基于S3C2440的視頻采集及傳輸系統設計

王建新，張 凱，王 秀

(西安科技大學雁塔校區通信與信息工程學院，西安710054)

目前，各種視頻采集以及傳輸的系統都是由DSP(圖像處理)，ARM(圖像顯示)以及利用FPGA搭建整個框架［1］，這樣會造成資源嚴重浪費，并且成本較大。隨著嵌入式技術的迅猛發展，利用嵌入式實現遠程視頻采集、可視電話會議等應用已經成為可能。

本文基于 S3C2440和 Linux系統平臺，采用USB攝像頭捕捉視頻信號，利用V4L2應用編程接口函數，實現了視頻連續幀圖像的采集，并利用TCP傳輸方式傳輸給服務器端，實現對嵌入式視頻遠程傳輸。開發的終端具有體積小，功耗低，適用于便攜式視頻采集需要。

1 視頻采集傳輸系統的軟硬件架構

本文以三星公司S3C2440為硬件平臺，其片上64 M SDRAM可以滿足視頻采集軟件的內存需要，256 M NAND FlLASH用于存放文件和系統，3個通道的UART等控制器和豐富的接口，使其擴展功能強大，功耗低，簡單穩定符合要求。整個硬件框架如圖1所示。

圖1 系統硬件架構

視頻采集傳輸系統軟件架構由以下部分組成:USB(ZC301)攝像頭，攝像頭驅動，視頻采集應用程序，視頻傳輸，視頻顯示組成。如圖2所示。

圖2 視頻采集傳輸系統軟件構架

USB攝像頭進行采集圖像數據，采集圖像格式為MJPE，采集應用程序通過攝像頭驅動從攝像頭獲得采集的圖像數據。利用V4L2接口函數對設備采集的數據進行操作，最后通過網絡傳輸(TCP)將數據傳輸給PC機進行顯示［2］。

2 視頻采集應用程序開發

Linu系統具有開源性，高可靠性和強大的網絡功能等特點。在此基于linux2.6內核，對其進行裁剪和配置，使內核支持USB驅動和V4L2標準，建立交叉編譯環境，移植編譯好的內核到目標板，以構建linux文件系統，進行視頻采集傳輸應用程序的開發。

在linux系統下，圖像采集設備依賴于V4L2(Video 4 linux 2)標準支持，它針對linux內核視頻設備提供了一系列API接口函數［3］，視頻采集流程如圖3所示。

①打開視頻設備

在V4L2中，視頻設備被看作一個文件。使用open()函數以阻塞模式打開攝像頭設備，函數格式為:

open()函數中包含兩個參數，第1個參數代表打開的設備文件名，第2個參數代表設備的打開類型(讀/寫，阻塞或非阻塞)，返回值為文件描述符fd，若返回值為大于0，則打開設備正確;若返回值為-1，則打開設備錯誤。

②初始化設備，包括獲取設備信息，設置設備格式，函數格式為:

圖3 視頻采集流程

③設置視頻捕獲格式

當檢測完視頻設備支持的標準后，還需要設定視頻捕獲格式，函數格式如下:

④分配內存

向驅動申請幀緩沖，一般不超過5個。使用ioctl命令字VIDIOC_REQBUFS來調用struct v4l2_requestbuffers，v4l2_requestbuffers結構中定義了緩存的數量，驅動會據此申請對應數量的視頻緩存。

⑤獲取并記錄緩存的物理空間

使用VIDIOC_REQBUFS，獲取兩個緩存，并通過調用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，再使用mmap()函數轉換成應用程序中的絕對地址，最后把這段緩存放入緩存隊列。使用V4L2進行圖像采集時候，在一幀緩沖完成之后，都會將第二幀覆蓋到另一個緩存中，req.count個緩存輪流使用，不丟數據。函數格式如下:

ioctl(fd，VIDIOC_QUERYBUF，＆buf);//獲取到對應index的緩存信息，此處主要利用length信息及offset信息來完成后面的mmap操作。與用戶空間傳遞數據的一個中介，會被循環利用。

