機頂盒上搭建Linux的USB視頻數據采集平臺

巫 莉，于鴻洋，張 萍

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

1 引言

Linux是一套自由軟件，用戶可以無償地得到其源代碼和大量的應用程序，并可以任意修改和補充[1]，這樣使得開發者可以更方便地開發機頂盒的功能，但是由于Linux本身各種軟件的復雜的依賴性以及缺乏穩定完善的維護，Linux的開發不像Windows那么方便容易[2]。

通用串行總線（USB）具有易于使用、速度快、可靠性強、成本低等優點[3]，在市場上已經廣泛普及。USB攝像頭的視頻播放也越來越受歡迎。筆者首先介紹了采用的STi7109芯片的機頂盒的硬件及軟件系統，然后闡述了在Linux上搭建USB攝像頭視頻數據采集平臺的過程，同時也使讀者對在Linux上怎樣進行軟件開發有更深的認識。

2 基于STi7109的機頂盒體系結構

2.1 硬件體系結構

本設計采用STMicrotronics公司最新的增強型高清多標準視音頻解碼芯片STi7109作為主芯片。STi7109在一個芯片上集成了2個頻率為266 MHz的ST231CPU以及 VC-1，MPEG-2和 H.264視音頻解碼器，PAL/NTSC/SECAM編碼器，1個16 kbyte的I-Cache和1個32 kbyte的D-Cache，傳輸過濾解擾、解復用模塊，顯示和圖形引擎功能模塊。STi7109擁有16個級別的中斷控制器，定義了6個可擴展的8位可編程輸入/輸出端口（GPIO）。除MPEG-2外，該系統芯片解決方案還支持高清H.264/MPEG-4 AVC，以及MPEG-4 P2標清標準。其強大的視頻解碼能力為視頻播放系統的實現提供了硬件條件。

STi7109開發板包含1個USB接口，支持USB2.0協議，支持高速USB設備。STi7109數字機頂盒硬件平臺如圖1所示。

圖1 STi7109數字機頂盒硬件平臺

數字信號流（包括公開的和加密的）通過纜線傳輸到高頻頭，通過芯片STb0468b處的QAM/QPSK解調處理，傳輸到STi7109集成芯片進行解復用和PES流分組解析，從而產生對應的視頻信號和音頻信號。

2.2 軟件體系結構

STi7109的USB攝像頭視頻數據采集平臺從軟件的角度看，主要分為5個層次：Bootloader，Linux內核，文件系統，加載驅動模塊和應用軟件。STi7109平臺上的軟件系統如圖2所示。

圖2 STi7109平臺上的軟件系統

3 移植Linux下USB攝像頭驅動

由于USB攝像頭根據攝像頭芯片的不同驅動也不同，在Linux內核上很少帶有或幾乎沒有USB攝像頭的驅動，需要自己開發安裝。在開源項目中，spca5xx驅動以及后來的gspca驅動涵蓋了大部分主流的攝像頭驅動，但是也無法包含各種品牌的所有型號的攝像頭。因此需要在熟悉USB攝像頭驅動的情況下對驅動進行修改，并按照Linux上的特殊要求來完成對USB攝像頭的安裝。

下面介紹在Linux下怎樣移植、安裝USB攝像頭驅動，并使其適用于自己的USB攝像頭。

1）下載開源項目的USB攝像頭驅動

筆者首先在CSDN下載頻道上下載“gspcav120071224.tar.gz”。其次在 Linux 上的下載命令為“wget-c http∶//mxhaard.free.fr/spca50x/Download/gspca120071224.tar.gz”。最后解壓驅動壓縮包“tar zxvf gspca120071224.tar.gz”。

2）使USB攝像頭驅動適合自己的攝像頭

USB攝像頭驅動直接相關的是USB攝像頭芯片型號。在Windows下右鍵點擊“我的電腦”-“管理”-“設備管理器”-“圖像處理設備”選擇攝像頭設備雙擊，在“詳細信息”一欄可以看到USB攝像頭的UID和VID，也可以通過Linux下lsusb命令進行查看。筆者采用的是ID 0ac8∶307b的攝像頭。通過分析USB攝像頭驅動源代碼判斷是否適合自己的攝像頭芯片。

