基于VxWorks的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

多媒體通信技術(shù)的發(fā)展為信息的獲取和傳輸提供了豐富的手段，視頻數(shù)據(jù)是其中不可缺少的重要組成部分，而視頻數(shù)據(jù)的獲取離不開視頻采集系統(tǒng)。目前，視頻采集系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，許多產(chǎn)品和設(shè)施，例如遠(yuǎn)程監(jiān)控、可視電話、會議電視等等，都需要采集視頻信息。而且，隨著pc機(jī)的普及，人們可以直接利用pc機(jī)進(jìn)行視頻采集，采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后保存在本地或者發(fā)送到遠(yuǎn)方。由于視頻的采集、處理和傳輸都在一臺pc機(jī)上完成，因此可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和價格。

我們設(shè)計的視頻采集系統(tǒng)是基于intel x86平臺和實時操作系統(tǒng)vxworks，由視頻采集卡和驅(qū)動程序兩部分組成，如圖1所示。視頻采集卡完成視頻數(shù)據(jù)采集和格式轉(zhuǎn)換，驅(qū)動程序在系統(tǒng)啟動時對硬件進(jìn)行初始化，在系統(tǒng)啟動之后實現(xiàn)硬件和應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交互?？紤]到視頻的數(shù)據(jù)量極大，視頻采集卡通過pci高速總線與計算機(jī)相連。

2 視頻采集卡的設(shè)計

為了將由攝像頭輸入的模擬視頻轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠接受和處理的數(shù)字視頻，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、同步提取、亮色分離等多個步驟。而為了將數(shù)字視頻傳送到pc機(jī)的內(nèi)存中，還需要一定數(shù)量的fifo、總線接口和相應(yīng)的控制邏輯。這原本是一個比較復(fù)雜的過程，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家通過不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，目前已經(jīng)能夠在單個芯片上實現(xiàn)所有這些功能。conexant公司的bt848就是這樣的一種芯片，圖2給出了其功能框圖。

對于在pci總線上進(jìn)行ntsc/pal/secam視頻捕獲的應(yīng)用來說，bt848是一種完整的低價格解決方案。作為一種總線主控設(shè)備，bt848不需要任何本地緩存來存儲視頻像素數(shù)據(jù)，這樣就極大地降低了硬件價格。bt848能夠充分利用基于pci總線的系統(tǒng)的高帶寬和固有的多媒體功能，并且能夠與其他多媒體設(shè)備實現(xiàn)互操作，這樣就能夠以模塊的方式在系統(tǒng)中添加視頻采集和疊加功能，而花費甚少。bt848的使用與pci系統(tǒng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無關(guān)，可以用于各種系統(tǒng)總線的組織結(jié)構(gòu)，既可以直接集成在主板上，也可以作成插卡插在pci總線插槽內(nèi)。

bt848的主要特點是：與pci 2.1規(guī)范全兼容，擁有輔助的gpio數(shù)據(jù)端口和視頻數(shù)據(jù)端口，支持的圖像分辨率高達(dá)768×576，支持復(fù)雜的裁剪功能，零等待狀態(tài)的pci突發(fā)寫操作，支持場/幀屏蔽以減少帶寬，在輸出方面支持多種ycbcr和rgb像素格式，支持ntsc/secam/pal模擬輸入，可以使用垂直/水平方面的插值濾波將圖像尺寸縮小到圖標(biāo)大小，具有多個復(fù)合和s視頻輸入，支持奇偶場不同的目的地址，支持奇偶場不同的顏色空 間/縮放因子，支持225個顏色調(diào)色板的視頻映射，具有用于圖文電視的vbi視頻捕獲功能。這些特點使bt848適用于pc電視、桌面可視電話、運動視頻捕獲、靜止圖像采集和vbi數(shù)據(jù)服務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域。

bt848高度集成的結(jié)構(gòu)使其外圍電路極其簡單，也便于在同一塊插卡上增加更多的功能，例如視頻數(shù)據(jù)加密。視頻采集卡的結(jié)構(gòu)如圖3所示。一塊bt848最多支持4路模擬視頻輸入，其中3路是復(fù)合視頻信號，1路是s視頻信號。4路視頻輸入在bt848內(nèi)部完成復(fù)用。bt848通過內(nèi)部的pci接口直接與pci總線相連。單片機(jī)通過fifo與bt848的gpio端口相連，單片機(jī)軟件與主機(jī)上的軟件一起實現(xiàn)視頻采集系統(tǒng)的加密。控制邏輯控制bt848和fifo的時序，同步pci總線、bt848與單片機(jī)的操作。

