２００７年第５期 福 建 电脑 ７ 基于￥３Ｃ２４１０的嵌入式图像传输系统的设计与实现 李金广 ，罗 飞２’杨【摘的实现。 晖 ，刘祥利 （华南理工大学自动化科学与工程学院广东广州５１０６４０） 要】：本文详细介绍了图像传输系统的硬件构造，以及基于该硬件模块下通过ＵＳＢ摄像头采集现场图像数据并通 过［ｎｔｅｍｅｔ传输到远程终端的嵌入式图像传输系统的设计与实现。主要内容包括图像采集部分的软件实现及网络传输部分 【关键字】：￥３Ｃ２４１０ ＵＳＢ摄像头Ｖｉｄｅｏ４Ｌｉｎｕｘ套接口内存映射 １．引言： 嵌入式技术、网络技术、多媒体技术的发展使得远程监控功 能的数字化、智能化及微型化成为可能，不仅解决了模拟图像在 远程传输过程中的易受干扰及失真问题．还使得设备的体积更 加小型化、智能化、网络化。随着互联网的普及，利用ＩＮＴＥＲＮＥＴ 作为传输媒介的图像监控系统及数据采集及传输系统也越来越 流行 尤其随着芯片行业的迅猛发展及Ｌｉｎｕｘ系统的更加完善， 越来越多的嵌入式系统告别资源较少的单片机时代．转而步人 ＡＲＭ化和Ｌｉｎｕｘ化。 众所周知．ＡＲＭ处理器作为３２位微控制器一经面世。便产 生了划时代的意义。它不仅资源丰富，运行速度更快。稳定性更 高．也更易于扩展 同时Ｌｉｎｕｘ作为一种开源的操作系统。不仅 内核更小、效率更高、还直接提供网络支持等优点，并且其动态 模块加载使得对Ｌｉｎｕｘ的裁减极为方便．而且可以针对具体应 用配置内核．裁减ＳＨＥＬＬ并对嵌入式Ｃ库进行系统定制。二者 的诸多优点造就了二者作为嵌入式系统的完满组合．从而成为 大部分嵌入式系统开发者的首选方案。 本文这详细介绍基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的￥３Ｃ２４１０的嵌入式 远程图像传输系统的设计与实现．该系统设计目标是为用于远 程门禁系统．实现通过互联网对远程图像的监控及传输功能．硬 件部分采用中芯微ＺＣ３０１芯片系列ＵＳＢ摄像头获得远程图像 或视频．软件通过基于Ｖｉｄｅｏ４Ｌｉｎｕｘ编程进行图像或视频数据的 采集．并编写相应的网络传输程序实现对采集数据的远程传输。 ２．硬件结构： ２．１系统硬件结构框图如下图１ 其中处理器采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司的集成有ＡＲＭ９２ 内核的 处理器￥３Ｃ２４１０．该处理器资源丰富．分开的１６ＫＢ的指令 Ｃａｃｈｅ和１６ＫＢ数据Ｃａｃｈｅ、ＭＭＵ虚拟存储器管理、ＬＣＤ控制器 （支持ＳＴＮ＆ＴＦｒ）、支持ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ系统引导，ＲＡＭ控制器、３ 通道ＵＡＲＴ、４通道ＤＭＡ、４通道带ＰＷＭ定时器、ＲＴＣ、并行∞ 口、８通道１Ｏ位ＡＤＣ、触摸屏接口、ＩＩＣ接口、ＩＩＳ接口、２个ＵＳＢ 接口控制器、２通道ＳＰＩ及内部ＰＬＬ时钟倍频器，主频最高可达 ２０３ＭＨｚ。摄像头为市场上应用最广泛的ＺＣ３０１芯片摄像头。，此 外．在处理器丰富资源的基础上还进 行了相关的配置和扩展．配置了 ４ＭＢ１６位的ｎａｓｈ和８ＭＢ３２的 ＳＤＲＡＭ 通过以太网控制器芯片 ＤＭ９０００Ｅ扩展了一个网口．另外引 出了一个Ｈ０ＳＴ ＵＳＢ接口 通过在 ＵＳＢ接口上外接一个带ＵＳＢ口的摄 像头．