基于S3C2440的视频采集及传输系统设计

王建新，张 凯，王 秀

(西安科技大学雁塔校区通信与信息工程学院，西安710054)

目前，各种视频采集以及传输的系统都是由DSP(图像处理)，ARM(图像显示)以及利用FPGA搭建整个框架［1］，这样会造成资源严重浪费，并且成本较大。随着嵌入式技术的迅猛发展，利用嵌入式实现远程视频采集、可视电话会议等应用已经成为可能。

本文基于 S3C2440和 Linux系统平台，采用USB摄像头捕捉视频信号，利用V4L2应用编程接口函数，实现了视频连续帧图像的采集，并利用TCP传输方式传输给服务器端，实现对嵌入式视频远程传输。开发的终端具有体积小，功耗低，适用于便携式视频采集需要。

1 视频采集传输系统的软硬件架构

本文以三星公司S3C2440为硬件平台，其片上64 M SDRAM可以满足视频采集软件的内存需要，256 M NAND FlLASH用于存放文件和系统，3个通道的UART等控制器和丰富的接口，使其扩展功能强大，功耗低，简单稳定符合要求。整个硬件框架如图1所示。

图1 系统硬件架构

视频采集传输系统软件架构由以下部分组成:USB(ZC301)摄像头，摄像头驱动，视频采集应用程序，视频传输，视频显示组成。如图2所示。

图2 视频采集传输系统软件构架

USB摄像头进行采集图像数据，采集图像格式为MJPE，采集应用程序通过摄像头驱动从摄像头获得采集的图像数据。利用V4L2接口函数对设备采集的数据进行操作，最后通过网络传输(TCP)将数据传输给PC机进行显示［2］。

2 视频采集应用程序开发

Linu系统具有开源性，高可靠性和强大的网络功能等特点。在此基于linux2.6内核，对其进行裁剪和配置，使内核支持USB驱动和V4L2标准，建立交叉编译环境，移植编译好的内核到目标板，以构建linux文件系统，进行视频采集传输应用程序的开发。

在linux系统下，图像采集设备依赖于V4L2(Video 4 linux 2)标准支持，它针对linux内核视频设备提供了一系列API接口函数［3］，视频采集流程如图3所示。

①打开视频设备

在V4L2中，视频设备被看作一个文件。使用open()函数以阻塞模式打开摄像头设备，函数格式为:

open()函数中包含两个参数，第1个参数代表打开的设备文件名，第2个参数代表设备的打开类型(读/写，阻塞或非阻塞)，返回值为文件描述符fd，若返回值为大于0，则打开设备正确;若返回值为-1，则打开设备错误。

②初始化设备，包括获取设备信息，设置设备格式，函数格式为:

图3 视频采集流程

③设置视频捕获格式

当检测完视频设备支持的标准后，还需要设定视频捕获格式，函数格式如下:

④分配内存

向驱动申请帧缓冲，一般不超过5个。使用ioctl命令字VIDIOC_REQBUFS来调用struct v4l2_requestbuffers，v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，驱动会据此申请对应数量的视频缓存。

⑤获取并记录缓存的物理空间

使用VIDIOC_REQBUFS，获取两个缓存，并通过调用VIDIOC_QUERYBUF命令来获取这些缓存的地址，再使用mmap()函数转换成应用程序中的绝对地址，最后把这段缓存放入缓存队列。使用V4L2进行图像采集时候，在一帧缓冲完成之后，都会将第二帧覆盖到另一个缓存中，req.count个缓存轮流使用，不丢数据。函数格式如下:

ioctl(fd，VIDIOC_QUERYBUF，＆buf);//获取到对应index的缓存信息，此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。与用户空间传递数据的一个中介，会被循环利用。

⑥图像数据采集

V4L2有三种视频图像采集方式:read()、write()方式，内存映射方式和用户指针方式。

本文采用的内存映射方式是在内核空间开辟一段地址空间，通过mmap()系统调用将其映谢到地址空间。

图像采集过程中需要使用两个ioctl的命令:即VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF命令。函数格式为:

在配置内核时候，对USB驱动初始化，我们加上V4L2，并修改.config文件，支持ZC301摄像头，然后进行编译成内核镜像。

3 视频传输应用程序

常用的图像传输协议有TCP协议和UDP协议。

TCP是传输控制协议，是一种面向连接(连接导向)的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。UDP即用户数据报协议，是一种无连接协议，传输数据之前客户端和服务器端不建立连接［4］。

在传输过程中，TCP在丢包方面比UDP严密，不容易丢包。因此本文为利用TCP协议来传输数据，首先初始化摄像头利用V4L2接口，连接到linux系统的公用协议标准，然后将数据存放至缓冲区，产生数据包，并且将数据包利用TCP传输，最后传输到 PC 机并显示出来［5］。

在linux中网络编程是通过socket接口来进行的。Socket是一种常用的进程之间的通信机制。TCP协议下的socket编程流程图，如图4所示。

Socket编程基本函数有 socket()、bind()、listen()、accept()、Send()以及 Recv()等，其中根据客户端还是服务器，这些函数的调用流程有所区别，这里对每个函数进行简明:

图4 TCP协议socket编程流程图

Socket():该函数用于建立一个socket连接，可以指定socket类型信息，对结构体sockaddr_in初始化:包含地址族，端口号，IP地址等;

Bind()该函数用于将本地IP地址绑定到端口号，若绑定其他IP地址则不成功。另外还用于TP连接;

Listen():服务端程序成功建立套接字和地址进行绑定之后，还需要准备在该套接字上接受新的连接请求;

Accept():调用accept()函数等待并且接收客户端的连接请求;

Connect():用于与服务器建立连接;

Send()与Recv():分别用于发送和接收数据。

4 测试结果

搭建目标机linux2.6.32运行环境，并且通过宿主机使用交叉编译器连接生成可执行文件，向目标机移植后运行。

将USB摄像头同目标机连接好了之后，若成功挂载USB摄像头，则终端下会显示识别USB设备，如图5所示。

图5 USB摄像头驱动测试结果

对整个系统进行测试，该系统在传输320×240大小并以MJPEG编码的视频时，视频监控服务器端观察图像流畅并且清晰，足够满足视频监控需求，如图6所示。

图6 系统测试结果

5 结论

本文提出一种基于S3C2440平台和嵌入式linux系统的C/S模型视频采集和传输方案，采用普通市面上的USB摄像头，极大的降低了成本，利用socket编程实现TCP网络传输过程，经测试，服务器端可以实时的接受到采集传输的视频，图像清晰，满足视频监控要求。

［1］周立功.ARM＆WinCE实验与实践—基于S3C2410［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［2］王培珍，徐俊生.基于ARM9的嵌入式linux图像采集设计系统［J］.中国制造业信息化，2007，10:85-88

［3］李新峰，何广生，赵秀文.基于ARM9的嵌入式Linux开发技术［M］.北京:电子工业出版社，2008，10:118-127

［4］陈文智.嵌入式系统开发原理与实践［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［5］怯肇乾.嵌入式网络通信开发应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.

［6］吴明晖.基于ARM的嵌入式系统开发和应用［M］.北京:人民邮电出版社，2005.

［7］江湖，苏详芳，刘立海，等.基于网络的数字视频监控系统［J］.武汉大学学报(自然科学版)，2000，46(5):608-612.

［8］Lu Yinli，Yu Hongli，Zhang Pengpeng.The Implementation of Embedded Image Acquisition Based on V4L2［C］//Electronics，Communications and Control(ICECC)，2011 International Conference.Heng yang，China.2011:549-552