基于ARM+Linux的視頻采集編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：本文設(shè)計(jì)了嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻采集端。提出了基于 ARM Linux的視頻采集編碼設(shè)計(jì)方案，采用 S3C2440 作為主處理器，選用 OV511+OV7650 構(gòu)造USB 攝像頭進(jìn)行視頻采集。介紹了USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)以及視頻原始碼流采集的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。由于嵌入式Linux在各種視頻設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，故設(shè)計(jì)具有一定的通用性。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式;Linux;視頻采集;S3C2440

　　引言

　　嵌入式系統(tǒng)由于其體積小可便攜，較 PC機(jī)而言很有優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些基于PC機(jī)的應(yīng)用也得以在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。由于 USB 接口攝像頭價(jià)格低廉，性能較好，即插即用，加上Linux下有Video4Linux標(biāo)準(zhǔn)支持對(duì)其編程，很容易集成到嵌入式系統(tǒng)，因此嵌入式系統(tǒng)視頻采集設(shè)備通常用 USB 接口攝像頭。

　　1 芯片介紹

　　S3C2440 處理器采用ARM920t內(nèi)核，0.13um的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，支持高速總線(xiàn)和異步總線(xiàn)模式;具有 1G字節(jié)尋址空間;支持外部等待信號(hào)延長(zhǎng)總線(xiàn)周期;支持掉電時(shí)SDRAM 自刷新模式;支持從 NAND flash存儲(chǔ)器啟動(dòng);采用 4KB 內(nèi)部緩沖器進(jìn)行啟動(dòng)引導(dǎo)。采用寫(xiě)穿式(write-through)或?qū)懟厥?write-back)cache 操作來(lái)更新主存儲(chǔ)器;寫(xiě)緩沖器可以保存 16個(gè)字的數(shù)據(jù)和 4 個(gè)地址[1]。

　　OV511 是高性能攝像機(jī)到 USB 接口單片控制芯片，它極大的簡(jiǎn)化了單片 CMOS 圖像傳感器和USB 的接口，其片上增加256K DRAM 和一個(gè) USB 收發(fā)器，可以很容易構(gòu)成基于USB 的視頻子系統(tǒng)。OV511 最大視頻傳輸設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能夠以更加實(shí)時(shí)的方式獲取大量的視頻信息[2]。

　　OV7650是高集成度高分辨率的 COMS 圖像傳感器，它將所有攝像功能和矩陣處理功能都集成在片上。其像矩陣位 640*480 像素(30 萬(wàn)像素)，支持VGA，QVGA ，CIF，QCIF四種分辨率，可進(jìn)行編程控制[3]。

　　2 攝像頭硬件

　　視頻采集部分由 OV511 和OV7650組成。通過(guò) SCCB 總線(xiàn)初始化OV7650和OV511 ，將OV7650設(shè)置為 CIF 采集，輸出YUV422 數(shù)據(jù)流;將 OV511 配置為YUV422 格式輸入，輸出為YUV420 數(shù)據(jù)流。OV511 提供OV7650所需的控制信號(hào)，并接受來(lái)自 OV7650的同

　　步輸出信號(hào)并將輸入圖像數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)置的 USB 控制器和外接的 USB 收發(fā)器經(jīng)USB 總線(xiàn)送入ARM，然后進(jìn)行壓縮編碼、發(fā)送等處理，其硬件框圖見(jiàn)圖 1。

　　3 USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成 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)了的細(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，可以使用和操作文件中相同的、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)調(diào)用函數(shù)[4]。

　　Linux 視頻采集設(shè)備的正常運(yùn)行依賴(lài)于對(duì) Video4Linux標(biāo)準(zhǔn)的支持。Video4Linux設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序需要提供基本的 I/O 操作接口函數(shù) open ，read ，write和對(duì)中斷處理的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O 通道的控制接口函數(shù) ioctl 的實(shí)現(xiàn)等，并把它們定義在 struct video_device中。所以首先在驅(qū)動(dòng)程序中聲明一個(gè) video_device 結(jié)構(gòu)，并為其指定文件操作函數(shù)指針數(shù)組fops 向系統(tǒng)注冊(cè)。應(yīng)用程序發(fā)出文件操作的相關(guān)命令時(shí)，Linux 內(nèi)核根據(jù)這些指針調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，并將該結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給它們，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與內(nèi)核之間的通信。

　　Linux 內(nèi)核是依據(jù)設(shè)備號(hào)來(lái)操作設(shè)備文件的，內(nèi)核中攝像頭對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件名為/dev/video，主設(shè)備號(hào)是81，次設(shè)備號(hào)根據(jù)攝像頭數(shù)目來(lái)確定，本系統(tǒng)中僅使用一個(gè)攝像頭。因此沒(méi)有此設(shè)備號(hào)，所以可以通過(guò)mknod /dev/video0 c 81 0來(lái)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)程序原理如圖2。