基于嵌入式Linux的3G無線視頻終端的設計與實現

Preview通道可以將YCbCr4：2：2格式的圖像轉換為RGB(16bit或24bit)格式的數據，并存放于為PreviewDMA分配的內存中，最大分辨率為640×480。主要用于本地液晶屏顯示，Codec通道可以輸出YCbCr4：2：0或YCbCr4：2：2格式到為Codec DMA分配的內存中。最大分辨率為4 096x4 096，主要用于圖像的編解碼處理。在本系統中使用的是Codec通道。
視頻采集模塊的設計采用的是V4L2(Video for Linux Two)V4L2，它是Linux下開發視頻采集設備驅動程序的一套規范，該規范采用分層的方法給驅動程序的開發提供了清晰的模型和一致的接口，并且正對視頻設備的應用程序編程也提供了一系列接口函數。其中應用程序處于最上層，V4L2處于中間層，而實際的硬件設備則處于下層，其本身包括兩層驅動結構，上層是videodev模塊，下層為V4L2驅動程序。video-dev通過V4L2驅動程序的成員函數來調用V4L2驅動。在V4L2驅動的驅動程序初始化過程中，它首先枚舉它將要處理的系統中的設備，為每個設備填充struct v412_device結構，并且將指向該結構的指針傳遞給v412_register_device()函數，該函數調用v4L2_deviee結構體中的初始化函數對設備進行初始化。當v412驅動程序初始化完成后，v412通過傳遞一個包含驅動程序成員函數，次設備號以及相關信息的結構給videod-ev，從而完成它將要處理設備在videodev的注冊工作，當應用程序通過系統調用觸發了某個驅動程序時，控制權首先傳遞給videodev中的函數，videodev將應用程序傳遞的文件或i節點結構指針轉換為相應的v412結構指針，并調用v412中的處理函數。以本系統以OV9650攝像頭為例，其驅動框架如圖5所示。

視頻采集過程如下，應用程序首先打開視頻設備文件，攝像頭在系統中對應的設備文件為／dev／camera，通過系統調用“open(“／ dev／camera”，O_RDWR)”函數打開該設備，獲得一個文件描述符fd，利用ioctl(fd，VIDIOCGPICT，capability)函數獲取攝像頭的相關信息，例如設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等，填充在結構體video_capability中，通過調用ioctl(fd，VIDIOCGPICT，pict-ure)獲取圖像的相關信息如采集圖像的對比度、亮度、調色板等屬性，并且填充在video_picture結構體中，在獲取這類信息后，可根據實際需要來對其重新賦值，具體做法是將需要設置的值賦給相應結構體，然后通過系統調用ioctl(fd，VIDIOCSPICT，)函數寫入設備。在圖像獲取方式上使用mmap()系統調用來實現內存映射達到各進程共享內層的目的，利用共享內存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數據的拷貝。使用mmap方式獲取圖像數據，需要首先設置圖像幀的緩沖區結構，即struct video_mmap，如每次采集幀數，圖像高度、寬度，圖像調色板格式等等。然后調用ioctl(fd，VIDIOCMCAPTURE，grab_buf)啟動捕獲過程。調用iotcl(fd，VI-DIOCSYNC，frame)等待采集完成，若該函數成功返回則表示采集完畢，采集到的圖像將放在通過mmap()映射的內存區域內，讀取該內存數據即可獲得圖像數據，其中frame為當前截取的幀數，V4L2允許一次采集多幀數據，可通過設置grab buf．frame來實現。調用close(fd)函數關閉設備文件，終止圖像采集。
2．2 視頻數據處理模塊設計
由視頻采集模塊獲取的視頻圖像需要通過3G網絡來進行傳輸，而從攝像頭直接采集的未經壓縮的數據量非常大，為了在不影響圖像質量的前提下提高傳輸效率，本系統中對原始獲得的視頻圖像進行了壓縮編碼。由于MPEG-4是專門為播放流式媒體的高質量視頻而設計的，并且MPEG-4標準以其高壓縮比、高質量、低傳輸率已經成為目前網絡多媒體傳輸的主要格式和標準。它可利用很窄的帶寬，通過幀重建技術壓縮和傳輸數據，以求使得用最少的數據獲得最佳的圖像質量并且能夠保存接近于DVD畫質的小體積視頻文件。在本系統中選用開源的Xvidcore作為視頻壓縮模塊的核心算法。Xvidcore是一個高效而且便于移植的編碼軟件。它不僅支持Simple Profile和Advanced Profile，還支持I／P Frames B-Frames Interlacing和GMC，以鉆石和方塊模式來進行PMVFast和EPZS運行估計，是目前比較流行的MPEG-4編碼軟件。Xvidcore源碼可從網上下載免費獲得，目前最新版為xvidcore-1．2．2，它提供了一系列的庫函數及接口函數供應用程序使用。但針對嵌入式系統平臺，要使用該庫需要將其移植到嵌入式系統中。移植過程如下：
解壓源代碼：tar-zxvf xvidcore-1．2．2．tar.gz；在使用前需要對xvidcore-1．2．2進行交叉編譯，步驟如下：
1)設置環境變量：export=“xvidcore當前所在目錄”；
2)進入／build／generic目錄；
3)生成Makefrle：／configure-host=local hostbuild=arm-linux-gcc；／／指定交叉編譯工具以便進行交叉編譯；
4)編譯源代碼：make。
將交叉編譯生成的庫文件libxvidcore．so．*拷貝到交叉編譯器工作目錄lib子目錄中。完成編碼庫的移植工作。
以上對個獨立模塊進行了介紹，在軟件實現上對系統進行了整體設計，將各個模塊有機的組合在一起，并充分考慮了系統的可擴展性。
主要結構體如下：