分析以嵌入式Linux與S3C2410平臺(tái)為基礎(chǔ)的視頻采集

在我們的生活當(dāng)中經(jīng)常會(huì)遇到這樣一些問(wèn)題：比如如何對(duì)機(jī)房的溫濕度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；如何一手掌握家里的安全狀況，這都需要應(yīng)用一種耗電量小、24小時(shí)不間斷工作，體積小的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)一種基于MPEG-4網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。使用基于MPG440的MPEG-4實(shí)時(shí)視頻壓縮卡壓縮采集到的音視頻數(shù)據(jù)，利用循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的壓縮，同時(shí)運(yùn)用多線程技術(shù)以及傳輸機(jī)制解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，從而有效克制了畫(huà)面不清晰、音視頻不同步、馬賽克等現(xiàn)象，保證客戶監(jiān)看時(shí)音視頻實(shí)時(shí)性和同步性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該方案經(jīng)濟(jì)高效，可應(yīng)用在多種需要音視頻監(jiān)控的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分。硬件設(shè)計(jì)模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊3部分。微控制器模塊主要由主控芯片、 DATAFLASH和SDRAM組成。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，微控制器將Linux內(nèi)核調(diào)入SDRAM 中，系統(tǒng)從SDRAM中啟動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，微控制器控制MPEG-4編碼模塊進(jìn)行工作。

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括嵌入式Linux移植、視頻采集以及MPEG-4壓縮編碼模塊、JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和MPEG-4解碼程序4部分。嵌入式 Lin-ux系統(tǒng)存放到由S3C2410控制的DATAFLASH中，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)MPEG-4視頻流傳輸與控制的相關(guān)設(shè)置。MPEG-4解碼程序主要負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得到的 MPEG-4數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼工作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件平臺(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16 kB指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、4路帶PWM的Timer、并行I／O口、8路 10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、2路SPI，主頻最高可達(dá)203 MHz。通過(guò)以太網(wǎng)控制器芯片DM9000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 接口的攝像頭。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)。嵌入式Linux系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)的文件（bootloader）、Linux內(nèi)核文件（kernel）、虛擬磁盤(pán)文件（ramdisk）、用戶空間文件（user）。它們分別被放在 DATAFLASH內(nèi)的4個(gè)分區(qū)模塊中。宿主機(jī)通常為Intel處理器，而目標(biāo)板為S3C2410，因此程序需要使用針對(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。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。

3.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

在Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成是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)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，可以使用并操作文件中相同的、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)的調(diào)用函數(shù)。

video4Linux（V4L）是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，是針對(duì)視頻設(shè)備應(yīng)用程序編程提供的一系列接口函數(shù)。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來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行系統(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)，在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)USB口數(shù)碼攝像頭進(jìn)行驅(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。

3.2 基于V4L設(shè)計(jì)的視頻采集模塊

在Linux下，所有外設(shè)都被看成是一種特殊的文件，稱(chēng)為設(shè)備文件。系統(tǒng)調(diào)用的是內(nèi)核與應(yīng)用程序之間的接口，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則是內(nèi)核與外設(shè)之間的接口。他完成設(shè)備的初始化和釋放，對(duì)設(shè)備文件的各種操作和中斷處理等功能，為應(yīng)用程序屏蔽了外設(shè)硬件的細(xì)節(jié)，使應(yīng)用程序可以像普通文件一樣對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作。

Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)Video4Linux為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應(yīng)用程序通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用即可操作各種不同的視頻捕獲設(shè)備。Video4Linux向虛擬文件系統(tǒng)注冊(cè)視頻設(shè)備文件，應(yīng)用程序通過(guò)操作視頻設(shè)備文件實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻設(shè)備的訪問(wèn)。

在此主要針對(duì)設(shè)備文件／dev／video進(jìn)行視頻捕捉方面的程序設(shè)計(jì)。

其中用到的主要函數(shù)有：

Camera_open（）：用來(lái)開(kāi)啟視頻設(shè)備文件，使用前需要首先聲明一個(gè)video_device類(lèi)型的設(shè)備文件。

Camera_get_capability（）：通過(guò)調(diào)用ioctl（）函數(shù)取得設(shè)備文件的相關(guān)信息，并存放到video_capability結(jié)構(gòu)中。

Camera_get_picture（）：通過(guò)調(diào)用ioctl（）函數(shù)取得圖像的相關(guān)信息，并且存放到video_picture結(jié)構(gòu)中。

Camera_close（）：用來(lái)關(guān)閉設(shè)備文件。

Camera_grab_image（）：用來(lái)抓取圖像，采用mmap方式，直接將設(shè)備文件／dev／video0映射到內(nèi)存，加速文件I／O操作，還可以使多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)。