将采集到的视频图像数据放入 输入缓冲区中 然后通过网络接口将 采集到的图像或视频数据发送到Ｉｎｔｅ 主要用来调试系统 ３．软件部分 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６９６８４００１）。 ３．１视频采集的实现步骤 由于该系统采用ＡＲＭＬＩＮＵＸ。系统启动后启用ＭＭＵ并进 入保护模式．应用程序不能直接读写外设的Ｉ／０区域（包括Ｉ／０ 端１２１和ＹＯ内存）．所以这时一般就要借助于该外设的驱动来进 入内核完成这个工作。本系统的视频采集分两步实现：首先为 ＵＳＢ摄像头在内核中写入驱动．其次写入上层应用程序获取视 频数据。 我们可以通过ｈｔｔｐ：／／ｍｘｈａｒｄ．ｆｒｅｅ．ｆｒ／下载相应嵌入式环 境的驱动并进行相应的修改、编译、ＭＡＫＥ、ＩＮＳＭＯＤ实现新内核 的加载 本文主要对图像的采集编程做详细介绍。 ３．２视频图像的采集编程实现 Ｖｉｄｅｏ４Ｌｉｎｕｘｆ简Ｖ４Ｌ）是Ｌｉｎｕｘ中关于视频设备的内核驱动． 它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数．这些 视频设备包括现今市场上流行的Ｔｖ卡、视频捕捉卡和ＵＳＢ摄 像头等。对于ＵＳＢ口摄像头．其驱动程序中需要提供基本的Ｉ／Ｏ 操作接口函数ｏｐｅｎ、ｒｅａｄ、￣ａ＇ｉｔｅ．ｃｌｏｓｅ的实现。对中断的处理实 现．内存映射功能以及对Ｉ／Ｏ通道的控制接口函数ｉｏｃｔ１的实现 等．并把它们定义在ｓｔｒｕｃｔ ｉｆｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ中。视频图像的采集编 程流程如图２所示： ３．２．１．在Ｖｉｄｅｏ４Ｌｉｎｕｘ编程中定义 的数据结构如下： １．ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ—ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｃａ— ｐａｂｉｌｉｔｙ：包含设备的基本信ｑ息： 设备名称、支持的最大最小分辨 率、信号源信息，分别对应着结构 体中成员变量ｎａｍｅ ｆ３２１、 ｍａｘｗｉｄｔｈ、ｍａｘｈｅｉｇｈｔ、ｍｉｎｗｉｄｔｈ、 ｍｉｎｈｅｉｇｈｔ、ｃｈａｎｎｅｌｓ（信号源个数）、 ｔｙｐｅ等；； ２．ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ—ｐｉｃｔｕｒｅ ｐｉｃｔｕｒｅ：设备采集图像的各种属性；如 ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ（￣度）、ｈｕｅ（色调）、ｃｏｎｔｒａｓｔ（ 比度）、ｗｈｉｔｅｎｅｓｓ（色度）、 ｄｅｐｔｈ（深度）等： ３．ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ—ｃｈａｎｎｅｌ ｃｈａｎｎｅｌ：关于信号源的属性，用于多 个摄像头： ４．ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ、ｖｉｎｄｏＷ ｗｉｎｄｏｗ：包含关于ｃａｐｔｕｒｅ ａｒｅａ的信 息： ５．ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ ｍｂｕｆ ｍｂｕｆ：利用ｍｍａＤ进行映射的帧的信 息：实际上是输入到摄像头存储器缓冲中的帧信息，包括ｓｉｚｅ （帧的大小）、ｆｒａｍｅｓ（最多支持的帧数）、ｏｆｆｓｅｔｓ（每帧相对基址的 偏移）。 ６．ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ—ｍｍａｐ ｍｍａｐ：用于内存映射法采集图像数据 或视频流 ３．２Ｉ ２ｌ在Ｖｉｄｅｏ４“ｎｕｘ编程中使用的函数如下： １．ｉｎｔ ｖ４１＿ｏｐｅｎ（ｃｈａｒ＊ｄｅｖ，ｖ４１＿ｄｅｖｉｃｅ＊ｖｄ）；打开视频设备，该 函数采用系统调用函数ｉｏｃｔｌ（ｖｄ＿ｆｄ＝ｏｐｅｎ（”／ｄｅｖ／ｖｉｄｅｏ０＂，Ｏ—ＲＤ— ＷＲ）），ｖｄ－＞ｆｄ是设备打开后返回的文件描述符（打开错误返 维普资讯 http://www.cqvip.com
８ 福建电脑 ２．绑定地址和端口函数ｂｉｎｄｎ： ３．建立套接口队列函数ｌｉｓｔｅｎＯ： ４．接收连接函数ａｃｃｅｐｔ０： ５．处理连接函数ｒｅａｄＯ／ｗｒｉｔｅＯ： ６．关闭套接口ｃｌｏｓｅ０．三 ２００７年第５期 回一１），以后的系统调用函数就可使用它来对设备文件进行操作 了。 ２．ｉｎｔ ｖ４１ ｇｅ（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ（ｖ４１ ｃｅ＊ｖｄ ．ｄｅｖｉ１：读取设备基本信息，利用（ｖｄｊｄ，ＶＩＤＩＯＣＧＣＡＰ，＆（ｖｄ＿ｃａｐａｂｌｉｌｉｔｙ）函数读取ｓｔｒｕｃｔ ｖｉｄｅｏ ＿ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ 中有关摄像头的信息。该函数成功返回后．这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间 ａＪ） 各成员分量中，ｃａｐ ＿使用ｐｆｉｎｆｆ函数就可得到各成员分量信息，例如ｐｒｉｎｆｆ（”ｍａｘ． ｈｅｉｇｈｔ＝％ｄ＂，ｇｒａｂｆｄ．ｍａｘｈｅｉｇｈｔ）获得最大垂直分辨率的大小。 ＿与之对应的客户程序的基本结构如下所示： １．建立套接字函数ｓｏｃｋｅｔ０： ２．连接服务器ｃｏｎｎｅｃｔ０： ３．处理连接函数ｗｒｉｔｅ０／ｒｅａｄ ０： ４．关闭套接口ｃｌｏｓｅ０； 本系统中为了能够正确发送一帧数据．要把定义的帧的结 ３．ｉｎｔ ｖ４１ｇｅｔ＿ｐｉｃｔｕｒｅ（ｖ４Ｌｄｅｖｉｃｅ ｖｄ）；通过ｉｏｃｔｌ（ｖｄ＿ｆｄ，ＶＩＤ— ＿ＩＯＣＧＰＩＴ，＆ｆｖｄ ｐｉｃｔｕｒｅ））读取摄像头缓冲区中图像属性。可以通 过给分量赋值改变这类信息 ｈｉｃ４．ｉｎｔ ｖ４１ ａｎｎｅｌｓｆｖ ４１ｄｅｖｅ＊ｖｄ ）；该函数依赖于读取 ｔ ｃ设备基本信息函．ｇｅ数返回信号源信息５．ｉｎｔ ｖ４１ ）；关闭设备。ｃｌｏｓｅ（ｖ４１＿ｄｅｖｉｃｅ＊ｖｄ ６．ｉｎｔ ｉｏｃｔｌ（ｉｎｔ ｆｄ，ｉｎｔ ｃｍｄ，＆（ｖｄ ｘ））；其中ｆｄ代表设备文件描 述符，ｃｍｄ代表用户程序对设备的控制命令．Ｘ表示上面所列的 某个数据结构 ３．２＿３．图像采集的实现 该环节有两种方法可以实现：直接读取和内存映射 直接读 取法需要用ｒｅａｄ０函数。本系统采用内存映射法．即Ｉｎ／ｎａＰ０方式 截取图像或者视频。