嵌入式系統(tǒng)視頻圖像捕獲研究

本文論述了嵌入式系統(tǒng)相關理論、嵌入式Linux的基本概念，主要闡述了采用嵌入式Linux進行視頻圖像數(shù)據(jù)的捕獲、存儲、顯示等。采用的關鍵技術包括 V4L、framebuffer、數(shù)字圖像格式變換等，提出了圖像數(shù)據(jù)格式的變換方法。同時闡述了具體的實現(xiàn)方法。

1 嵌入式系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是指以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”，這個定義主要是從應用的角度進行定義的。[1]嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中，也就是軟件與硬件的一體化。嵌入式系統(tǒng)目的性或針對性很強，一般要求較高的實時性、穩(wěn)定性。

2嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux是Linux操作系統(tǒng)的一個分支。主要是對通常的Linux進行裁減。最關鍵的是要進行實時化處理。在實時性要求不是太高的環(huán)境下采用Linux具有很多優(yōu)勢。使用嵌入式Linux技術開發(fā)嵌入式設備的最大方便是使開發(fā)工作從硬件與匯編程序轉(zhuǎn)移到應用軟件上來。[2]嵌入式Linux系統(tǒng)架構包括三層：應用程序、系統(tǒng)共享庫和Linux內(nèi)核?，F(xiàn)有各種開源的Linux版本，包括支持沒有內(nèi)存管理單元的CPU的uCLinux、實時性非常好的RTAI、QLinux等。[3]本文所采用的開發(fā)的系統(tǒng)是進行圖像的實時捕獲。由于實時性要求不高，同時考慮到Linux下使用V4L開發(fā)視頻程序具有很大的優(yōu)越性，所以采用嵌入式Linux作為開發(fā)環(huán)境。芯片主要采用三星公司生產(chǎn)的ARM2410, 開發(fā)板采用北京博創(chuàng)公司的板卡。

3 采用V4L進行數(shù)據(jù)采集

3.1 采用V4L進行圖像數(shù)據(jù)采集

V4L是Linux下提供的一套設備驅(qū)動程序文件API，用于開發(fā)視頻（Video）、音頻（Audio）等領域的應用程序。由于在Linux下設備都作為一個文件進行處理。所以可以通過打開相應的設備文件來獲取設備的信息。由于本文是進行視頻程序的開發(fā)，所以僅講述有關視頻相關的部分。

視頻設備文件一般情況下在/dev/videox。其中x可以為0~63之間的整數(shù)。一般情況下為/deev/video0。當在開發(fā)板上通過USB接口將攝像頭接入后。在程序中對文件video0進行讀的操作就是對攝像頭的操作。

在使用V4L之前首先需要將頭文件videodev.h引入，如linux/videodev.h>。相應的API文檔在/usr /src/linux-2.4/Documentation/video4linux/API.html下。同時在為了同相關的設備進行通信，需要一些結構體、變量和函數(shù)，所以需要包含其他的相關文件。如sys/types.h>、

sys/stat.h>、 sys/ioctl.h>、 sys/mman.h>、 linux/videodev.h>、 fcntl.h>、 unistd.h>等。攝像頭、V4L、設備驅(qū)動程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)的關系用圖1表示如下。

圖1

具體的圖像數(shù)據(jù)的捕獲過程為：打開設備文件、查詢和確認設備性能、設置捕獲的圖像的寬和高、設置色深、建立內(nèi)存映射（后文闡述）、讀取圖像數(shù)據(jù)、關閉設備。[4]

具體的這個過程由于篇幅關系本文將不做具體闡述，讀者可以查閱本文的參考文獻3。在上述的過程中主要考慮的問題是內(nèi)存的映射問題。為了讀取數(shù)據(jù)首先需要將顯示設備的地址映射到系統(tǒng)地址上來，這需要調(diào)用函數(shù)mmap（）。該函數(shù)返回的地址就是存放圖像數(shù)據(jù)的地址。每一幀圖像都偏移固定的長度。而攝像頭取得圖像會包含若干幀。這樣通過周而復始的進行就可以將圖像數(shù)據(jù)捕獲下來。具體過程和涉及到的函數(shù)如下所示:

打開設備文件: int device = open (/dev/v4l/video0, O_RDWR);

內(nèi)存映射：char* memoryMap = (char*)mmap (0, memoryBuffer.size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, device, 0);

圖像數(shù)據(jù)memoryMap + memoryBuffer.offsets[bufferIndex]

圖2