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嵌入式ARM的图像采集与传输设计

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发表于 2010-5-19 20:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
老杨团队,追求完美;客户至上,服务到位!
本文在基于嵌入式Linux系统平台上,采用USB摄像头捕捉视频信号,利用V4L内核应用编程接口函数,实现了视频连续帧图像的采集,并保存成文件的形式利用无线传输方式传输给接收端。这里着重讨论视频采集发送端的实现。: \' h4 R5 l6 g# B7 p5 \6 |6 j
  1 系统组成1 O$ q) C, h7 P
  1.1 统的硬件构成
5 i$ s! k; r9 t1 `8 K  本系统包括发送端和接收端2部分,两部分均采用Samsung公司生产的S3C2410处理器做硬件开发平台。S3C2410在片上集成了丰富的组件:分开的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache、用于虚拟存储器
3 G0 b/ z8 V; w! Q
5 e* ^$ h/ g. y' K! l2 l管理的MMU、支持STN和TFT的LCD控制器、NAND Flash启动装载器、具有片选逻辑和SDRAM控制器的系统管理器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、I2C
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总线接口、I2S总线接口、USB主设备、USB从设备、SD卡和MMC卡接口、2通道的SPI以及PLL时钟发生器,还采用了AMBA(advanced micrcocontroller bus architecture)新型总线结构。
6 [" w; i! ]0 i, b5 Y4 q+ J( l8 d$ w  应用S3C2410处理器平台搭建的发送端硬件结构如图:包括S3C2410处理器、RS232接口、JTAG接口、RJ-45接口、SDRMA、Flash、电源、通过USB口连接的视频采集模块和通过USB接口连接的视频发射0 g% T% ]6 J6 P+ w9 t
1 K: \+ m5 S2 U& B; r& o
模块。RS232串口用于人机交互及低速数据的收发,应用电平转换芯片MAX-323进行串口电平和TTL/CMOS电平的转换。JTAG接口用于下载Bootloader。RJ-45接口用于和以太网连接,下载操作系统Linux内
# U4 `3 e6 i3 D2 \/ q& s: m; t+ s# t/ \/ ?. Q) }
核、根文件系统和应用软件。SDRMA用于系统的数据存储器、Flash用于系统的程序存储器。应用S3C2410处理器平台搭建的接收端硬件电路:与发送终端相比,多了SD卡和LCD显示器。SD卡主要用来存储
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$ o( L  _" l& T) c数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。
% Y! d$ _/ z  ], E  \( p  1.2 系统软件设计
3 C5 O  T, n# p, B  系统的软件构成分为引导驱动程序、操作系统、文件系统和应用程序4部分。引导驱动程序在系统启动时进行内存重映射,将保存在Flash中的操作系统和应用程序重新映射到SDRAM中。Linux的内核
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版本为LinIix2.6。文件系统是Yaffs,它包括模块、配置文件和库等。系统的应用程序建立在嵌入式Linux内核、摄像头驱动和文件系统之上。3 R. z  X& W" [" h' E" @  j* w( ]
  2 视频采集的具体实现
( t: n7 C# b8 l3 v2 |. F  USB摄像头连接简单、使用灵活、价格低廉且具有良好的性能,因此,得到了广泛的应用。Linux内核包含了多种USB摄像头驱动,最常用的有基于OV5ll及其兼容芯片。OV511芯片主要包括CAMERA接口' h- [0 }3 o+ C$ j9 U3 t3 s

6 \1 a$ O3 I  U% y" P! h、DRMA接口、ISO FIFO接口和OmniCE以及USB控制器等部分。本设计使用的是在低端市场占有率较高的中芯微公司生产的ZC030x系列摄像头芯片。Linux系统中的视频子系统’Vide04linux为视频应用程序
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提供了一套统一的API,视频应用程序通过调用API即可操作各种不同的视频捕获设备,包括电视卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。本设计的具体实现过程如下所述:# g1 Y! h4 m) U# `$ y$ E
  2.2 利用Vide041inux实现图像采集: ]/ V1 Y: K' d  F- T- h) i
  在安装了图像采集设备驱动后,只需要再编写一个对视频采集的应用程序就可以采集视频图像。在Linux系统中,视频文件是设备文件,可以像访问普通文件一样对其进行读写,摄像头文件一般是/8 E# E8 x5 O1 f7 g- N

