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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。) c, p& y, W( g5 G- h; A9 ?
1 系统组成
; t4 x9 }* q, W) U/ f 1.1 统的硬件构成" S6 [) l- t, k! V3 l( D2 F* Q
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
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. H6 Y. l) T$ Q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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1 C3 N; b) c8 o- f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。7 }/ Q( \+ x* Z2 }% t3 I) 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! c: G* ^2 {( L6 b3 e$ s6 D% \5 ?+ F
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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# C" J# j4 g+ h& p5 D
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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
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9 j# b; X9 c0 B5 Z2 n数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。
& J: M$ Z3 L; |' M+ Y3 A, n 1.2 系统软件设计8 f- w" B9 h9 h' G
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' U& C- v4 F0 M" J! }- O$ b
2 ?' U- W0 D7 V( o0 \$ O# _* Z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。: B5 n( n) i, D* X
2 视频采集的具体实现; C W1 [- ^ F# g
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" C+ d! g k2 |0 b! ?" b
& q0 f# L, W* B、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 U/ u3 g1 ~0 c/ ]2 ]
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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:
4 `# n3 v+ X& Z! s. S' f 2.2 利用Vide041inux实现图像采集3 r* ~% _- _; `0 C3 H# P
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/
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, K8 M% n9 Z7 b$ C! gdev/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:
3 D; L2 w5 y/ \1 m4 { V4L下视频采集编程首先要打开视频设备: _8 }. g. @7 M$ R# M7 Y, A) n
Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
, W6 o) m& H7 z+ P If(fd<O)return-l;
/ i& Z( u! a0 k [ 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。
, P- k; K7 f; y" s/ I1 l8 J 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5 x l- }1 z( W/ ^) O8 x
# A9 x1 r9 {$ j2 A& S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:
/ o0 R+ _8 b. A0 \! @! N' M1 ~9 F (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。
' z- k4 ~1 Q9 O! ?: D4 p- d (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 @ I( q8 ? P2 f' x8 G# \, q+ L
+ Y& v' x8 R& t! ^! J$ n如下语句:
7 V- c0 K" _" r$ o+ [- P grab_buf.height=240;
v) C9 x) C+ c& e* X0 F grab_buf.width=320;+ K3 W [* i! b/ K* }) {; u! i( a
grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;! X9 U) o3 ~4 U: x- {+ z
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
3 z, B0 J1 Z9 l' J# p. `/ v9 ]7 J( ^/ {! X$ M9 v/ W
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。. Z6 p) |# X3 I
2.1 摄像头驱动的实现
% R6 x- E' _$ E 1)配置Vide04linux内核
+ K$ E4 q# N! F* \; k 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:
' t; V( z8 F: q3 [5 q/ w+ X3 v Device driver--->
1 M: b( O7 j6 g+ a Multimedia devices--->
- v9 t- A! O5 e# a k% U <*>Video for linux
- T* D _4 R% u6 Q* w 2)配置OV511驱动
, t4 b7 _6 a7 g2 Q, j, m: c/ _' M 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:
0 Y, I% @& {/ X/ m `3 I SUB suppor--->
! N4 p( U- q8 | H5 }( f6 l <*>USB OV5llcamera support(NEW)
4 y" u6 _5 {2 ^* V, ]- h 3)模块安装
, b0 l* C; A5 I1 H: G3 O* C- N$ [: h 执行以下命令安装视频输入模块:
2 t# ^ `+ j( c, X7 m% x6 _ insmod videodev.o: @- u" \. u% g8 y; j) m* s
执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:' c4 ]$ D$ @$ F+ Z0 O% [
insmod usbcore.o
" C1 d$ s8 F: z1 K% z% E2 E# b insmod usb-ohci-s3c2410.ko, Y- o; l- @1 ^; M+ r
insmod ov511.o# S6 {1 {7 K8 q& n0 d: 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。
, r5 U8 r: z1 I9 O r# S 3 无线传输模块
+ t- H9 q( `& h% z) h! c# G 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。; n7 P0 k6 n% ]4 h+ j5 m
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