ｍｍａｐ（）系统调用使得进程之间通过映射同 个普通文件实现共享内存 该映射内容区可读可写并且不同 进程间可共享。不需要任何数据的拷贝。具体操作步骤如图３所 。。＿一刁 。 构体设置为单字节对齐．具体方法是在结构体的定义后面加上 ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｆ（ｐａｃｋｅｄ））。并且为了处理多个连接请求，使用多线程 编程．在处理连接时建立子进程．如果要实现视频流的不间断传 输．可以将发送环节加入到连续帧采集环节的内循环中进行处 理。该步骤的简单实现放在对采集到的图象处理环节．即在获得 连接请求并截取单帧图像成功后实现网络的发送功能。其中多 线程编程部分用到的主要函数有： 互斥量初始化函数ｐｔｈｒｅａｄ ｍｕｔｅｘ ｉｎｉｔ０ 互斥量锁定函数ｐｔｈｒｅａｄ ｍｕｔｅｘ ｌｏｃｋ０ 互斥量解锁函数ｐｔｈｒｅａｄｍｕｔｅｘｕｎｌｏｃｋ０、 互斥量注销函数ｐｔｈｒｅａｄ ｍｕｔｅｘ ｄｅｓ￣ｏｙ０ 线程创建函数ｐｔｈｒｅａｄ ｃｒｅａｔｅ０、 线程同步函数ｐｔｈｒｅａｄ ｊｏｉｎ０。 ．．・＿＿．．．５．结论： 本文提出了一套基于Ｓ３Ｃ２４ｌ０平台和ｌｉｎｕｘ系统的嵌入式 图象采集、传输系统的具体设计和试验。并在实验中获得验证： 系统很好的完成了图象采集和传输。得到的图象清晰。服务器可 图３ 以稳定运行．一般不会发生断开或退出的现象。本系统不仅可以 在上面获取的摄像头存储缓冲区帧信息中．最多可支持的 良好的实现监控系统的ｌｉｎｕｘ化及数字化．还可以提高图像传输 帧数ｆｒａｍｅｓ的值）一般为两帧。采集方式也可以分成单帧采集 效果和质量．具有较好的应用前景及可扩展性。比如手机安防及 和连续帧的采集。对于单帧采集只需设置ｂｍｕｆ．ｆｒａｍｅ＝０．即采集 基于ＧＰＲＳ或者ＣＤＭＡ的远程监控系统等。 其中的第一帧．成功截取之后就可把图像数据保存成文件的形 式。而连续帧采集则是在单帧的基础上．利用设置循环完成连续 参考文献： ｄｅｏ４Ｌｉｎｕｘ的ＵＳＢ摄像头图像采集实现。 采集。在循环语句中。也是使用ＶＩＤ１０ＣＭＣＣＡＰＴＵＲＥ ｉｏｃｔｌ和 １戴丽．基于Ｖｉｎ Ｃｏｘ．＜＜ｖｉｄｅｏ４１ｉｎｕｘ ｐｒｏｇｒａｍｒｍｎｇ＞＞ ＶＩＤＩＯＣＳＹＮＣ ｉｏｃｔｌ函数完成每帧截取．但要给采集到的每帧图 ２．ＡｌＬｉｎｕｘ网络编程，科学出版社，２０００． 像赋地址。若要继续采集可再加一个外循环．在外循环语句只要 ３．朱刚等．４．于明俭等．ｆｉｎｕｘ程序设计权威指南机械工业出版社２００１． 给原来的内循环再赋ｆｒａｍｅ＝０即可。 ４．网络传输： ５．ｈｔｔ－ｐ：／／ｍｘｈａａｒｄ、ｆｒｅｅ、ｔｆ－／ｅｍｂｅｄｄｅｄ．ｈｔｍｌ 套接口是网络通信的基础．在ｌｉｎｕｘ下定义的一些套接口的 函数大致如下：对于一个简单 ＦＣＰ／ＩＰ服务器．其基本结构如下 所示、 ６．Ａｌｅｓｓａｎｄｒｏ Ｒｕｂ 著ＬＩＳＯＬＥＧ译，ｌｉｎｕｘ设备驱动程序开发，中国电 力出版社．２００２ ７．乔晓丹张鹏，一个基于Ｌｍｕｘ操作系统的嵌入式网关的实现．微计算 １．建立套接字函数ｓｏｃｋｅｔ０； 机信息．２００５年第２１卷第７－２期
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