隨著多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和后 PC機(jī)時(shí)代的到來(lái)，利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、可視電話和視頻會(huì)議等應(yīng)用已成為可能。為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，實(shí)時(shí)獲得視頻數(shù)據(jù)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。針對(duì)這一 點(diǎn)，本文在基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)上，利用Video4Linux內(nèi)核應(yīng)用編程接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了單幀圖像和視頻連續(xù)幀的采集，并保存成文件的形式供 進(jìn)一步視頻處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸用。

1 系統(tǒng)平臺(tái)上的硬件系統(tǒng)

本 文使用的系統(tǒng)平臺(tái)硬件功能框圖如圖1所示。該平臺(tái)采用Samsung公司的處理器S3C2410。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的 32位微控制器，資源豐富，帶獨(dú)立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路 UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個(gè)USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達(dá)203MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了相關(guān)的配 置和擴(kuò)展，平臺(tái)配置了16MB 16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。通過(guò)以太網(wǎng)控制器芯片DM9000E擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口，另外引出了一個(gè)HOST USB接口。通過(guò)在USB接口上外接一個(gè)帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)中。然后，或者保存成文件的形式，或者運(yùn)行移植到平臺(tái) 上的圖像處理程序，對(duì)緩沖的圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行相關(guān)處理，再保存并打成UDP包。最后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將圖像發(fā)送到Internet上。本文只討論其中視頻采 集部分的具體實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)平臺(tái)中的軟件系統(tǒng)

2.1 Linux與嵌入式系統(tǒng)

Linux 具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開(kāi)放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，因此不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，需要針對(duì)具體的 應(yīng)用通過(guò)配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式C庫(kù)對(duì)系統(tǒng)定制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載，使Linux的裁減 極為方便 ，高度模塊化的部件使添加非常容易。正因?yàn)長(zhǎng)inux的上述優(yōu)點(diǎn)，在本文實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)上，使用的操作系統(tǒng)是對(duì)Linux進(jìn)行了定制的armlinux。它啟 用了MMU（內(nèi)存管理單元），是針對(duì)支持MMU的處理器設(shè)計(jì)的。

2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

絕 大多數(shù)Linux的軟件開(kāi)發(fā)都以native方式進(jìn)行，即本機(jī)開(kāi)發(fā)、調(diào)試，本機(jī)運(yùn)行的方式。這種方式通常不適于嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，因?yàn)閷?duì)于嵌入式系統(tǒng) 的開(kāi)發(fā)，它沒(méi)有足夠的資源在本機(jī)（即嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)）運(yùn)行開(kāi)發(fā)工具和調(diào)試工具。通常的嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用交叉編譯調(diào)試的方式。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在 宿主機(jī)（即圖1所示通過(guò)串口連接的宿主機(jī)PC）上，對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)板叫做目標(biāo)板（即嵌入式ARM2410系統(tǒng)）。

通 常宿主機(jī)和目標(biāo)板上的處理器不同，宿主機(jī)通常為Intel處理器，而目標(biāo)板如圖1所示為SAMSUNG S3C2410，所以程序需要使用針對(duì)處理器特點(diǎn)的編譯器才能生成在相應(yīng)平臺(tái)上可運(yùn)行的代碼。GNU編譯器提供這樣的功能，在編譯時(shí)，可以選擇開(kāi)發(fā)所需的 宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)，從而建立開(kāi)發(fā)環(huán)境。在進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)前的第一步工作就是把一臺(tái)PC機(jī)作為宿主機(jī)開(kāi)發(fā)機(jī)，并在其上安裝指定的操作系統(tǒng)。對(duì)于嵌入式 Linux，宿主機(jī)PC上應(yīng)安裝Linux系統(tǒng)。之后，在宿主機(jī)上建立交叉編譯調(diào)試的開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)環(huán)境的具體建立這里不細(xì)談。本文采用移植性很強(qiáng)的C語(yǔ) 言在宿主機(jī)上編寫(xiě)視頻采集程序，再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯鏈接生成可執(zhí)行代碼，最后向目標(biāo)平臺(tái)移植。

3 視頻采集的具體實(shí)現(xiàn)

上 面提到系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行的是armlinux。在啟動(dòng)后，啟用了MMU，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，所以應(yīng)用程序就不能直接讀寫(xiě)外設(shè)的I/O區(qū)域（包括I/O端口和 I/O內(nèi)存），這時(shí)一般就要借助于該外設(shè)的驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)入內(nèi)核完成這個(gè)工作。本系統(tǒng)中的視頻采集分兩步實(shí)現(xiàn)：一是為USB口數(shù)碼攝像頭在內(nèi)核中寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)，二是 要再寫(xiě)入上層應(yīng)用程序獲取視頻數(shù)據(jù)。本文著重討論后一步。

3.1 USB口數(shù)碼攝像頭的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

在 Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)了的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文 件一樣來(lái)操作外部設(shè)備，可以使用和操作文件中相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù) 也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。本系統(tǒng)平臺(tái)使用的嵌入式armLinux系統(tǒng)在內(nèi)核主要功能上與Linux操作系統(tǒng)沒(méi)本質(zhì)區(qū)別，所以驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)的任務(wù) 也一樣，只要編譯時(shí)使用的編譯器、部分頭文件和庫(kù)文件等要涉及到具體處理器體系結(jié)構(gòu)，這些都可以在Makefile文件中具體指定。

??? Video4Linux(簡(jiǎn)V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市 場(chǎng)上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。對(duì)于USB口攝像頭，其驅(qū)動(dòng)程序中需要提供基本的I/O操作接口函數(shù)open、read、write、 close的實(shí)現(xiàn)。對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O通道的控制接口函數(shù)ioct1的實(shí)現(xiàn)等，并把它們定義在struct file_operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通 過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu) 中的read函數(shù)。在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)USB口數(shù)碼攝像頭驅(qū)動(dòng)，首先把USB控制器驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使平臺(tái)中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集 時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅(qū)動(dòng)模塊，這樣攝像頭就可正常工作了，接著進(jìn)行了下一步對(duì)視頻流的采集編程。