摘    要：本文介紹了在嵌入式Linux系統(tǒng)下開發(fā)USB攝像頭圖像采集系統(tǒng)的方法，給出了基于Intel Xscale PXA255處理器的嵌入式圖像采集系統(tǒng)的設計方案，并對如何編寫符合Video for Linux 標準的攝像頭圖像采集程序進行了討論。
關鍵詞：Video for Linux；USB攝像頭；USB驅動
引言
嵌入式Linux操作系統(tǒng)同目前廣泛應用的嵌入式操作系統(tǒng)如pSOS、VxWorks、winCE相比，具有可移植性好、網(wǎng)絡功能強、有的GNU編譯工具支持等優(yōu)點。更重要的是Linux的開放源代碼和的優(yōu)點使得系統(tǒng)成本顯著降低。一流的程序設計和開發(fā)加上測試的開放性使得Linux系統(tǒng)非常可靠和穩(wěn)定，因而越來越多的人開始使用Linux開發(fā)應用程序。Intel Xscale PXA255處理器是一款采用ARM結構，面向高性能、低功耗設備的嵌入式處理器，非常適用于手持移動設備的開發(fā)。USB攝像頭因具有低廉的價格，良好的性能，及方便使用的特性，因此很容易集成到嵌入式系統(tǒng)中。本文介紹的基于嵌入式Linux系統(tǒng)的USB攝像頭圖像采集系統(tǒng)使用采用OV511芯片的WEBEYE攝像頭，在基于PXA255處理器的開發(fā)板上實現(xiàn)了圖像的采集與壓縮，借助Mencoder編碼工具可以將多幅JPEG圖片合成AVI視頻流，并實現(xiàn)視頻回放。

硬件系統(tǒng)總體框圖

  Linux下USB系統(tǒng)軟件結構

獲得圖像過程

  圖像采集程序的流程圖
系統(tǒng)硬件平臺
系統(tǒng)結構
系統(tǒng)硬件平臺如所示。PXA255處理器主頻可達400MHz，內(nèi)部集成了多種外設控制模塊，在實際使用時可以根據(jù)需要進行裁減。開發(fā)板上提供了64M SDRAM、32M Flash、640×480 TFT LCD觸摸屏，以及外擴的USB主口控制器等，它們構成了一個嵌入式多媒體開發(fā)平臺，可以滿足復雜計算和圖形顯示的需求。采用OV511芯片的WEBEYE攝像頭支持多種制式，CIF(352×288)格式幀率達30fps，可實現(xiàn)真正的實時視頻捕獲，VGA(640×480)格式幀率為10~15fps，具有完善的自動亮度、白平衡控制，提供色彩飽和度、對比度、邊緣增強、伽馬表等數(shù)碼影像控制功能。它與TWAIN標準兼容，提供640×480格式的高清晰靜止圖像捕獲模式，具有多種視頻和輸出格式供選擇。USB總線控制器采用Cypress 公司的一款專為嵌入式領域研制的USB控制芯片CY67300，該芯片可作為主口控制，也可作為從口控制芯片，內(nèi)嵌有8051微控制器和RAM，支持全速和高速兩種模式。JTAG口用于Flash的擦寫，UART用于系統(tǒng)調(diào)試。以太網(wǎng)口可使現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，也可作NFS調(diào)試用。
系統(tǒng)工作過程
系統(tǒng)通過WEBEYE攝像頭采集圖像，對現(xiàn)場圖像進行高速捕捉，然后將捕捉到的圖像通過USB總線傳輸?shù)絇XA255處理器進行處理，并將圖像壓縮，保存為JPEG格式的文件。程序調(diào)用Encoder編碼器可以將多幅JPEG格式的圖像合成一段AVI視頻流，實現(xiàn)視頻回放，這在安全監(jiān)控、事故鑒定、車輛防盜等領域中都有廣泛應用。，系統(tǒng)還可以通過以太網(wǎng)口或UART口將保存的圖片和視頻流傳到服務器上，實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控。