進入 “gspca120071224”文件夾，其中最核心的是gspca_core.c文件以及gspca.h頭文件。gspca_core.c包括設備注冊、注銷和各種操作方法集。gspca.h的主要內容有：（1）定義所支持的Vendor ID號；（2）對支持的DSP橋接控制芯片型號進行編號；（3）對支持的CMOS/CCD圖像傳感器型號進行編號。另外，還定義了圖像格式相關的常量和數據結構（如色彩空間、調色板、圖像分辨力等），幀數據結構，攝像頭操作方法集等。

Conexant，EtomsSonix，PixArt，Vimicro 和 Sunplus 等文件夾中定義了各傳感器相關的頭文件。decoder文件夾中包含了對各種圖像格式進行編解碼的源代碼。

通過查看gspca_core.c和gspca.h兩個文件，發現使用的USB攝像頭的Vendor ID，DSP芯片和image sensor已包含在其中。如果不在其中，則要定義DSP和sensor芯片的相應頭文件，并在gspca.h中添加相應的設備信息，還要把攝像頭加入到 gspca_core.c的攝像頭設備列表中。

3）安裝USB攝像頭驅動于Linux系統

Linux下對于硬件驅動，可以將驅動程序靜態編譯進內核中，也可以將它作為模塊在使用時再加載[4]。每塊可以在運行時添加到內核的代碼，被稱為一個模塊。Linux內核提供了對許多模塊類型的支持，每個模塊由目標代碼組成[5]。

由于Linux中攝像頭驅動必須要有（Video For Linux，V4L）的支持，V4L是Linux中關于視頻設備的內核驅動，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數，因此必須先加載V4L相關的videodev.ko模塊。USB設備也需要USB主控制器驅動，由于STi7109嵌入式系統提供了OHCI/EHCI的主控制器驅動模塊，因此不需要另外加載。

在gspca驅動程序文件夾內包含了自動化編譯的Makefile文件以及安裝加載模塊的腳本文件gspca_build，通過運行“./gspca_build”，即可完成對gspca驅動的安裝，也可以根據自己的需要對Makefile和gspca_build進行修改。

安裝USB攝像頭驅動并在機頂盒上插上USB攝像頭后，通過運行命令“lsmod|grep videodev”，看到videodev已經安裝，運行命令“ls/dev|grep video”，看到“/dev”文件夾下有了video和video0兩個文件，說明已經識別到了USB攝像頭設備。

4 搭建USB攝像頭視頻信號采集平臺

4.1 在Linux下安裝GTK+庫

GTK（GIMP Toolkit）是一套跨多種平臺的圖形工具包，目前已發展為一個功能強大、設計靈活的通用圖形庫，成為Linux下開發圖形界面應用程序的主流開發工具之一。由于GTK＋簡單易用，擁有強大的功能和豐富的API，而且作為一個開放的自由軟件，在Linux下已經發展得比較成熟，因此在Linux系統下可以使用GTK＋庫方便地對機頂盒的GUI進行開發。

由于Linux下各種源碼具有很復雜的依賴性，因此首先需清楚安裝GTK＋所需要的條件。所需的源碼包包括：GNU make工具，GNU gettext軟件包（當系統上沒有gettext（）函數的時候需要），GNU libiconv 庫（當系統上沒有 iconv（）函數的時候需要），fontconfig 庫，FreeType 庫，libpng庫，jpegsrc庫，tiff庫，pkg-config工具，GLib 庫，ATK庫，Cairo庫，Pango庫和 GTK+庫。

其中很多源碼包在比較新的Linux版本系統都會自帶。筆者主要安裝了5個源碼包，即GLib，ATK，CAIRO，PANGO和GTK。上面5個源碼包由于其依賴性必須按從前到后的順序依次安裝。在Linux上進行源碼安裝很容易找不到需要的某個包或文件，編譯出錯。需要對Linux的系統原理有比較熟悉的認識，并且要仔細閱讀README,install等文件，了解安裝過程。

