基于Linux視頻傳輸系統的設計與實現

摘 要：給出了在Linux系統下實現視頻采集、數據傳輸以及視頻顯示的實現方法。該方法利用ARM開發板內核中的V4L2協議來完成圖片的采集過程，并通過Linux下Socket編程實現圖片數據從采集端到顯示窗口的傳輸，視頻顯示終端則是基于Linux下Qt開發的數據窗口部件來實現的。

關鍵字：Linux；V4L2協議；Socket編程；Qt編程

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0047-03

0 引 言

嵌入式系統是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統”，是以應用為中心，以計算機技術為基礎，其軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。與傳統的操作系統相比，嵌入式系統是一個精簡、高效、針對性強的相對簡單的操作系統。

Linux系統是windows問世以來最熱門的操作系統之一，其作為嵌入式系統的優勢主要表現在以下幾點：第一，Linux最重要的一個優點就是Linux的源代碼的開放性，是免費的，只要遵守GPL（GNU General Public License）的規定，就可以免費獲得拷貝，這也使眾多的開發者為其打造了堅實的基礎；第二，Linux支持多種硬件平臺，現在已經被移植到ARM，CRIS，AMD x86-64，IBM S/390等各種體系結構上；第三， Linux操作系統功能強大，其可以提供多任務的進程調度，完全的內存保護機制，多進程間通信和同步機制，多種網絡協議的網絡支持等功能；第四，模塊化設計，系統上的任務模塊都可以在運行的時候被鏈接或者解除鏈接，使新模塊的開發變得更加容易，而且可以減少內存的使用，這非常適合小型的嵌入式系統開發。

1 系統功能模塊的設計

根據各個功能模塊的不同，本視頻傳輸系統主要包括3個模塊設計：其一是視頻采集模塊，完成的功能主要是設置和控制攝像頭對視頻數據進行采集，其二是視頻發送接收模塊，主要完成ARM板與顯示終端之間的視頻數據傳送與接收，其三是視頻顯示模塊，主要完成接收數據的實時動態顯示，顯示界面是基于Qt的窗口開發。

2 視頻采集模塊

視頻的采集要用到V4L2協議，即video for Linux 2，是運行在Linux操作系統之上的關于視頻設備的內核驅動框架。它主要利用一系列的回調函數來實現程序監測設備和操作設備的能力，包括視頻數據壓縮的格式，攝像頭頻率、幀頻的設置，圖像的參數等。

V4L2是Linux內核提供給應用程序訪問語音、視頻驅動的API（Application Program Interface），它為應用層和驅動層提供接口函數，開發者調用函數就可以直接控制、操作相應的視頻硬件設備。

視頻傳輸系統中視頻的采集主要包括以下幾個部分：視頻設備的打開，視頻設備屬性及采集方式的設置，視頻數據的處理，關閉視頻設備。

2.1 視頻設備的打開

在Linux操作系統中，設備文件被看做是文件類型，我們可以像操作文件一樣去操作視頻設備。該系統中采用中星微ZC301攝像頭。采用非阻塞、可讀可寫模式，用open函數打開攝像頭設備，其命令代碼為：

int camera_fd；

camera_fd = open（“/dev/video0”， O_RDWR | O_NONBLOCK）；

應用程序中可以使用阻塞模式和非阻塞模式打開視頻設備。如果使用非阻塞模式，即使視頻設備沒有捕獲到信息，驅動依然會把緩存數據返回給應用程序；采用阻塞模式，則驅動會阻塞等待視頻設備，直到采集到數據。

2.2 視頻設備屬性及采集方式的設置

視頻設備屬性的設置主要通過ioctl函數來進行設置，ioctl的調用格式為：

result = ioctl（Fd， Command， Parameter）；

其中Fd表示設備描述符，Command表示控制命令，Parameter表示控制命令需要的參數，ioctl函數返回值result根據控制命令的不同而有不同的意義。Linux操作系統視頻設備驅動V4L2支持的常用的控制命令及其功能為：

VIDIOC_ENUM_FMT； 獲取當前視頻設備支持的視頻格式；

VIDIOC_QUERYCAP； 查詢當前視頻設備的功能；

VIDIOC_S_FMT； 設置視頻設備的視頻數據格式；

VIDIOC_REQBUFS； 請求V4L2驅動分配視頻緩沖區；

VIDIOC_QUERYBUF； 查詢已經分配的V4L2的視頻緩沖區的相關信息；

VIDIOC_QBUF； 投放一個空的視頻緩沖區到視頻緩沖區輸入隊列中。

當調用上述一系列的ioctl函數及控制命令后，視頻設備已經準備就緒，等待視頻采集的開始。

2.3 視頻數據的處理

當設置ioctl函數控制參數為VIDIOC_STREAMON時，即啟動視頻采集命令，視頻設備驅動程序開始采集視頻數據；采集過程中設置控制參數VIDIOC_DQBUF，從視頻緩沖區的輸出隊列中取得一個已經保存有一幀視頻數據的視頻緩沖區。