3 Q! b: r" s$ E0 \/ D# cdev/v4l/video。在进行视频捕捉之前,需要做一些必要的设置工作。这些设置涉及到如下结构:
& N0 n4 ~4 y- n( X  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
% r7 a  C: ^; M" X1 A  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);8 v4 I) F! b$ t+ o! x, }  k
  If(fd<O)return-l;$ P+ B, b9 |  D  O3 o  m  K
  接着对摄像头参数进行设置。一般是先通过I/O控制命令读取设备信息,然后对特定项进行修改,最后通过I/O控制命令保存到内核中。由于篇幅有限源程序不再赘述。
8 u" N3 h8 ^& P& g( ^8 H  获取基本信息后,可以输出显示,也可以通过ioctl系统调用对这些值进行修改。然后调用函数Char*Carmera_get_image(video_device*vd)获得图像数据指针。此函数比较重要,关系到图像采集的
2 M# l' {3 M6 Q6 O+ g, |* D% L9 `9 F( j* g% ~
效率。获取图像数据有2种方法:一是通过映射得到视频驱动的数据缓冲,然后直接对映射后的缓冲进行读操作;二是直接读设备,及调用read函数。下面分别介绍:' K* B3 E- z' y  g  f' |
  (1)read系统调用方式比较简单,只需将前面得到摄像头参数传入read函数中,得到图像数据指针picture_p后返回即可:read(vd->fd,picture_p,width*hight);其中vd_>fd为设备文件描述符。
+ u( N0 s  ?' O+ _, b$ c$ M$ s  (2)利用mmap方式先使用ioctl(fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息,之后修改voideo_mmap中的设置,例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式,使用7 |8 Z8 j) L' R7 Y5 Q
  j3 V; F# C3 [* Y" I1 v- x
如下语句:
) z# J/ K) w4 ~2 s# Q8 J  grab_buf.height=240;+ N, |: p8 G1 S( c) p2 N
  grab_buf.width=320;
4 E# l8 P% q! h7 r1 S# S  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
' L" f  a6 V+ N) q  接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区,具体使用grab_data=(unsigned char*)mmap(O,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grab_fd,O)操作。这样设备文件的内容就映射# v  p* T* z0 {& q, f
. o  |4 d" A+ {
到内存区,该映射内容区可读可写并且不同进程间可共享。该函数成功时返回图像数据的指针,失败时返回值为-1。
: z& e6 ~+ v4 z# k  v# p$ o  2.1 摄像头驱动的实现
5 {5 X6 u2 D$ Y/ R; O( o7 Y  1)配置Vide04linux内核1 @2 d/ @" _* a' ]( ?  \* M, b: E
  在终端使用make menuconfig命令打开S3C24lOlinux内核编译的main menu窗口,并进入“multimedia device--->”菜单选项,然后将Video for Linux配置为模块,即:
$ K3 Z3 x9 r% c0 Q& @  Device driver--->
1 h1 H4 {! b$ B5 s- A% Q  Multimedia devices--->" L+ F4 T, P" P8 Y9 W: C0 y( v
  <*>Video for linux+ Y  T' P1 w+ U1 o* @2 y
  2)配置OV511驱动
/ ?5 B0 O0 h1 P- s. W: Z) @5 y/ r  返回主菜单,在进入“USB support--->”菜单选项,然后将USB OV5llcamera support设置为模块,即:
* V0 @" N/ ~- h" T  SUB suppor--->+ f% i& q0 X4 r  R1 D
  <*>USB OV5llcamera support(NEW)/ q2 K. t- x- O0 V  f! |  M
  3)模块安装
' a' p4 y, F& K% H) R! }  执行以下命令安装视频输入模块:) I- L. x+ t2 x2 P& K- _
  insmod videodev.o
' z& n7 P- y8 Z% v  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:
" E6 F, w7 E) y# x3 f9 v3 l+ ^  insmod usbcore.o
% B; H8 p+ ]$ O5 M8 x  insmod usb-ohci-s3c2410.ko
4 Y4 N* J( S* X! C' s  insmod ov511.o( @  f4 L: o8 f( M% _' `2 }. K" ?
  由于使用的设备是USB接口的摄像头,所以在加载ov511.o模块前,需要加载USB内核驱动和主机控制器驱动。7 f3 k; Z' d8 G9 S2 L. [
  3 无线传输模块
5 T+ l& S. e: q* Q+ G  本系统选用西门子的MC235作为GPRS通信模块,来实现图像的无线传输。该模块结合语音、数据传输、短信服务等功能,最大传输速率可以达到85.6 Kbps,具有丰富的AT指令使模块与微处理器通信,功能强大,操作灵活方便,特别适用于数据的监测和传输。在进行GPRS传输操作之前需对模块进行设置,主要有:(1)设置通信波特率;(2)设置接入网关;(3)设置移动终端类别;(4)测试GPRS服务是否开通,激活GPRS功能。这些设置都在主程序的初始化代码段完成。通过测试,GPRS驱动正常工作,能很好地支持数据/命令复合协议传输,其协议的丢包率、吞吐量等性能指标与无线模块的指标无实质性差别,整个系统工作正常,基本达到设计要求。7 i9 Z6 W# m+ d  B2 ^& P& V% x7 {
转自:http://www.3gtarena.com/
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