基于Linux視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其軟硬件可裁剪，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)精簡(jiǎn)、高效、針對(duì)性強(qiáng)的相對(duì)簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)是windows問(wèn)世以來(lái)最熱門的操作系統(tǒng)之一,其作為嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：第一，Linux最重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是Linux的源代碼的開放性，是免費(fèi)的,只要遵守GPL(GNUGeneralPublicLicense)的規(guī)定，就可以免費(fèi)獲得拷貝，這也使眾多的開發(fā)者為其打造了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);第二，Linux支持多種硬件平臺(tái)，現(xiàn)在已經(jīng)被移植到ARM，CRIS，AMDX86-64,IBMS/390等各種體系結(jié)構(gòu)上；第三，Linux操作系統(tǒng)功能強(qiáng)大，其可以提供多任務(wù)的進(jìn)程調(diào)度，完全的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，多進(jìn)程間通信和同步機(jī)制，多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)支持等功能；第四，模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)上的任務(wù)模塊都可以在運(yùn)行的時(shí)候被鏈接或者解除鏈接，使新模塊的開發(fā)變得更加容易，而且可以減少內(nèi)存的使用，這非常適合小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

1系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)各個(gè)功能模塊的不同，本視頻傳輸系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊設(shè)計(jì)：其一是視頻采集模塊，完成的功能主要是設(shè)置和控制攝像頭對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其二是視頻發(fā)送接收模塊，主要完成ARM板與顯示終端之間的視頻數(shù)據(jù)傳送與接收,其三是視頻顯示模塊，主要完成接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示,顯示界面是基于Qt的窗口開發(fā)。

2視頻采集模塊

視頻的采集要用到V4L2協(xié)議，即videoforLinux2,是運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)之上的關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)框架。它主要利用一系列的回調(diào)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序監(jiān)測(cè)設(shè)備和操作設(shè)備的能力，包括視頻數(shù)據(jù)壓縮的格式，攝像頭頻率、幀頻的設(shè)置,圖像的參數(shù)等。

V4L2是Linux內(nèi)核提供給應(yīng)用程序訪問(wèn)語(yǔ)音、視頻驅(qū)動(dòng)的API(ApplicationProgramInterface),它為應(yīng)用層和驅(qū)動(dòng)層提供接口函數(shù)，開發(fā)者調(diào)用函數(shù)就可以直接控制、操作相應(yīng)的視頻硬件設(shè)備。

視頻傳輸系統(tǒng)中視頻的采集主要包括以下幾個(gè)部分：視頻設(shè)備的打開，視頻設(shè)備屬性及采集方式的設(shè)置，視頻數(shù)據(jù)的處理，關(guān)閉視頻設(shè)備。

2.1視頻設(shè)備的打開

在Linux操作系統(tǒng)中，設(shè)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(shè)備。該系統(tǒng)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(shù)打開攝像頭設(shè)備，其命令代碼為：

intcamera_fd；

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

應(yīng)用程序中可以使用阻塞模式和非阻塞模式打開視頻設(shè)備。如果使用非阻塞模式，即使視頻設(shè)備沒有捕獲到信息,驅(qū)動(dòng)依然會(huì)把緩存數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用程序；采用阻塞模式，則驅(qū)動(dòng)會(huì)阻塞等待視頻設(shè)備，直到采集到數(shù)據(jù)。

2.2視頻設(shè)備屬性及采集方式的設(shè)置

視頻設(shè)備屬性的設(shè)置主要通過(guò)ioctl函數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)置，loctl的調(diào)用格式為：

result=loctl(Fd,Command,Parameter)；

其中Fd表示設(shè)備描述符，Command表示控制命令,Parameter表示控制命令需要的參數(shù)，loctl函數(shù)返回值result根據(jù)控制命令的不同而有不同的意義。Linux操作系統(tǒng)視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)V4L2支持的常用的控制命令及其功能為：

VIDIOC_ENUM_FMT；獲取當(dāng)前視頻設(shè)備支持的視頻格式；

VIDIOC_QUERYCAP；查詢當(dāng)前視頻設(shè)備的功能；VIDIOC_S_FMT；設(shè)置視頻設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)格式；VIDIOC_REQBUFS；請(qǐng)求V4L2驅(qū)動(dòng)分配視頻緩沖區(qū)；VIDIOC_QUERYBUF；查詢已經(jīng)分配的V4L2的視頻緩沖區(qū)的相關(guān)信息；

VIDIOC_QBUF；投放一個(gè)空的視頻緩沖區(qū)到視頻緩沖區(qū)輸入隊(duì)列中。

當(dāng)調(diào)用上述一系列的ioctl函數(shù)及控制命令后，視頻設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，等待視頻采集的開始。

