基于嵌入式系統的視頻壓縮編碼研究

周斌 李和

摘 ? 要：文章主要研究了視頻信號的采集與壓縮編碼，在分析了現有的視頻傳輸格式后，利用ARM Cortex A8為核心的嵌入式Linux系統對所采集的視頻信號以硬件編碼的方式實現H.264壓縮編碼，在保證視頻清晰度的同時完成視頻的壓縮并編碼，同時，通過串口發送壓縮后視頻信息流。最后經測試，壓縮編碼后的視頻傳輸穩定，畫面清晰流暢。

關鍵詞：Linux;H.264;編碼

1 ? ?關鍵技術分析與選擇

1.1 ?嵌入式操作系統的選擇

一個合格的嵌入式操作系統選取應該包含以下幾點要求：（1）穩定性，在嵌入式運行過程中需要滿足全天候不間斷工作，這就對系統的穩定性提出了較高的要求。作為運行軟件的基礎平臺，系統的穩定運行是第一要務。（2）可移植性，在現代社會，市場上有大量的嵌入式設備可供選擇，有著完全不同的體系結構，為了降低程序的二次開發難度，本次研究所選的操作系統應該具備良好的代碼可移植性。

1.2 ?處理器的選擇

芯片集成度是否滿足要求，即處理器應集成的控制器是否有適合項目的接口與控制設備，通常會選擇在完成任務的情況下選擇耗能較少的處理器。硬件成本合適，價格低廉性能優良的處理器較為合適。

1.3 ?圖像壓縮編碼選擇的標準

常用的編碼格式有MPEG4，H.263，H.264，H.265，都能滿足要求。H.265是新的視頻編碼標準，目前使用度并不高，主要因為在使用難度上它的需求高。考慮到項目研究需求以及使用場合，主要是使用視頻壓縮編碼技術，傳輸帶寬有一定的要求，綜上所述，MPEG4和H.264較為符合要求[1]。嵌入式系統CPU中包含使用硬件編碼的MFC模塊。但在同等的傳輸帶寬下，相比較下H.264比MPEG4有著更好的數字傳輸特性。

2 ? ?軟件設計與實現

2.1 ?系統軟件總體結構

一個完整的嵌入式系統軟件需要滿足：含有應用程序庫、操作系統、以及驅動系統。（1）內核版本，本次研究考慮到系統的完整性、穩定性等一系列要求，認為3.0.8內核版本較為合適。由于系統需要更小的體積以及更高的傳輸效率，所以在操作過程中盡量降低內核體積，在通過使用嵌入式開發環境進行編譯，在生成最新的內核映像文件后，使用SD卡燒寫用于操作系統內核的安裝。（2）設備驅動，Linux操作系統作為驅動以及硬件的操作系統，系統驅動程序上需要檢查主要包括USB/UART芯片CH340驅動、硬件編碼器MFC驅動等。（3）應用程序，系統應用程序中含有視頻采集模塊以及視頻壓縮轉換模塊，USB/UART模塊。（4）庫在嵌入式系統，其使用編譯代表了資源的多少，在這個過程中會需要使用到很多的庫用于進行編譯碼的運行處理[2]。系統框架如圖1所示。

2.2 ?視頻采集模塊

在嵌入式視頻采集方案中最通用的協議是V4L2，它是V4L的改進版，在Linux2.5.x中就被加入到Linux內核中。另外，V4L2支持UVC免驅設備，省去了USB攝像頭驅動移植的困難，極大地方便了視頻采集模塊的開發。在研究中采用羅技C270攝像頭來開發視頻采集應用，開發板Tiny210，當USB攝像頭連接后，Linux會在/dev目錄下創建USB攝像頭操作接口Video3。使用V4L2的視頻采集后，就能通過使用內存映射的方式將USB攝像頭采集到的數據映射到可操作的用戶空間。這里調用線程實現重復采集數據并保存在mmap映射內存中，方便下一步調用顯示函數和H.264編碼函數[3]。在視頻采集中的重要步驟如下：

使用open（“/dev/video3”，O_RDWR | O_NONBLOCK）函數通過非阻塞的方式打開USB攝像頭/dev下的video3驅動。使用ioctl（cam_fd，VIDIOC_ENUM_FMT，&fmt）枚舉視頻設置支持的格式，ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap）查詢視頻設備支持的功能。這里將攝像頭參數打印出來，可知USB攝像頭支持的視頻采集格式為YUYV。設置攝像頭采集參數ioctl（cam_fd，VIDIOC_S_FMT，&stream_fmt）。結構體stream_fmt參數如下：

stream_fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

stream_fmt.fmt.pix.width =320;

stream_fmt.fmt.pix.height =240;

stream_fmt.fmt.pix.pixelformat = PIXELFMT;

stream_fmt.fmt.pix.field= V4L2_FIELD_INTERLACED;