下面總結幾個關系到能否成功編譯的因素：1）默認情況下，編譯器只會使用/lib和/usr/lib這兩個目錄下的庫文件。如果安裝了某些庫，沒有指定搜索路徑，編譯就會出錯。此時可在“./configure”命令時指定“--prefix=/usr”，這樣庫文件就安裝到了“/usr/lib”下，或是通過設置LD_LIBRARY_PATH 路徑，添加“/usr/local/lib”路徑，即沒有指定安裝路徑時的庫的安裝位置，或者保存在“/etc/ld.so.conf”文件中，因為“/etc/ld.so.conf”文件記錄了編譯時使用的動態鏈接庫的路徑。2）改動庫文件后一定要運行一下“ldconfig”命令，它的作用就是將“/etc/ld.so.conf”列出的路徑下的庫文件緩存到“/etc/ld.so.cache”以供使用。不然即使庫文件就在“/usr/lib”下，也是不會被使用的。3）設定正確的 PKG_CONFIG_PATH。“pkg-config”是一個向configure程序提供軟件和庫的版本、路徑等系統信息的程序，這些信息只在編譯時使用。以GLib為例，如果將glib-2.x.x裝到了“/usr/local/”下，那么glib-2.0.pc就會在“/usr/local/lib/pkgconfig”下，需要將這個路徑添加到PKG_CONFIG_PATH下面，另外還需要將“lib/pkgconfig”目錄下不需要的glib-2.0.pc刪除掉，以確保configure找到正確的glib-2.0.pc，以免提示錯誤信息。

安裝時可以把指令統一為：./configure--prefix=/usr&&make&&make install。其中&&表示當前一條命令正常結束，后面的命令才會執行。這個辦法既節省時間，又可防止出錯。運行完之后可以運行命令“echo$?”，表示檢查上一條命令的退出狀態，返回0表示程序正常退出，返回非0表示錯誤退出。注意到上面說的幾個因素，每次安裝完后運行一次ldconfig，安裝過程中一般都會經過多次配置等改動。

4.2 應用GTK+庫采集并顯示視頻數據

安裝了GTK+庫之后，就可以利用GTK+庫提供的圖形界面的API進行應用程序開發。筆者參考了camorama及spaview等Linux上的USB攝像頭數據采集的應用程序。具體過程為在利用V4L提供的API獲取到USB攝像頭的視頻圖像數據后，再利用GTK+中的GDKPIXBUF庫中的API函數來顯示獲取到的圖像。GDKPIXBUF庫是專門用于圖像處理的，它支持多種圖像格式（如TIFF，JPEG，PNG，GIF等）和動畫。通過 GTK+的應用程序，在窗口中可查看到USB攝像頭的視頻圖像。

5 小結

介紹了STi7109芯片為主芯片的機頂盒硬件平臺及軟件系統，介紹了安裝配置USB攝像頭驅動，利用GTK+庫編寫應用程序，搭建USB攝像頭視頻數據采集平臺的整個過程。

本文主要在于過程方法的介紹，對于進一步功能的開發，如怎樣用GTK+庫來實現遙控器的控制等還有待進一步研究。主要創新點為使讀者對怎樣在Linux上進行機頂盒的開發有了更明確的認識，如對Linux上USB攝像頭驅動開發、特殊的源碼包聯系性以及編譯原理等都有了更深的理解。同時采用具有發展潛力的GTK+庫來編寫圖形界面應用程序使圖像采集過程更加人性化。該過程的方法也適用于其他嵌入式Linux的開發，具有很好的借鑒價值。

[1]王俊偉，吳俊海.Linux標準教程[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]胡宏平.基于數字電視機頂盒的嵌入式Linux操作系統的設計[J].電視技術，2005（8）：52-54.

[3]AXELSON J.USB大全[M].陳逸，譯.北京：中國電力出版社，2001.

[4]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]CORBET J，RUBINI A，KROAH H G.Linux設備驅動程序[M].3版.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2005.