⑥圖像數據采集

V4L2有三種視頻圖像采集方式:read()、write()方式，內存映射方式和用戶指針方式。

本文采用的內存映射方式是在內核空間開辟一段地址空間，通過mmap()系統調用將其映謝到地址空間。

圖像采集過程中需要使用兩個ioctl的命令:即VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF命令。函數格式為:

在配置內核時候，對USB驅動初始化，我們加上V4L2，并修改.config文件，支持ZC301攝像頭，然后進行編譯成內核鏡像。

3 視頻傳輸應用程序

常用的圖像傳輸協議有TCP協議和UDP協議。

TCP是傳輸控制協議，是一種面向連接(連接導向)的、可靠的、基于字節流的運輸層通信協議。UDP即用戶數據報協議，是一種無連接協議，傳輸數據之前客戶端和服務器端不建立連接［4］。

在傳輸過程中，TCP在丟包方面比UDP嚴密，不容易丟包。因此本文為利用TCP協議來傳輸數據，首先初始化攝像頭利用V4L2接口，連接到linux系統的公用協議標準，然后將數據存放至緩沖區，產生數據包，并且將數據包利用TCP傳輸，最后傳輸到 PC 機并顯示出來［5］。

在linux中網絡編程是通過socket接口來進行的。Socket是一種常用的進程之間的通信機制。TCP協議下的socket編程流程圖，如圖4所示。

Socket編程基本函數有 socket()、bind()、listen()、accept()、Send()以及 Recv()等，其中根據客戶端還是服務器，這些函數的調用流程有所區別，這里對每個函數進行簡明:

圖4 TCP協議socket編程流程圖

Socket():該函數用于建立一個socket連接，可以指定socket類型信息，對結構體sockaddr_in初始化:包含地址族，端口號，IP地址等;

Bind()該函數用于將本地IP地址綁定到端口號，若綁定其他IP地址則不成功。另外還用于TP連接;

Listen():服務端程序成功建立套接字和地址進行綁定之后，還需要準備在該套接字上接受新的連接請求;

Accept():調用accept()函數等待并且接收客戶端的連接請求;

Connect():用于與服務器建立連接;

Send()與Recv():分別用于發送和接收數據。

4 測試結果

搭建目標機linux2.6.32運行環境，并且通過宿主機使用交叉編譯器連接生成可執行文件，向目標機移植后運行。

將USB攝像頭同目標機連接好了之后，若成功掛載USB攝像頭，則終端下會顯示識別USB設備，如圖5所示。

圖5 USB攝像頭驅動測試結果

對整個系統進行測試，該系統在傳輸320×240大小并以MJPEG編碼的視頻時，視頻監控服務器端觀察圖像流暢并且清晰，足夠滿足視頻監控需求，如圖6所示。

圖6 系統測試結果

5 結論

本文提出一種基于S3C2440平臺和嵌入式linux系統的C/S模型視頻采集和傳輸方案，采用普通市面上的USB攝像頭，極大的降低了成本，利用socket編程實現TCP網絡傳輸過程，經測試，服務器端可以實時的接受到采集傳輸的視頻，圖像清晰，滿足視頻監控要求。

［1］周立功.ARM＆WinCE實驗與實踐—基于S3C2410［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［2］王培珍，徐俊生.基于ARM9的嵌入式linux圖像采集設計系統［J］.中國制造業信息化，2007，10:85-88

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［4］陳文智.嵌入式系統開發原理與實踐［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［5］怯肇乾.嵌入式網絡通信開發應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.

［6］吳明暉.基于ARM的嵌入式系統開發和應用［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［7］江湖，蘇詳芳，劉立海，等.基于網絡的數字視頻監控系統［J］.武漢大學學報(自然科學版)，2000，46(5):608-612.

［8］Lu Yinli，Yu Hongli，Zhang Pengpeng.The Implementation of Embedded Image Acquisition Based on V4L2［C］//Electronics，Communications and Control(ICECC)，2011 International Conference.Heng yang，China.2011:549-552