2.3視頻數(shù)據(jù)的處理

當(dāng)設(shè)置ioctl函數(shù)控制參數(shù)為VIDIOC_STREAMON時(shí),即啟動(dòng)視頻采集命令，視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開始采集視頻數(shù)據(jù)；采集過(guò)程中設(shè)置控制參數(shù)VIDIOC_DQBUF，從視頻緩沖區(qū)的輸出隊(duì)列中取得一個(gè)已經(jīng)保存有一幀視頻數(shù)據(jù)的視頻緩沖區(qū)。

在處理視頻數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)牽涉到內(nèi)存映射的概念。內(nèi)存映射提供了一種機(jī)制：讓用戶程序可以直接訪問(wèn)設(shè)備內(nèi)存，相比較在用戶空間和內(nèi)核空間互相拷貝數(shù)據(jù)，效率會(huì)得到明顯的提高。Linux操作系統(tǒng)下，V4L2位于內(nèi)核空間，運(yùn)行在視頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)層中，應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)，需要通過(guò)調(diào)用mmap函數(shù)把內(nèi)核空間內(nèi)存映射到用戶空間，之后應(yīng)用程序才能通過(guò)訪問(wèn)用戶空間地址來(lái)訪問(wèn)內(nèi)核空間。

內(nèi)存映射需要調(diào)用mmap函數(shù)，其格式為：

void*mmap(void*start，size_tlength，intprot，intflags，intfd，off_toffset)；

其中start指向映射的內(nèi)存起始地址，length表示需要內(nèi)存映射的文件大小，prot參數(shù)用來(lái)設(shè)置映射區(qū)域的保護(hù)方式，flags表示影響映射區(qū)域的各種特性，fd和offset分別表示要映射到內(nèi)存的文件描述符和文件映射的偏移量。

視頻傳輸系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖1所示，圖中假設(shè)驅(qū)動(dòng)程序向內(nèi)核空間申請(qǐng)5個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)，其中應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)處理是在用戶空間，驅(qū)動(dòng)程序采集數(shù)據(jù)的過(guò)程是在內(nèi)核空間中。

2.4關(guān)閉視頻設(shè)備

設(shè)置ioctl控制參數(shù)為VIDIOC_STREAMOFF時(shí)，即停

止視頻采集命令，視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不再采集視頻數(shù)據(jù)，視頻設(shè)備關(guān)閉:

close(fd)；

3視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊

視頻數(shù)據(jù)在ARM板與顯示終端之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程中socket套接字進(jìn)行通信。socket是一種特殊的I/O接口，是一種常用的進(jìn)程之間的通信機(jī)制。簡(jiǎn)單的說(shuō)，socket套接字是在用戶層和TCP/IP協(xié)議之間封裝了一系列的接口函數(shù)API。常見的socket有兩種類型，流式socket和數(shù)據(jù)報(bào)socket，使用的協(xié)議分別為TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，本文中使用TCP協(xié)議的流式套接字編程，其流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ARM開發(fā)板作為客戶端，顯示終端作為服務(wù)器端，客戶端通過(guò)connect函數(shù)與服務(wù)器端建立連接。準(zhǔn)備就緒后，將采集模塊中攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端，即顯示終端Qt界面，服務(wù)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(shè)計(jì)的窗口控制部件，接收客戶端的視頻數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的圖片顯示在終端界面上。

Qt是一種跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架,

是一種面向?qū)ο蟮目蚣埽軌蛱峁┏绦蜷_發(fā)者建立圖形用戶界面所需要的所有功能。Qt包括250個(gè)以上的C++類，特別是其核心機(jī)制一信號(hào)和插槽機(jī)制，使得Qt的開發(fā)變得很方便。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要用到Qt庫(kù)中QTCPServer,

QPixmap,Qlmage,QByteArray,QTextStream等相關(guān)的類,的視頻監(jiān)控方法，可以完成最基本的監(jiān)控功能。相信安防在其界面開發(fā)效果如圖3所示。

圖3基于Qt的視頻顯示終端

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在Linux操作系統(tǒng)下，利用內(nèi)核下V4L2協(xié)議驅(qū)動(dòng)采集、發(fā)送、接收并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示視頻監(jiān)控的系統(tǒng)。本文中采用面向連接的TCP協(xié)議socket編程，保證了視頻顯示的準(zhǔn)確性和流暢性，另外，基于Qt的界面開發(fā)也展現(xiàn)了其強(qiáng)大的功能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一套簡(jiǎn)單的、準(zhǔn)確的、可移植性強(qiáng)未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，會(huì)有更廣闊的應(yīng)用和發(fā)展。

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