基于Linux視頻傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

引言

嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”，是以應用為中心，以計算機技術為基礎，其軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)是一個精簡、高效、針對性強的相對簡單的操作系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)是windows問世以來最熱門的操作系統(tǒng)之一,其作為嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾點：第一，Linux最重要的一個優(yōu)點就是Linux的源代碼的開放性，是免費的,只要遵守GPL(GNUGeneralPublicLicense)的規(guī)定，就可以免費獲得拷貝，這也使眾多的開發(fā)者為其打造了堅實的基礎;第二，Linux支持多種硬件平臺，現(xiàn)在已經被移植到ARM，CRIS，AMDX86-64,IBMS/390等各種體系結構上；第三，Linux操作系統(tǒng)功能強大，其可以提供多任務的進程調度，完全的內存保護機制，多進程間通信和同步機制，多種網絡協(xié)議的網絡支持等功能；第四，模塊化設計，系統(tǒng)上的任務模塊都可以在運行的時候被鏈接或者解除鏈接，使新模塊的開發(fā)變得更加容易，而且可以減少內存的使用，這非常適合小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

1系統(tǒng)功能模塊的設計

根據各個功能模塊的不同，本視頻傳輸系統(tǒng)主要包括3個模塊設計：其一是視頻采集模塊，完成的功能主要是設置和控制攝像頭對視頻數(shù)據進行采集，其二是視頻發(fā)送接收模塊，主要完成ARM板與顯示終端之間的視頻數(shù)據傳送與接收,其三是視頻顯示模塊，主要完成接收數(shù)據的實時動態(tài)顯示,顯示界面是基于Qt的窗口開發(fā)。

2視頻采集模塊

視頻的采集要用到V4L2協(xié)議，即videoforLinux2,是運行在Linux操作系統(tǒng)之上的關于視頻設備的內核驅動框架。它主要利用一系列的回調函數(shù)來實現(xiàn)程序監(jiān)測設備和操作設備的能力，包括視頻數(shù)據壓縮的格式，攝像頭頻率、幀頻的設置,圖像的參數(shù)等。

V4L2是Linux內核提供給應用程序訪問語音、視頻驅動的API(ApplicationProgramInterface),它為應用層和驅動層提供接口函數(shù)，開發(fā)者調用函數(shù)就可以直接控制、操作相應的視頻硬件設備。

視頻傳輸系統(tǒng)中視頻的采集主要包括以下幾個部分：視頻設備的打開，視頻設備屬性及采集方式的設置，視頻數(shù)據的處理，關閉視頻設備。

2.1視頻設備的打開

在Linux操作系統(tǒng)中，設備文件被看做是文件類型，我們可以像操作文件一樣去操作視頻設備。該系統(tǒng)中采用中星微ZC301攝像頭。采用非阻塞、可讀可寫模式，用open函數(shù)打開攝像頭設備，其命令代碼為：

intcamera_fd；

camera_fd=open(“/dev/video0”,O_RDWR|O_NONBLOCK)；

應用程序中可以使用阻塞模式和非阻塞模式打開視頻設備。如果使用非阻塞模式，即使視頻設備沒有捕獲到信息,驅動依然會把緩存數(shù)據返回給應用程序；采用阻塞模式，則驅動會阻塞等待視頻設備，直到采集到數(shù)據。

2.2視頻設備屬性及采集方式的設置

視頻設備屬性的設置主要通過ioctl函數(shù)來進行設置，loctl的調用格式為：

result=loctl(Fd,Command,Parameter)；

其中Fd表示設備描述符，Command表示控制命令,Parameter表示控制命令需要的參數(shù)，loctl函數(shù)返回值result根據控制命令的不同而有不同的意義。Linux操作系統(tǒng)視頻設備驅動V4L2支持的常用的控制命令及其功能為：

VIDIOC_ENUM_FMT；獲取當前視頻設備支持的視頻格式；

VIDIOC_QUERYCAP；查詢當前視頻設備的功能；VIDIOC_S_FMT；設置視頻設備的視頻數(shù)據格式；VIDIOC_REQBUFS；請求V4L2驅動分配視頻緩沖區(qū)；VIDIOC_QUERYBUF；查詢已經分配的V4L2的視頻緩沖區(qū)的相關信息；