3.3 視頻壓縮編碼模塊

獲取圖像數(shù)據(jù)后，可以直接輸出到FrameBuffer進(jìn)行顯示，由于該系統(tǒng)要將采集到的視頻影響通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，所以在傳輸之前要對(duì)原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，在此選用映佳公司的MPG440芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)MPEG-4視頻編解碼方案。MPEG-4壓縮比更高，節(jié)省存儲(chǔ)空間，圖像質(zhì)量更好，更適合在低帶寬條件下傳輸視頻，而且能保持圖像的質(zhì)量。

3.4 JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

流媒體指的是在網(wǎng)絡(luò)中使用流技術(shù)傳輸?shù)倪B續(xù)時(shí)基媒體，RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題的最好辦法，JRTPLIB是一個(gè)面向?qū)ο蟮腞TP庫(kù)，它完全遵循RFCl889設(shè)計(jì)。

3.4.1 初始化

在使用JRTPLIB進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)傳輸之前，首先應(yīng)該生成RTPSession類(lèi)的一個(gè)實(shí)例來(lái)表示此次RTP會(huì)話，然后調(diào)用 Create（）方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行初始化操作。RTPSession類(lèi)的Create（）方法只有一個(gè)參數(shù)，用來(lái)指明此次RTP會(huì)話所采用的端口號(hào)。

3.4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

先設(shè)置好數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)地址，RTP協(xié)議允許同一會(huì)話存在多個(gè)目標(biāo)地址，這個(gè)可以通過(guò)調(diào)用RTPSession類(lèi)的AddDestination（）、DeleteDestination（）與 ClearDestinations（）的方法來(lái)完成。目標(biāo)地址全部指定了以后，接著就可以調(diào)用RTPSession類(lèi)的SendPacket（）方法，向所有的目標(biāo)地址發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)。

3.4.3 數(shù)據(jù)接收

調(diào)用PollData（）方法來(lái)接收發(fā)送過(guò)來(lái)的RTP或者RTCP數(shù)據(jù)報(bào)。由于同一個(gè)RTP會(huì)話中允許有多個(gè)參與者 （源），因此既可以通過(guò)調(diào)用GotoFirstSource（）和GotoNextSource（）方法來(lái)遍歷所有的源，也可以通過(guò)調(diào)用 GotoFisstSourceWithDat（）和Got-oNextSourceWithData（）方法來(lái)遍歷那些攜帶有數(shù)據(jù)的源。

JRTPLIB為RTP數(shù)據(jù)報(bào)定義了3種接收模塊，通過(guò)調(diào)用RTPSession類(lèi)的SetReeeiveMode（）的方法可設(shè)置下列這些接收模式：

RECEIVEMODE_ALL：缺省的接收模式，所有到達(dá)的RTP數(shù)據(jù)報(bào)都將會(huì)被接受；

RECEIVEMODE_IGNORESOME：除了某些特定的發(fā)送者之外，所有到達(dá)的RTP數(shù)據(jù)報(bào)都將被接受，而被拒絕的發(fā)送者列表可以通過(guò)調(diào)用 AddTo-IgnoreList（），DeleteFromlgnoreList（）和ClearIgnoreList（）方法進(jìn)行設(shè)置；

RECEIVEMODE_ACCEPTSOME：除了某些特定的發(fā)送者之外，所有到達(dá)的RTP數(shù)據(jù)報(bào)都將被拒絕，而被接受的發(fā)送者列表可以通過(guò)調(diào)用 AddTo-AcceptList（），DeleteFromAcceptList和ClearAcceptList（）方法來(lái)進(jìn)行設(shè)置。

3.4.4 控制信息

JRTPLIB是一個(gè)高度封裝后的RTP庫(kù)，只要PollData（）或SendPacket（）方法被成功調(diào)用，JRTPLIB就能夠自動(dòng)對(duì)達(dá)到 RTCP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理。在系統(tǒng)當(dāng)中，使用 RTPSessionJRTPLIB類(lèi)庫(kù)提供的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)底層的RTP／RTCP操作，且把他封裝在CrtpTransmitter類(lèi)中，該類(lèi)從 MediaSink類(lèi)繼承而來(lái)，接收到相應(yīng)的媒體幀數(shù)據(jù)，使用RTPSession類(lèi)庫(kù)的操作把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)是以S3C2410平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用Video4Linux設(shè)計(jì)采集程序，使用MPEG-4壓縮編碼，通過(guò)實(shí)時(shí)流媒體傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，有軟硬件成本低廉，體積小巧，安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。可擴(kuò)展應(yīng)用在工業(yè)控制、視頻會(huì)議系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。