關(guān)鍵字:嵌入式Linux S3C2410 內(nèi)存映射 視頻采集
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在單片機(jī)領(lǐng)域也發(fā)生著日新月異的改變,如高速信號(hào)處理器、SoC片上系統(tǒng)等新技術(shù)、新應(yīng)用如雨后春筍般蓬勃發(fā)展起來(lái)。在現(xiàn)實(shí)生活中經(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)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用需求,結(jié)合圖像采集壓縮編碼、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等幾方面的新技術(shù),設(shè)計(jì)了一套嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng),用以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸。該系統(tǒng)基于S3C2410的ARM920T芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng),采用USB攝像頭捕捉視頻,經(jīng)MPG440芯片壓縮編碼,系統(tǒng)直接與網(wǎng)絡(luò)相連,用戶(hù)使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和流媒體播放程序即可查看遠(yuǎn)程視頻影像。
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。其中,主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作。DATAFLASH中固化了嵌入式Linux內(nèi)核及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM作為內(nèi)存供系統(tǒng)運(yùn)行使用。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM組成,負(fù)責(zé)將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。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、視頻采集與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。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負(fù)責(zé)將采集到的視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。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、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、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個(gè)USB接口控制器、2路SPI,主頻最高可達(dá)203 MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上,還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展,平臺(tái)配置了16 MB,16位的FLASH和64 MB,32位的SDRAM。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。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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)。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限,因此不能直接把Linux作為操作系統(tǒng),要針對(duì)具體的應(yīng)用通過(guò)配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式C庫(kù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制,使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的FLASH中。Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載,使 Linux的裁減極為方便,高度模塊化的部件使添加非常容易。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(hù)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。根據(jù)不同模塊的具體功能采用不同的文件系統(tǒng),如:bootloader,kernel,ramdisk等,移植完成后不需要?jiǎng)討B(tài)改變,使用較節(jié)省空間的ROM-FS只讀文件系統(tǒng);user模塊內(nèi)放置一些可以動(dòng)態(tài)更新的配置文件等,需要進(jìn)行較多的讀寫(xiě)操作,所以使用支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存的JFFS2文件系統(tǒng)?;贚inux的上述優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)使用操作系統(tǒng)μclinux。通常嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)采用交叉編譯調(diào)試方式。宿主機(jī)通常為Intel處理器,而目標(biāo)板如圖1所示為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。采用移植性很強(qiáng)的C語(yǔ)言在宿主機(jī)上編寫(xiě)視頻采集程序,再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯鏈接生成可執(zhí)行代碼,最后向目標(biāo)平臺(tái)移植。
Linux移植技術(shù)已經(jīng)成熟,在此不做詳細(xì)闡述,主要介紹USB攝像頭驅(qū)動(dòng)、基于V4L設(shè)計(jì)的視頻采集模塊和JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的程序設(shè)計(jì)。
3.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)
搭建好嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境后,第一步工作就是USB攝像頭的安裝與驅(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),它是針對(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(fǎng)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。
確定USB攝像頭被正常驅(qū)動(dòng)后,下一步就是使用Video4Linux提供的API函數(shù)集來(lái)編寫(xiě)視頻采集程序。
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下的視頻采集過(guò)程如圖2所示。
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(fǎng)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(xiàn)程共享數(shù)據(jù)。
剩下的還有設(shè)備初始化、參數(shù)設(shè)備等相關(guān)函數(shù),這里不再詳述。
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。與其他標(biāo)準(zhǔn)相比,MPEG-4壓縮比更高,節(jié)省存儲(chǔ)空間,圖像質(zhì)量更好,特別適合在低帶寬條件下傳輸視頻,并能保持圖像的質(zhì)量。對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮編碼以后,接下來(lái)就要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的功能。
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),他完全遵循RFCl889設(shè)計(jì),下面講述如何在Linux平臺(tái)上運(yùn)用RTP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程。
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(huà),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(huà)所采用的端口號(hào)。
3.4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送
當(dāng)RTP會(huì)話(huà)成功建立起來(lái)之后,接下來(lái)就可以開(kāi)始進(jìn)行流媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸了。首先需要設(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(huà)存在多個(gè)目標(biāo)地址,這可以通過(guò)調(diào)用RTPSession類(lèi)的AddDestination()、DeleteDestination()和 ClearDestinations()方法來(lái)完成。目標(biāo)地址全部指定之后,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
對(duì)于流媒體數(shù)據(jù)接收端,首先需要調(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(huà)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。在從RTP會(huì)話(huà)中檢測(cè)出有效的數(shù)據(jù)源之后,接下去就可以調(diào)用RTPSession類(lèi)的Get-NextPacket()方法從中抽取RTP數(shù)據(jù)報(bào),當(dāng)接收到的RTP數(shù)據(jù)報(bào)處理完之后,要及時(shí)釋放。
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()方法可以設(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,并且還會(huì)在需要的時(shí)候發(fā)送RTCP數(shù)據(jù)報(bào),從而能夠確保整個(gè)RTP會(huì)話(huà)過(guò)程的正確性。在系統(tǒng)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,并且把他封裝在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)
因?yàn)橄到y(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)?,所以軟硬件成本低廉,體積小巧,整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn),而且監(jiān)控距離可隨網(wǎng)絡(luò)延伸不斷加長(zhǎng),具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景??蓴U(kuò)展應(yīng)用在工業(yè)控制、視頻會(huì)議系統(tǒng)、可視電話(huà)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。