QNX下低成本視頻監控方案及實現

蔣俊銘

(上海交通大學自動化系，上海 200240)

控制系統中，在進行實時控制的同時，常常還希望能夠得到被控對象的視頻監控圖像，這時就必須使用到攝像頭。USB攝像頭作為市場上廣泛使用的設備，具有價格低廉、運用廣泛及技術成熟等特點[1]。使用USB攝像頭可以加速系統開發，同時還能保證系統的穩定性和可靠性。然而QNX操作系統卻沒有提供對于UVC(USB Video Class)攝像頭的支持，為了在QNX控制系統中引入視頻監控，筆者介紹了在resource manager框架[2]下UVC標準攝像頭驅動程序的編寫。

與傳統的操作系統不同，QNX操作系統是一個完全的微內核實時操作系統[3]，在其內核中，只提供了線程服務、信號服務、消息傳輸服務、同步服務、時間服務、調度服務和進程管理服務[3]。而常見的網絡協議棧、文件系統、設備驅動及UI接口等都是作為獨立的進程存在于操作系統中的。QNX充分發揮了虛擬內存技術的優勢，保證了系統中各個模塊的獨立，同時也保證了系統各個進程的安全。QNX系統的內核架構如圖1所示。

圖1 QNX系統內核架構

2 驅動程序框架

為了便于實現QNX操作系統下驅動程序的編寫和多進程程序的模塊化，系統提供了resource manager框架。該框架使用了POSIX接口來實現服務進程和客戶端進程的通信，還提供了類似于LINUX文件系統模型的設備訪問接口。這在提高系統靈活性的同時也降低了開發難度。resource manager的結構框架如圖2所示。

圖2 resource manager結構框架

在該框架下，可以方便地使用open()、read()及write()[2]等函數對QNX下的設備進行簡單而快捷的操作。具體的操作流程為：客戶端向驅動程序發送IPC信息(調用open()等函數時產生)，驅動程序端的消息等待函數從阻塞等待狀態醒來，然后再到resource manager層搜索相關的函數來處理該信息；待處理過程結束后，消息等待函數重新回到消息等待狀態。為了實現完整的resource manager功能，在編寫驅動程序時，需要提供相應的消息處理函數。本驅動程序在io_open()函數(處理由客戶端open()函數向resource manager發送的io_open消息)中實現了UVC攝像頭描述符解析、配置及啟動等功能，在io_read()函數中實現了同步查詢式的圖像幀數據傳輸等功能，而io_close()函數則用于取消數據傳輸及關閉設備等。

3 UVC標準與USB攝像頭操作

USB設備支持熱插拔，標準統一，同時還有很好的通用性，越來越多的廠商愿意在自己的設備中加入對USB標準的支持。然而隨著越來越多廠商實現了各自的USB攝像頭，USB攝像頭的控制協議也變得越來越紛亂，為了實現對USB攝像頭的標準化，USB標準化組織制定了UVC標準協議。

UVC標準的基本思想為：將USB攝像頭的基本信息(設備描述符)按一定的格式寫在設備自身內部，當USB攝像頭接入系統時，標準的USB協議棧能夠正確地識別該設備所屬的子類，然后將設備注冊到相應的驅動程序，設備對應的驅動程序解讀存儲于設備內部的設備描述符，并根據描述符提供的信息，按UVC協議完成對設備的控制和圖像的獲取。設備描述符如圖3所示。

圖3 設備描述符結構

在獲取了以上描述符并成功注冊設備之后，驅動程序便可以根據UVC操作流程對攝像頭進行操作了。

UVC對于攝像頭的控制主要有視頻控制請求和視頻流請求兩種。這兩種請求都是通過設置請求(set request)和獲取請求(get request)兩種操作來實現的。設置請求和獲取請求的操作參數分別見表1、2。