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
軟件系統(tǒng)結構
Liunx系統(tǒng)中對USB設備的支持是通過如所示的結構實現(xiàn)的。Linux內(nèi)核中的USB Core為設備和主控制器提供API接口。USB Core包含所有的USB設備和主控制器的一些通用操作，為向上和向下操作提供一個接口。在Linux系統(tǒng)中，設備驅動可分為字符設備、塊設備以及網(wǎng)絡設備。其中，字符設備面向字符I/O操作，沒有緩沖，順序讀??；而塊設備面向數(shù)據(jù)塊，所有操作都通過內(nèi)核地址空間的I/O緩沖區(qū)完成，支持隨機存取操作。USB設備通過快速串行通信的方式工作，應作為字符設備來處理。系統(tǒng)加載設備驅動的方式有模塊加載和內(nèi)核初始化加載兩種：前者通過用戶使用insmod命令動態(tài)加載到內(nèi)核中，通過rmmod命令卸載驅動模塊；后者是把驅動編進內(nèi)核，在內(nèi)核初始化時自動加載。USB主口程序由HCD(主機控制器驅動)、USBD (USB驅動程序)以及客戶程序組成。其中USBD負責管理所有HCD、設備驅動和所有連接到USB總線上的設備，是USB主機軟件的。如所示，Linux系統(tǒng)中USB子系統(tǒng)采用分層結構，其中USBD和HCD提供了支持設備驅動程序開發(fā)的API。USB設備驅動程序不是通過I/O操作訪問設備，而是通過USB Core提供的標準接口與設備交互，它采用由管道組成的通道與設備進行通信。設備驅動程序根據(jù)USBD創(chuàng)建所需的管道，并為其分配傳輸所需的緩沖空間。
USB的傳輸分為控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸以及等時傳輸四種模式。對于時間性極強但是準確性不高的視頻捕捉應用來說，攝像頭應采用等時傳輸模式。Linux系統(tǒng)中，任何USB傳輸都需要通過URB(USB請求塊)來實現(xiàn)。為了盡可能快地得到圖像數(shù)據(jù)，需要加大URB的緩沖，這樣可以降低每個USB事務中握手信息所占的比例，提高有效數(shù)據(jù)傳輸比例。由于每次USB傳輸都要包括URB的建立、發(fā)送、回收、數(shù)據(jù)整理，而在這些階段中不產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)，因此可建立兩個URB交替工作，一個URB在等待回收時初始化另一個URB。獲得圖像的過程如所示。
攝像頭視頻捕獲程序的編寫
攝像頭屬于視頻類設備，遵循的標準為Video for Linux (V4L)標準。這個標準定義了一套API接口，內(nèi)核、驅動、應用程序都以這個接口為標準進行交流。目前的V4L涵蓋了音視頻捕捉及處理等內(nèi)容，也包括USB攝像頭。
Linux系統(tǒng)中一般的文件操作是通過read、write等系統(tǒng)調(diào)用完成，但這些系統(tǒng)調(diào)用是通過內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)之間相互進行數(shù)據(jù)拷貝實現(xiàn)的。對于圖像數(shù)據(jù)來說，進行拷貝必然會增加時間開銷，因此需要使用內(nèi)存映射的辦法來加以解決。
首先應申請足夠大的內(nèi)核態(tài)內(nèi)存作為圖像數(shù)據(jù)緩存，將URB帶來的數(shù)據(jù)暫存；然后將其用remap_page_range函數(shù)映射到用戶態(tài)空間。這樣，用戶態(tài)空間的圖像處理程序就可以使用mmap()函數(shù)，直接讀寫內(nèi)核態(tài)幀緩沖區(qū)，減少了額外開銷。要進行視頻捕捉必須用到VIDIOCMCAPTURE 和VIDIOCSYNC這兩個ioctl函數(shù)。VIDIOCGMBUF包含有所用緩沖器的設置與地址。VIDIOCMCAPTURE用于開始捕捉；VIDIOCSYNC用于等待捕捉完成。為加快數(shù)據(jù)處理速度，一般使用雙緩沖設置，即buffer0捕捉數(shù)據(jù)時，buffer1傳輸數(shù)據(jù)；buffer1捕捉數(shù)據(jù)時，buffer0傳輸數(shù)據(jù)。
整個圖像采集程序的流程圖如所示。將采集到的圖像保存為JPEG格式，然后調(diào)用Mplayer中的Mencoder編碼器，即可將多幅JPEG文件合成一段視頻流，實現(xiàn)視頻回放。

結語
本文在臺式機上編程實現(xiàn)了基于Linux系統(tǒng)的USB攝像頭圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實現(xiàn)每秒30幀的圖像采集，可以直接連續(xù)顯示到屏幕上構成實時監(jiān)控系統(tǒng)，也可壓縮為一段視頻流，用播放器播放出來。通過交叉編譯將程序移植到PXA255開發(fā)板上，實現(xiàn)了預期功能。