3 驅(qū)動程序的編寫

應(yīng)用程序必須通過驅(qū)動程序才能與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而驅(qū)動程序的編寫又是與操作系統(tǒng)密切相關(guān)的。本系統(tǒng)所使用的操作系統(tǒng)是實時操作系統(tǒng)vxworks。

vxworks是由wrs（wind river systems）公司開發(fā)的一套具有微內(nèi)核高性能可伸縮的實時操作系統(tǒng)，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并能夠根據(jù)用戶的需求進(jìn)行組合，其開放式的結(jié)構(gòu)和對工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持使開發(fā)者只需做最少的工作即可設(shè)計有效的適合于不同用戶要求的實時操作系統(tǒng)。vxworks的特點主要有：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（最小結(jié)構(gòu)<8kb），高效的任務(wù)管理，靈活的任務(wù)間通信，微秒級中斷處理，符合posix 1003.1b實時擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，滿足tcp/ip網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，靈活的從rom、磁盤或網(wǎng)絡(luò)的引導(dǎo)能力，多處理器支持，快速、靈活的i/o系統(tǒng)，ms-dos和rt-11文件系統(tǒng)，完全符合ansi c標(biāo)準(zhǔn)，多于1100種功能例程。除了性能出眾的操作系統(tǒng)之外，wrs公司還提供了優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)開發(fā)工具tornado。tornado由三個高度集成的部分組成：tornado工具，是一整套強(qiáng)有力的交叉開發(fā)工具；vxworks運行時系統(tǒng)，是運行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁剪的實時操作系統(tǒng)；連接目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)的通信選項，如以太網(wǎng)、串行線路、在線仿真或rom仿真等。tornado能夠支持幾乎所有的工作平臺和目標(biāo)處理器，所提供的工具可用于所有目標(biāo)機(jī)，并具有兩種調(diào)試模式（系統(tǒng)和任務(wù)模式）。除了基本的功能和開發(fā)工具，tornado還具有先進(jìn)的系列網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，極大地擴(kuò)展了tornado的網(wǎng)絡(luò)特性并增強(qiáng)了嵌入式微處理器的網(wǎng)絡(luò)特性。

vxworks的所有機(jī)制和功能都是基于“c子程序”這種簡單機(jī)構(gòu)，即：vxworks的所有功能都是由c程序庫提供的，任何c程序都能夠從tornado的命令和調(diào)試環(huán)境中交互式地調(diào)用，任何c程序都能夠作為vxworks的一個任務(wù)從tornado主機(jī)工具或者應(yīng)用程序中產(chǎn)生，c程序能夠與中斷、看門狗定時器或輔助定時器相連。vxworks的這種統(tǒng)一性使tornado成為一種有效的開發(fā)系統(tǒng)，因為用戶不必再編寫特殊的代碼來與系統(tǒng)陷阱接口，也不需要進(jìn)行特殊的處理來建立一個任務(wù)，更不需要編寫特殊的用戶接口程序或交互式的測試程序來測試新代碼，用戶只要編寫子程序就能夠完成所有這些工作。

vxworks的這些特性為編寫應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序提供了極大的便利。在vxworks下，設(shè)備驅(qū)動程序既可以嵌入內(nèi)核隨系統(tǒng)一起啟動，也可以作為可加載模塊在系統(tǒng)啟動之后運行。前一種方式需要修改并重新編譯內(nèi)核，這需要熟悉內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)起來比較困難。而后一種方式則比較簡單，與編寫一般的應(yīng)用程序類似。但是，無論采用哪種方式編寫驅(qū)動程序，其基本結(jié)構(gòu)是相同的，如圖4所示。

pci總線是一種即插即用的總線，在bios和操作系統(tǒng)的支持下，能夠自動地為設(shè)備分配合適的內(nèi)存映射地址、i/o端口和系統(tǒng)中斷控制器的輸入（irq）。bt848支持兩類地址空間：配置地址空間和內(nèi)存地址空間。配置地址空間包括預(yù)定義的pci配置寄存器，而內(nèi)存地址空間包括bt848使用的所有局部寄存器。初始化pci總線就是設(shè)置pci配置空間所定義的寄存器，實現(xiàn)主機(jī)與pci局部總線之間的接口，其過程是：首先在系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)備標(biāo)識（bt848）和供應(yīng)商標(biāo)識（brooktree）找到設(shè)備的位置，確定其總線號、設(shè)備號和功能號；然后根據(jù)總線號、設(shè)備號和功能號確定設(shè)備的基地址和irq，這個基地址就是bt848局部寄存器的起始地址，而irq在連接中斷服務(wù)程序時使用；接著將設(shè)備的局部寄存器映射到系統(tǒng)內(nèi)存中，供以后設(shè)置局部寄存器使用；最后設(shè)置命令寄存器以控制bt848產(chǎn)生和響應(yīng)pci周期的能力，例如使系統(tǒng)能夠響應(yīng)對內(nèi)存空間的訪問，使bt848成為總線操作發(fā)起的一方，使系統(tǒng)報告校驗錯等等。

