摘    要：本文介紹了在嵌入式Linux系統(tǒng)下開發(fā)USB攝像頭圖像采集系統(tǒng)的方法，給出了基于Intel Xscale PXA255處理器的嵌入式圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)如何編寫符合Video for Linux 標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭圖像采集程序進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞：Video for Linux；USB攝像頭；USB驅(qū)動(dòng)
引言
嵌入式Linux操作系統(tǒng)同目前廣泛應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)如pSOS、VxWorks、winCE相比，具有可移植性好、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)、有的GNU編譯工具支持等優(yōu)點(diǎn)。更重要的是Linux的開放源代碼和的優(yōu)點(diǎn)使得系統(tǒng)成本顯著降低。一流的程序設(shè)計(jì)和開發(fā)加上測(cè)試的開放性使得Linux系統(tǒng)非?？煽亢头€(wěn)定，因而越來(lái)越多的人開始使用Linux開發(fā)應(yīng)用程序。Intel Xscale PXA255處理器是一款采用ARM結(jié)構(gòu)，面向高性能、低功耗設(shè)備的嵌入式處理器，非常適用于手持移動(dòng)設(shè)備的開發(fā)。USB攝像頭因具有低廉的價(jià)格，良好的性能，及方便使用的特性，因此很容易集成到嵌入式系統(tǒng)中。本文介紹的基于嵌入式Linux系統(tǒng)的USB攝像頭圖像采集系統(tǒng)使用采用OV511芯片的WEBEYE攝像頭，在基于PXA255處理器的開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了圖像的采集與壓縮，借助Mencoder編碼工具可以將多幅JPEG圖片合成AVI視頻流，并實(shí)現(xiàn)視頻回放。

