基于Video4Linux的攝像頭驅動設計

作者：時間：2018-09-12 來源：網絡

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0 引言
隨著多媒體技術、網絡技術的迅猛發(fā)展和后PC機時代的到來，利用嵌人式系統(tǒng)實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控、可視電話和視頻會議等應用已成為可能。為了實現(xiàn)這些應用，實時獲得視頻數據是一個重要環(huán)節(jié)。針對這一點本文在嵌入式系統(tǒng)平臺上，基于Video4Linux(簡稱V4L)技術，實現(xiàn)了攝像頭驅動開發(fā)，詳細敘述了V4L技術和攝像頭在Blackfin536 DSP平臺上的Linux驅動程序設計。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201809/388986.htm

1 Video4Linux
V4L是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎。Linux在TV、多媒體上的應用是目前相當熱門的研究領域，而其中最關鍵的技術則是Linux的V4L。V4L是Linux kernel里支持影像設備的一組APIs，配合適當的攝像頭與攝像頭驅動程序，可以讓我們實現(xiàn)影像采集、AM／FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能；而目前最主要的則是應用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應用范圍相當廣泛，例如：遠距離教學系統(tǒng)、遠距離診斷系統(tǒng)、視頻會議等。
目前，V4L這套接口已發(fā)展為V4L 2，前者比后者簡單，但存在兩個不足之處：驅動程序設計時不能同時打開多個設備；現(xiàn)存的V4L API不能很好地支持帶編碼能力的設備。本文為便于研究攝像頭驅動開發(fā)，還是使用V4L。
V4L主要結構體如下：

camera_open，camera_close是打開和關閉視頻采集設備；camera_read，是讀取視頻圖像；視頻驅動主要的控制接口都是通過 ioctl來實現(xiàn)的，如圖像的格式、亮度、色度等信息都是通過ioctl函數獲取和設置的。ioctl命令部分如下：

V4L支持兩種方式捕獲圖像：mmap(卻嬗成浞絞?和read(直接讀取方式)，本系統(tǒng)采用mmap。需預先設置好圖像的大小和深度，接著使用 VIDIOCGMBUF命令，它會返回用于mmap的緩存(buffer)的大小以及每幀緩存的偏移地址(offset)。驅動程序里的映射函數為 static intbf536_v411_mmap(Struct file*filp，structvm_area_struct*vma)；抓幀完成后，在應用程序里通過內存映射，讀取圖像數據。

2 硬件平臺
本系統(tǒng)采用CMOS模擬傳感器，經TI公司的TVP5150A視頻解碼芯片把模擬信號轉成 ITU-R BT．656視頻信號，再送給ADI公司的Blackfin536 DSP處理器進行圖像處理，如圖1所示。TVP5150向DSP提供采樣時鐘信號CLK(27MHz)，8根數據線傳輸內嵌同步控制碼流的ITU-R BT．656格式的數據，DSP通過I2C接口對視頻解碼器進行配置。視頻數據由DMA搬運到SDRAM。

3 驅動程序設計
3．1 驅動程序核心結構體的介紹
本系統(tǒng)的軟件平臺是嵌入式uclinux，因此，攝像頭作為一個設備驅動加載到uclinux內核中。一般而言，每個設備驅動都會有它的核心結構體，攝像頭驅動的核心結構體設計如下：struct camera device

該結構體儲存了幾乎全部與攝像頭視頻圖像相關的信息。其中的結構體videoDev和videoV4l1是與V4L相關聯(lián)的，ppiDev是與ADSP- BF537處理器硬件配置相關的，而frame[CAMERA_NUMFRAMES]則與采集時當前視頻幀數據相關聯(lián)。此外，camera_device 該核心結構體還定義了表示奇偶場的成員變量frame_field，表示當前幀的抓取狀態(tài)的成員變量grabbing等。
3．2 硬件配置
本系統(tǒng)在開發(fā)過程中，最主要的難點在于硬件的配置，正確配置TVP5150、PPI、DMA需要搞清楚整個攝像頭的工作原理，以及各種圖像格式的基本知識。本文主要給出PPI和DMA的幾個關鍵配置選項。
3．2．1 PPI配置
TVP5150A視頻解碼芯片把模擬信號轉換成ITu-RBT．656視頻信號，ITU-R BT．656是4：2：2并行接口的數字演播室標準。對于PAL制系統(tǒng)(NTSC系統(tǒng)類似)，一幀圖像包括兩場視頻數據(奇偶場)，每一場圖像由四部分構成：有效視頻數據，水平消隱，垂直消隱以及控制字。而PPI接口在ITU-656輸入模式下可以支持3種數據傳輸，若選擇有效視頻數據，則可以實現(xiàn)PPI 與TVP5150A解碼器的無縫連接。且傳輸的有效視頻數據就是UYVY422格式，所以配置PPI控制寄存器為ITu-656輸入、傳輸有效視頻數據。 PPI傳輸的有效視頻數據每場都由288行組成，每行有1440個取樣字，其中720個亮度Y取樣字，360個藍色色差Cb，360個紅色色差Cr，按 Cb、Y、Cr、Y的次序排列。而UYVY422格式數據是：每個像素點都取亮度值，而藍色色差和紅色色差是每兩個像素點才各取一個，兩者交替取，所以圖像像素是720×576。這樣可以確定ppi frame=576(整幅圖像的行數)。而ppi count不用配置，因為在ITU-R BT．656視頻信號中有H和V信號。
3．2．2 DMA配置
本系統(tǒng)采用二維DMA來提高數據的傳輸速度，采用16位傳輸，且傳輸完一場視頻數據后產生中斷。dma_x_count=720(相當于每行數據需傳輸的次數，每行720個像素點，每個像素點2個字節(jié)。每行要傳720×2個字節(jié)，而dma是16位傳輸，所以x_count=720)。 dma_x_modify=2(相鄰兩次傳輸數據的偏移地址，以字節(jié)為單位，因為是16位傳輸，所以為2)。
由于PAL制視頻數據是隔行掃描，每幀分為奇偶兩場，兩場在時域上是分開的，但是在數據處理時需要將兩場合成一幀進行處理，因此為了減少CPU的處理時間，可以利用DMA直接進行場合成。在一場的傳輸中，DMA在傳輸完一行數據后，預留下一行的存儲空間，將數據存放到第三行的地址。在一場數據傳輸完后，下一場的數據就填充上一場預留的存儲空間，也是隔行存儲，這樣兩場數據就合成一幀數據了。所以，dma_y_modify=1442(一行720像素點，占720×2字節(jié)。而一行末地址到下一行首地址還需2字節(jié)。所以720×2+2=1442)。同時，兩場數據存放的起始地址的設置間隔也是1442字節(jié)。
3．3 中斷服務子程序
本系統(tǒng)的中斷服務子程序主要是一場數據采集完后，產生中斷，并根據數據的奇偶場做出相應的處理。其流程如圖2所示。