在處理視頻數據時，會牽涉到內存映射的概念。內存映射提供了一種機制：讓用戶程序可以直接訪問設備內存，相比較在用戶空間和內核空間互相拷貝數據，效率會得到明顯的提高。Linux操作系統下，V4L2位于內核空間，運行在視頻設備的驅動層中，應用程序不能直接訪問，需要通過調用mmap函數把內核空間內存映射到用戶空間，之后應用程序才能通過訪問用戶空間地址來訪問內核空間。

內存映射需要調用mmap函數，其格式為：

void *mmap（void *start， size_t length， int prot， int flags， int fd， off_t offset）；

其中start指向映射的內存起始地址，length表示需要內存映射的文件大小，prot參數用來設置映射區域的保護方式，flags表示影響映射區域的各種特性，fd和offset分別表示要映射到內存的文件描述符和文件映射的偏移量。

視頻傳輸系統的整個數據采集過程如圖1所示，圖中假設驅動程序向內核空間申請5個內存緩沖區，其中應用程序的數據處理是在用戶空間，驅動程序采集數據的過程是在內核空間中。

2.4 關閉視頻設備

設置ioctl控制參數為VIDIOC_STREAMOFF時，即停止視頻采集命令，視頻設備驅動程序不再采集視頻數據，視頻設備關閉：

close（fd）；

3 視頻數據傳輸模塊

視頻數據在ARM板與顯示終端之間通過網絡編程中socket套接字進行通信。socket是一種特殊的I/O接口，是一種常用的進程之間的通信機制。簡單的說，socket套接字是在用戶層和TCP/IP協議之間封裝了一系列的接口函數API。常見的socket有兩種類型，流式socket和數據報socket，使用的協議分別為TCP協議和UDP協議，本文中使用TCP協議的流式套接字編程，其流程圖如圖2所示。

系統設計中ARM開發板作為客戶端，顯示終端作為服務器端，客戶端通過connect函數與服務器端建立連接。準備就緒后，將采集模塊中攝像頭采集的視頻數據發送至服務器端，即顯示終端Qt界面，服務器端完成接收功能。

4 視頻顯示模塊

視頻的顯示終端是基于Qt設計的窗口控制部件，接收客戶端的視頻數據后，將數據以實時動態的圖片顯示在終端界面上。

Qt是一種跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發框架，是一種面向對象的框架，它能夠提供程序開發者建立圖形用戶界面所需要的所有功能。Qt包括250個以上的C++類，特別是其核心機制—— 信號和插槽機制，使得Qt的開發變得很方便。本系統的設計過程中，主要用到Qt庫中QTCPServer，QPixmap，QImage，QByteArray，QTextStream等相關的類，其界面開發效果如圖3所示。

5 結 語

本文設計實現了在Linux操作系統下，利用內核下V4L2協議驅動采集、發送、接收并實時動態顯示視頻監控的系統。本文中采用面向連接的TCP協議socket編程，保證了視頻顯示的準確性和流暢性，另外，基于Qt的界面開發也展現了其強大的功能。本系統實現了一套簡單的、準確的、可移植性強的視頻監控方法，可以完成最基本的監控功能。相信安防在未來的發展過程中，會有更廣闊的應用和發展。

參 考 文 獻

[1] Anon. Video for Linux resources [R/OL]. [2010-06-26]. http：//www.exploits.org/v4l/.

[2] RABINER L R， GOLD B. Theory and application of digital signal processing [M]. London： Prentice Hall， 1975.

[3] Chen J J. Next generation Internet-based stereoscopic video transmission system [J]. Journal of Dalian University of Technology， 2005 （45）： 220-224.

[4]張輝，李新華. 基于V4L2視頻采集緩存機制應用與實現[J]. 計算機應用技術，2010（20）；54，56.

[5]陳莉君，康華，張波. Linux內核設計與實現[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[6]馬宏偉，張軍平. 基于32位嵌入式系統實時圖像采集模塊[J]. 電子技術應用，2003，24（4）；59-61.

[7]郝東東，紀珂. 基于S3C2440-Linux的視頻傳輸系統設計[J]. 計算機光盤軟件與應用， 2012（1）；141-142.

[8]劉飛，張曦煌. 基于嵌入式平臺的USB攝像頭驅動程序的實現[J]. 計算機工程與設計，2008（8）；1994-1996.

[9]宋寶華. Linux設備驅動詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[10]陳宗成，鄧華秋. 基于ARM11的嵌入式視頻傳輸系統的實現[J]. Video Engineering， 2013（37）；210-213.