. [1 {8 b; R0 y7 Q 3)模块安装
5 N' @% d9 p& }7 { L1 i 执行以下命令安装视频输入模块:& _( R$ k2 _( U1 G$ c2 F) h
insmod videodev.o* C& E" y( a% W" h
执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:, E' s$ Y% m6 A, W- }
insmod usbcore.o3 G7 x, l1 {' w) P U% i2 ?
insmod usb-ohci-s3c2410.ko# t1 {4 Y9 h) @, j
insmod ov511.o
- s! C3 F; y" R$ O 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。! e: K9 a) s7 N
3 无线传输模块
' g9 @1 q. x/ ~; ` 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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