初始化完成后用ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYBUF，&buf）將申請到的buf地址放入視頻采集緩存中使用，用于存儲視頻數據。調用ioctl（cam_fd，VIDIOC_STREAMON，&type）函數，開始進行采集圖像工作。

從buf地址中獲取圖像并復制給新的存儲地址，把buf重新歸隊繼續采集圖像數據形成循環采集獲取到視頻流。當需要停止時使用ioctl（cam_fd，VIDIOC_STREAMOFF，&type）停止視頻采集。并且使用unmap（）函數釋放被占用的視頻緩存區buf。再關閉驅動文件close（cam_fd）就可以停止視頻采集。

2.3 ?視頻壓縮程序設計

（1）通過函數打開MFC硬件編碼設備：

SsbSipMfcEncOpen（&buf_type）。

（2）初始化編碼器對編碼結構體SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM進行必要的參數設置。如采用什么編碼類型、編碼圖像的高度和寬度、比特率、量化參數和幀率等選項進行設置。主要地配置如下：

err=SsbSipMfcEncInit（openHandle， param）;

param->codecType = H264_ENC;

param->SourceWidth = CapWidth;

param->SourceHeight = CapHeight;

param->Bitrate = 30000;

param->FrameQp = 30;

param->FrameRate = 30。

（3）建立和獲取數據輸入的緩存地址：

err = SsbSipMfcEncGetInBuf（openHandle，&iinfo）;

err = SsbSipMfcEncSetInBuf（openHandle，&iinfo）。

（4）調用編碼函數進行H.264視頻壓縮編碼：

err = SsbSipMfcEncExe（openHandle）。

（5）建立和獲取編碼輸出的緩存地址：

SSBSIP_MFC_ENC_OUTPUT_INFO oinfo;

err=SsbSipMfcEncSetOutBuf（openHandle，phyOutbuf，virOutbuf，outbufSize）;

err = SsbSipMfcEncGetOutBuf（openHandle，&oinfo）。

（6）編碼完成后，硬件編解碼器設備MFC：

err = SsbSipMfcEncClose（openHandle）。

3 ? ?系統嵌入式硬件平臺測試

采用“友善之臂”提供的Tiny210方案，可以外接7寸的液晶屏。開機后正常運行，進入系統后運行“友善之臂”提供的檢測軟件測試各種功能是否正常使用。使用串口轉USB模塊連接電腦后，可以通過PC機上的SecureCRT查看目錄文件是否被成功掛載。最后對硬件接口進行功能測試，如進到/dev下，觀察是否有ttyUSB0串口設備接口文件，如果沒有說明串口接口電路有問題，需重新檢查串口模塊是否能正常使用。

3.1 ?圖像采集和顯示功能驗證

在驗證初期，通過使用代碼編寫圖片的采集截取一幀使視頻通過BMP格式保存圖片信息，驗證V4L2可操作USB攝像頭。后續實現連續的圖像采集形成視頻流文件，通過fwrite保存視頻文件來實現在PC機上使用PotPlayer播放器播放視頻文件，分析播放效果，一步步完善代碼實現視頻的采集與播放功能。圖2為所采集圖像在7寸LCD液晶屏播放的效果，圖像清晰、畫面流暢、運行穩定。

3.2 ?圖像壓縮功能驗證

圖像壓縮主要就是對視頻信號進行H.264壓縮編碼[4]，觀察壓縮后數據量與壓縮前數據量大小是否變化，將編碼后的H.264文件通過SD卡復制到電腦上，就能用具有解碼工具的軟件進行播放，如H.264文件可以用PotPlayer軟件進行播放，觀察播放效果，判斷是否編碼成功，并進一步改善代碼，使得視頻壓縮比例可調，以應對不同帶寬需求的場景。圖2上方是未壓縮前的視頻圖像，下方是經壓縮處理過的視頻圖像，對比兩張圖像可以看出經壓縮處理的視頻圖像質量很好，盡管清晰度有所下降但不影響觀看。

4 ? ?結語

通過研究基于ARM-Cortex A8的嵌入式Linux開發平臺中關于視頻編碼設計，主要完成了有關V4L2協議下的USB攝像頭的視頻采集，采用S5PV210上的MFC硬件編碼對視頻數據進行H.264格式編碼，并使用串口進行數據流發送，對后期無線數字調制傳輸具有較高的參考價值。

[參考文獻]

[1]李毓強.基于H_264和流媒體的嵌入式多路網絡視頻監控系統設計與實現[D].南京：南京郵電大學，2016.

[2]姚莉，鄧丹君.基于A8的嵌入式Linux遠程視頻監控系統的設計與實現[J].物聯網技術，2016（5）：24-26.

[3]楊建國，蔡立志，鄭紅.基于ARM的嵌入式視頻監控系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2018（10）：31-33.

[4]吳大中，胡江浪.基于ARM的移動視頻監控系統設計[J].現代電子技術，2016（4）：123-127.