表1 設置請求操作參數

表2 獲取請求操作參數

由表1和表2的比較可知設置請求操作和獲取請求操作的區別是bmRequestType和bRequest兩個參數不同，bmRequestType指明了具體的操作類型，bRequest指明了要獲取或者設置的參數項，這些參數項所對應的實體和實體內的對象分別由wIndex和wValue指定。需注意的是在同種操作中，針對實體(接口通常被視為虛擬實體)和端點的請求類型碼是不同的。在以上兩個操作的基礎上，UVC標準協議定義了具體的視頻控制請求和視頻流請求。當攝像頭能夠自動調節參數時，處理好視頻流請求操作便可以控制攝像頭了。

視頻流請求最重要的操作是參數探測、參數確認和接口切換，這些操作是啟動視頻流傳輸必須的步驟，圖4為具體的視頻啟動流程。在啟動視頻的過程中，需要進行3次設置操作和一次獲取操作。在探測過程中，需要設置的參數主要有格式編號、幀索引編號及幀間隔等，其中幀格式編號指明了所使用圖像的格式，如MJPG，幀索引編號用于設定分辨率，而幀間隔用于設定幀率。當獲取的默認設置不能滿足要求時需要設置以上參數。

圖4 視頻啟動流程

4 QNX下程序的實現

UVC驅動程序的主要工作包括兩個部分：與QNX系統USB協議棧進行數據交互和建立resource manager處理來自用戶的信息。與QNX系統USB協議棧進行數據交互的過程如圖5所示。該圖詳細描述了UVC驅動程序與其他程序的交互順序。USB協議棧隨操作系統啟動后處于服務狀態，然后UVC驅動進程啟動并向USB棧注冊該驅動所處理設備的類型(UVC設備子類型在USB標準中為0x0e)和相應的回調函數。

圖5 與QNX系統USB協議棧進行 數據交互的過程

完成注冊后，當有UVC標準的攝像頭接入系統時，QNX下USB協議棧會主動通知UVC驅動程序。具體為圖5中“設備接入通知”所示。要啟動視頻流傳輸，還需要客戶端啟動相應的程序，如圖5中“打開設備”所示。因為resource manager支持POSIX標準，所以可以很方便地使用open()、read()及close()等POSIX標準函數實現設備的操作。

圖像數據的傳輸是通過同步查詢的方式實現的。USB下數據的傳輸需要建立URB(Usb Request Block)[4]，然后用如下函數向USB協議棧提交URB和數據傳輸請求：

int usbd_setup_isochronous(

struct usbd_urb * urb, //URB指針

uint32_t flags,//請求傳輸類型

int32_t frame,//特定幀編號

void * addr,//緩沖區地址

uint32_tlen )；//緩沖區長度

視頻傳輸啟動后，數據幀隨URB返回到驅動程序。當獲取數據幀之后，需要將圖像數據從數據幀中提取出來。本程序中使用了MJPEG格式作為圖像幀格式，相應的數據幀格式如圖6所示。當URB收到數據并返回后，會同時返回數據幀的總長度，將幀頭長度減去之后，得到有效數據的長度，將有效圖像數據從數據幀中取出，并重新組裝成圖像幀，便可以成功獲取MJPEG圖像幀了。

5 結束語

選用了羅技C270型號的攝像頭作為圖像獲取設備，并在QNX平臺下成功實現了UVC標準下攝像頭驅動程序的編寫。該驅動程序能夠穩定獲取320×240、30Hz的圖像，并能夠滿足對分辨率要求不高的環境下的監控。因為該攝像頭驅動程序滿足UVC標準，所以該驅動程序同時還具有很好的移植性，可以很方便地進行移植。

圖6 數據幀格式

[1] 李涵.USB接口驅動的研究與設計[D].青島：山東科技大學,2005.

[2] 徐竟青,黃俊峰,李一平.QNX設備驅動程序的編制[J].計算機工程,2003,29(12): 176～178.

[3] 任寧寧.多核平臺下強實時操作系統QNX調度機制的應用研究[D].成都：西南交通大學,2013.

[4] 楊偉,劉強,顧新.Linux下USB設備驅動研究與開發[J].計算機工程,2006,32(19):283～285.