VIDIOC_QBUF；投放一個空的視頻緩沖區(qū)到視頻緩沖區(qū)輸入隊列中。

當調用上述一系列的ioctl函數(shù)及控制命令后，視頻設備已經準備就緒，等待視頻采集的開始。

2.3視頻數(shù)據的處理

當設置ioctl函數(shù)控制參數(shù)為VIDIOC_STREAMON時,即啟動視頻采集命令，視頻設備驅動程序開始采集視頻數(shù)據；采集過程中設置控制參數(shù)VIDIOC_DQBUF，從視頻緩沖區(qū)的輸出隊列中取得一個已經保存有一幀視頻數(shù)據的視頻緩沖區(qū)。

在處理視頻數(shù)據時，會牽涉到內存映射的概念。內存映射提供了一種機制：讓用戶程序可以直接訪問設備內存，相比較在用戶空間和內核空間互相拷貝數(shù)據，效率會得到明顯的提高。Linux操作系統(tǒng)下，V4L2位于內核空間，運行在視頻設備的驅動層中，應用程序不能直接訪問，需要通過調用mmap函數(shù)把內核空間內存映射到用戶空間，之后應用程序才能通過訪問用戶空間地址來訪問內核空間。

內存映射需要調用mmap函數(shù)，其格式為：

void*mmap(void*start，size_tlength，intprot，intflags，intfd，off_toffset)；

其中start指向映射的內存起始地址，length表示需要內存映射的文件大小，prot參數(shù)用來設置映射區(qū)域的保護方式，flags表示影響映射區(qū)域的各種特性，fd和offset分別表示要映射到內存的文件描述符和文件映射的偏移量。

視頻傳輸系統(tǒng)的整個數(shù)據采集過程如圖1所示，圖中假設驅動程序向內核空間申請5個內存緩沖區(qū)，其中應用程序的數(shù)據處理是在用戶空間，驅動程序采集數(shù)據的過程是在內核空間中。

2.4關閉視頻設備

設置ioctl控制參數(shù)為VIDIOC_STREAMOFF時，即停

止視頻采集命令，視頻設備驅動程序不再采集視頻數(shù)據，視頻設備關閉:

close(fd)；

3視頻數(shù)據傳輸模塊

視頻數(shù)據在ARM板與顯示終端之間通過網絡編程中socket套接字進行通信。socket是一種特殊的I/O接口，是一種常用的進程之間的通信機制。簡單的說，socket套接字是在用戶層和TCP/IP協(xié)議之間封裝了一系列的接口函數(shù)API。常見的socket有兩種類型，流式socket和數(shù)據報socket，使用的協(xié)議分別為TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，本文中使用TCP協(xié)議的流式套接字編程，其流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)設計中ARM開發(fā)板作為客戶端，顯示終端作為服務器端，客戶端通過connect函數(shù)與服務器端建立連接。準備就緒后，將采集模塊中攝像頭采集的視頻數(shù)據發(fā)送至服務器端，即顯示終端Qt界面，服務器端完成接收功能。

4視頻顯示模塊

視頻的顯示終端是基于Qt設計的窗口控制部件，接收客戶端的視頻數(shù)據后，將數(shù)據以實時動態(tài)的圖片顯示在終端界面上。

Qt是一種跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架,

是一種面向對象的框架，它能夠提供程序開發(fā)者建立圖形用戶界面所需要的所有功能。Qt包括250個以上的C++類，特別是其核心機制一信號和插槽機制，使得Qt的開發(fā)變得很方便。本系統(tǒng)的設計過程中，主要用到Qt庫中QTCPServer,

QPixmap,Qlmage,QByteArray,QTextStream等相關的類,的視頻監(jiān)控方法，可以完成最基本的監(jiān)控功能。相信安防在其界面開發(fā)效果如圖3所示。

圖3基于Qt的視頻顯示終端

5結語

本文設計實現(xiàn)了在Linux操作系統(tǒng)下，利用內核下V4L2協(xié)議驅動采集、發(fā)送、接收并實時動態(tài)顯示視頻監(jiān)控的系統(tǒng)。本文中采用面向連接的TCP協(xié)議socket編程，保證了視頻顯示的準確性和流暢性，另外，基于Qt的界面開發(fā)也展現(xiàn)了其強大的功能。本系統(tǒng)實現(xiàn)了一套簡單的、準確的、可移植性強未來的發(fā)展過程中，會有更廣闊的應用和發(fā)展。

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