基于嵌入式Linux的3G無線視頻終端的設計與實現(xiàn)

Preview通道可以將YCbCr4：2：2格式的圖像轉換為RGB(16bit或24bit)格式的數(shù)據(jù)，并存放于為PreviewDMA分配的內存中，最大分辨率為640×480。主要用于本地液晶屏顯示，Codec通道可以輸出YCbCr4：2：0或YCbCr4：2：2格式到為Codec DMA分配的內存中。最大分辨率為4 096x4 096，主要用于圖像的編解碼處理。在本系統(tǒng)中使用的是Codec通道。
視頻采集模塊的設計采用的是V4L2(Video for Linux Two)V4L2，它是Linux下開發(fā)視頻采集設備驅動程序的一套規(guī)范，該規(guī)范采用分層的方法給驅動程序的開發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口，并且正對視頻設備的應用程序編程也提供了一系列接口函數(shù)。其中應用程序處于最上層，V4L2處于中間層，而實際的硬件設備則處于下層，其本身包括兩層驅動結構，上層是videodev模塊，下層為V4L2驅動程序。video-dev通過V4L2驅動程序的成員函數(shù)來調用V4L2驅動。在V4L2驅動的驅動程序初始化過程中，它首先枚舉它將要處理的系統(tǒng)中的設備，為每個設備填充struct v412_device結構，并且將指向該結構的指針傳遞給v412_register_device()函數(shù)，該函數(shù)調用v4L2_deviee結構體中的初始化函數(shù)對設備進行初始化。當v412驅動程序初始化完成后，v412通過傳遞一個包含驅動程序成員函數(shù)，次設備號以及相關信息的結構給videod-ev，從而完成它將要處理設備在videodev的注冊工作，當應用程序通過系統(tǒng)調用觸發(fā)了某個驅動程序時，控制權首先傳遞給videodev中的函數(shù)，videodev將應用程序傳遞的文件或i節(jié)點結構指針轉換為相應的v412結構指針，并調用v412中的處理函數(shù)。以本系統(tǒng)以OV9650攝像頭為例，其驅動框架如圖5所示。

視頻采集過程如下，應用程序首先打開視頻設備文件，攝像頭在系統(tǒng)中對應的設備文件為／dev／camera，通過系統(tǒng)調用“open(“／ dev／camera”，O_RDWR)”函數(shù)打開該設備，獲得一個文件描述符fd，利用ioctl(fd，VIDIOCGPICT，capability)函數(shù)獲取攝像頭的相關信息，例如設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等，填充在結構體video_capability中，通過調用ioctl(fd，VIDIOCGPICT，pict-ure)獲取圖像的相關信息如采集圖像的對比度、亮度、調色板等屬性，并且填充在video_picture結構體中，在獲取這類信息后，可根據(jù)實際需要來對其重新賦值，具體做法是將需要設置的值賦給相應結構體，然后通過系統(tǒng)調用ioctl(fd，VIDIOCSPICT，)函數(shù)寫入設備。在圖像獲取方式上使用mmap()系統(tǒng)調用來實現(xiàn)內存映射達到各進程共享內層的目的，利用共享內存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。使用mmap方式獲取圖像數(shù)據(jù)，需要首先設置圖像幀的緩沖區(qū)結構，即struct video_mmap，如每次采集幀數(shù)，圖像高度、寬度，圖像調色板格式等等。然后調用ioctl(fd，VIDIOCMCAPTURE，grab_buf)啟動捕獲過程。調用iotcl(fd，VI-DIOCSYNC，frame)等待采集完成，若該函數(shù)成功返回則表示采集完畢，采集到的圖像將放在通過mmap()映射的內存區(qū)域內，讀取該內存數(shù)據(jù)即可獲得圖像數(shù)據(jù)，其中frame為當前截取的幀數(shù)，V4L2允許一次采集多幀數(shù)據(jù)，可通過設置grab buf．frame來實現(xiàn)。調用close(fd)函數(shù)關閉設備文件，終止圖像采集。
2．2 視頻數(shù)據(jù)處理模塊設計
由視頻采集模塊獲取的視頻圖像需要通過3G網(wǎng)絡來進行傳輸，而從攝像頭直接采集的未經(jīng)壓縮的數(shù)據(jù)量非常大，為了在不影響圖像質量的前提下提高傳輸效率，本系統(tǒng)中對原始獲得的視頻圖像進行了壓縮編碼。由于MPEG-4是專門為播放流式媒體的高質量視頻而設計的，并且MPEG-4標準以其高壓縮比、高質量、低傳輸率已經(jīng)成為目前網(wǎng)絡多媒體傳輸?shù)闹饕袷胶蜆藴?。它可利用很窄的帶寬，通過幀重建技術壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求使得用最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質量并且能夠保存接近于DVD畫質的小體積視頻文件。在本系統(tǒng)中選用開源的Xvidcore作為視頻壓縮模塊的核心算法。Xvidcore是一個高效而且便于移植的編碼軟件。它不僅支持Simple Profile和Advanced Profile，還支持I／P Frames B-Frames Interlacing和GMC，以鉆石和方塊模式來進行PMVFast和EPZS運行估計，是目前比較流行的MPEG-4編碼軟件。Xvidcore源碼可從網(wǎng)上下載免費獲得，目前最新版為xvidcore-1．2．2，它提供了一系列的庫函數(shù)及接口函數(shù)供應用程序使用。但針對嵌入式系統(tǒng)平臺，要使用該庫需要將其移植到嵌入式系統(tǒng)中。移植過程如下：
解壓源代碼：tar-zxvf xvidcore-1．2．2．tar.gz；在使用前需要對xvidcore-1．2．2進行交叉編譯，步驟如下：
1)設置環(huán)境變量：export=“xvidcore當前所在目錄”；
2)進入／build／generic目錄；
3)生成Makefrle：／configure-host=local hostbuild=arm-linux-gcc；／／指定交叉編譯工具以便進行交叉編譯；
4)編譯源代碼：make。
將交叉編譯生成的庫文件libxvidcore．so．*拷貝到交叉編譯器工作目錄lib子目錄中。完成編碼庫的移植工作。
以上對個獨立模塊進行了介紹，在軟件實現(xiàn)上對系統(tǒng)進行了整體設計，將各個模塊有機的組合在一起，并充分考慮了系統(tǒng)的可擴展性。
主要結構體如下：