硬件系統(tǒng)總體框圖

  Linux下USB系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

獲得圖像過程

  圖像采集程序的流程圖
系統(tǒng)硬件平臺(tái)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件平臺(tái)如所示。PXA255處理器主頻可達(dá)400MHz，內(nèi)部集成了多種外設(shè)控制模塊，在實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行裁減。開發(fā)板上提供了64M SDRAM、32M Flash、640×480 TFT LCD觸摸屏，以及外擴(kuò)的USB主口控制器等，它們構(gòu)成了一個(gè)嵌入式多媒體開發(fā)平臺(tái)，可以滿足復(fù)雜計(jì)算和圖形顯示的需求。采用OV511芯片的WEBEYE攝像頭支持多種制式，CIF(352×288)格式幀率達(dá)30fps，可實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)視頻捕獲，VGA(640×480)格式幀率為10~15fps，具有完善的自動(dòng)亮度、白平衡控制，提供色彩飽和度、對(duì)比度、邊緣增強(qiáng)、伽馬表等數(shù)碼影像控制功能。它與TWAIN標(biāo)準(zhǔn)兼容，提供640×480格式的高清晰靜止圖像捕獲模式，具有多種視頻和輸出格式供選擇。USB總線控制器采用Cypress 公司的一款專為嵌入式領(lǐng)域研制的USB控制芯片CY67300，該芯片可作為主口控制，也可作為從口控制芯片，內(nèi)嵌有8051微控制器和RAM，支持全速和高速兩種模式。JTAG口用于Flash的擦寫，UART用于系統(tǒng)調(diào)試。以太網(wǎng)口可使現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，也可作NFS調(diào)試用。
系統(tǒng)工作過程
系統(tǒng)通過WEBEYE攝像頭采集圖像，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行高速捕捉，然后將捕捉到的圖像通過USB總線傳輸?shù)絇XA255處理器進(jìn)行處理，并將圖像壓縮，保存為JPEG格式的文件。程序調(diào)用Encoder編碼器可以將多幅JPEG格式的圖像合成一段AVI視頻流，實(shí)現(xiàn)視頻回放，這在安全監(jiān)控、事故鑒定、車輛防盜等領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。，系統(tǒng)還可以通過以太網(wǎng)口或UART口將保存的圖片和視頻流傳到服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Liunx系統(tǒng)中對(duì)USB設(shè)備的支持是通過如所示的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。Linux內(nèi)核中的USB Core為設(shè)備和主控制器提供API接口。USB Core包含所有的USB設(shè)備和主控制器的一些通用操作，為向上和向下操作提供一個(gè)接口。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)可分為字符設(shè)備、塊設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中，字符設(shè)備面向字符I/O操作，沒有緩沖，順序讀??；而塊設(shè)備面向數(shù)據(jù)塊，所有操作都通過內(nèi)核地址空間的I/O緩沖區(qū)完成，支持隨機(jī)存取操作。USB設(shè)備通過快速串行通信的方式工作，應(yīng)作為字符設(shè)備來(lái)處理。系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方式有模塊加載和內(nèi)核初始化加載兩種：前者通過用戶使用insmod命令動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中，通過rmmod命令卸載驅(qū)動(dòng)模塊；后者是把驅(qū)動(dòng)編進(jìn)內(nèi)核，在內(nèi)核初始化時(shí)自動(dòng)加載。USB主口程序由HCD(主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng))、USBD (USB驅(qū)動(dòng)程序)以及客戶程序組成。其中USBD負(fù)責(zé)管理所有HCD、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和所有連接到USB總線上的設(shè)備，是USB主機(jī)軟件的。如所示，Linux系統(tǒng)中USB子系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，其中USBD和HCD提供了支持設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的API。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不是通過I/O操作訪問設(shè)備，而是通過USB Core提供的標(biāo)準(zhǔn)接口與設(shè)備交互，它采用由管道組成的通道與設(shè)備進(jìn)行通信。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)USBD創(chuàng)建所需的管道，并為其分配傳輸所需的緩沖空間。
USB的傳輸分為控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸以及等時(shí)傳輸四種模式。對(duì)于時(shí)間性極強(qiáng)但是準(zhǔn)確性不高的視頻捕捉應(yīng)用來(lái)說(shuō)，攝像頭應(yīng)采用等時(shí)傳輸模式。Linux系統(tǒng)中，任何USB傳輸都需要通過URB(USB請(qǐng)求塊)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了盡可能快地得到圖像數(shù)據(jù)，需要加大URB的緩沖，這樣可以降低每個(gè)USB事務(wù)中握手信息所占的比例，提高有效數(shù)據(jù)傳輸比例。由于每次USB傳輸都要包括URB的建立、發(fā)送、回收、數(shù)據(jù)整理，而在這些階段中不產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)，因此可建立兩個(gè)URB交替工作，一個(gè)URB在等待回收時(shí)初始化另一個(gè)URB。獲得圖像的過程如所示。
攝像頭視頻捕獲程序的編寫
攝像頭屬于視頻類設(shè)備，遵循的標(biāo)準(zhǔn)為Video for Linux (V4L)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了一套API接口，內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序都以這個(gè)接口為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交流。目前的V4L涵蓋了音視頻捕捉及處理等內(nèi)容，也包括USB攝像頭。
Linux系統(tǒng)中一般的文件操作是通過read、write等系統(tǒng)調(diào)用完成，但這些系統(tǒng)調(diào)用是通過內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)之間相互進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行拷貝必然會(huì)增加時(shí)間開銷，因此需要使用內(nèi)存映射的辦法來(lái)加以解決。
首先應(yīng)申請(qǐng)足夠大的內(nèi)核態(tài)內(nèi)存作為圖像數(shù)據(jù)緩存，將URB帶來(lái)的數(shù)據(jù)暫存；然后將其用remap_page_range函數(shù)映射到用戶態(tài)空間。這樣，用戶態(tài)空間的圖像處理程序就可以使用mmap()函數(shù)，直接讀寫內(nèi)核態(tài)幀緩沖區(qū)，減少了額外開銷。要進(jìn)行視頻捕捉必須用到VIDIOCMCAPTURE 和VIDIOCSYNC這兩個(gè)ioctl函數(shù)。VIDIOCGMBUF包含有所用緩沖器的設(shè)置與地址。VIDIOCMCAPTURE用于開始捕捉；VIDIOCSYNC用于等待捕捉完成。為加快數(shù)據(jù)處理速度，一般使用雙緩沖設(shè)置，即buffer0捕捉數(shù)據(jù)時(shí)，buffer1傳輸數(shù)據(jù)；buffer1捕捉數(shù)據(jù)時(shí)，buffer0傳輸數(shù)據(jù)。
整個(gè)圖像采集程序的流程圖如所示。將采集到的圖像保存為JPEG格式，然后調(diào)用Mplayer中的Mencoder編碼器，即可將多幅JPEG文件合成一段視頻流，實(shí)現(xiàn)視頻回放。

結(jié)語(yǔ)
本文在臺(tái)式機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)了基于Linux系統(tǒng)的USB攝像頭圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)每秒30幀的圖像采集，可以直接連續(xù)顯示到屏幕上構(gòu)成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，也可壓縮為一段視頻流，用播放器播放出來(lái)。通過交叉編譯將程序移植到PXA255開發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。