bt848的中斷屏蔽寄存器int_mask中的設(shè)置決定了系統(tǒng)能夠響應(yīng)哪些中斷，中斷服務(wù)程序為不同的中斷源提供相應(yīng)的處理代碼。中斷服務(wù)程序的編寫必須遵循一定的規(guī)則，最主要的一點就是不能造成系統(tǒng)阻塞而影響系統(tǒng)性能。中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡量簡潔短小，使其能夠盡可能快速地返回。在中斷服務(wù)程序中不能有運行時間過長的代碼，也不能出現(xiàn)對某些共享資源進(jìn)行某種訪問（例如試圖獲取信號量）的代碼。編寫完中斷服務(wù)程序之后，利用初始化pci總線時獲得的irq和操作系統(tǒng)提供的函數(shù)將中斷服務(wù)程序與中斷矢量連接起來。

bt848的局部寄存器駐留在4kb的內(nèi)存尋址空間中，必須通過pci總線才能訪問。通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器，就能夠控制bt848的行為。通常，需要設(shè)置的內(nèi)容包括：輸入電視信號制式（pal或ntsc），輸入信號源（mux0、mux1或mux2），行同步，場同步，輸出格式（ccir 601、cif或qcif），圖像放大或縮小參數(shù)，圖像濾波參數(shù)，亮度、色度和對比度調(diào)節(jié)等等。

t848中集成的dma控制器非常獨特，它實際上是一個小risc處理器，其運行的指令（即risc程序）位于主機(jī)內(nèi)存中并由bt848的設(shè)備驅(qū)動程序提供。由于這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒉杉降囊曨l數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中，從而大大地方便了視頻采集系統(tǒng)的實現(xiàn)。在這種結(jié)構(gòu)中，dma能夠動態(tài)地逐行改變目標(biāo)內(nèi)存地址，這就使用戶能夠?qū)⒚恳粠曨l數(shù)據(jù)分成不同的部分放在多個內(nèi)存區(qū)域中。risc程序的起始地址放在bt848的risc程序起始地址寄存器risc_strt_add中。bt848提供的risc指令包括：寫入write、略過skip、同步sync和跳轉(zhuǎn)jump，利用這些指令就能夠控制數(shù)據(jù)流，得到所需要的數(shù)據(jù)。risc程序的基本流程是：幀同步→寫入奇場→偶場同步→寫入偶場→奇場同步→跳轉(zhuǎn)至寫入奇場。

系統(tǒng)啟動是通過設(shè)置gpio和dma控制寄存器中的risc使能位和fifo使能位來實現(xiàn)。將risc使能位置為1使dma控制器能夠處理risc指令，將fifo使能位置為1使數(shù)據(jù)fifo有效。在將這兩位置為1后，視頻采集開始進(jìn)行。

在整個系統(tǒng)中，由于視頻采集的速度通常高于應(yīng)用軟件取得數(shù)據(jù)并處理的速度，為了保證視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用了三緩存結(jié)構(gòu)。緩存a是bt848視頻采集的目標(biāo)地址，在risc指令的直接控制下，采集的數(shù)據(jù)都先存放在這個緩存中。緩存b和c組成“乒乓”式結(jié)構(gòu)，循環(huán)往復(fù)使用：當(dāng)某一幀數(shù)據(jù)采集完畢后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中將緩存a的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存b（或c）中，然后采集下一幀；當(dāng)下一幀數(shù)據(jù)采集完后，再將緩存a中的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存c（或b）中。當(dāng)應(yīng)用程序需要數(shù)據(jù)時，就從緩存b或c中讀取最新的一幀圖像。緩存b和c交替使用，能夠保證應(yīng)用程序從緩存讀數(shù)據(jù)的操作和驅(qū)動程序向緩存寫數(shù)據(jù)的操作不會發(fā)生沖突，避免了數(shù)據(jù)的損壞和遲延。

4 結(jié)論

利用bt848，在intel x86平臺和實時操作系統(tǒng)vxworks上實現(xiàn)了視頻采集系統(tǒng)。由于bt848的高度集成特性，其外圍電路極其簡單，設(shè)計硬件電路時極其方便，同時性能也能夠得到保證，而且可以靈活地增加其他功能。而vxworks優(yōu)異的性能和方便的接口也便于編寫設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件，其性能完全能夠滿足要求。目前，所實現(xiàn)的視頻采集系統(tǒng)已經(jīng)在視頻監(jiān)控和可視電話中獲得應(yīng)用。