03嵌入式视频图像采集和处理

光电学院电子信息工程专业“嵌入式信息系统课程设计”任务书

第一章基础知识

一、编程原理

如何对各种音视频设备进行操作是在Linux上进行音频编程的关键，通过内核提供的一组系统调用，应用程序能够访问驱动程序提供的各种音视频设备接口，这是在Linux 下进行音视频编程最简单也是最直接的方法。在Linux下，设备驱动程序可以看成Linux 内核与外部设备之间的接口。设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现了的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备，可以使用和操作文件中相同的、标准的系统调用接口函数来完成对硬件设备的打开、关闭、读写和I/O控制操作，而驱动程序的主要任务也就是要实现这些系统调用函数。本系统平台使用的嵌入式Linux系统在内核主要功能上与Linux操作系统没本质区别，所以驱动程序要实现的任务也一样，只要编译时使用的编译器、部分头文件和库文件等要涉及到具体处理器体系结构，这些都可以在Makefile文件中具体指定。

Video4Linux(简V4L)是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行的TV卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。对于电视卡、摄像头，其驱动程序中需要提供基本的I/O操作接口函数open、read、write、close的实现。对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O通道的控制接口函数ioctl的实现等，并把它们定义在struct file_operations中。这样当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等系统调用操作时，Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。例如，当应用程序对设备文件执行读操作时，内核将调用file_operations结构中的read函数。在系统平台上对摄像头驱动编译进内核后，摄像头就可正常工作了，接着就可以进行了本课题的主要内下一步对视频流的采集编程。

摄像头被驱动后，只需要再编写一个对视频流采集的应用程序就可以了。根据嵌入式系统开发特征，先在宿主机上编写应用程序，再使用交叉编译器进行编译链接，生成在目标平台的可执行文件。宿主机与目标板通信采用打印终端的方式进行交叉调试，成功后移植到目标平台。本设计编写采集程序是在安装Linux操作系统的宿主机PC机上进行的。

Linux 的帧缓冲设备Framebuffer 是在Linux 内核架构版本2.2 以后推出的标准显示设备驱动接口。采用mmap 系统调用，可以将framebuffer 的显示缓存映射为可连续访问的一段内存储针,进行绘图工作。而且多个进程可以映射到同一个显示缓冲区。由于映射操作都是由内核来完成，所以我们基本上不用对Framebuffer 做改动。

Framebuffer 驱动程序的实现分为两个方面：一方面是对LCD 及其相关部分的初始化，包括画在缓冲区的创建和对DMA 通道的设置，我们做的工作主要体现在这方面；另外一方面是对画面缓冲区的读写及控制，具体到代码为read、write、ioctl 等系统调用接口。至于将画面缓冲区的内容输出到LCD 显示屏上，则由硬件自动完成。对于软

件来说是透明的。当对于DMA 通道和画面缓冲区设置完成后，DMA 开始正常工作，并将缓冲区中的内容不断发送到LCD 上。这个过程是基于DMA对于LCD 的不断刷新的。基于该特性，framebuffer 驱动程序必须将画面缓冲区的存储空间（物理空间）重新映射到一个不加高缓存和写缓存的虚拟地址区间中，这样能才保证应用程序通过mmap将该缓存映射到用户空间后，对于该画面缓存的写操作能够实时的体现在LCD 上。帧缓冲设备对应的设备文件为/dev/fb0-31,linux 可以支持最多可达32 个帧缓冲设备，/dev/fb0 为当前默认的帧缓冲设备。帧缓冲设备为标准字符设备，主设备好号为29，次设备号则从0 到31，分别对应/dev/fb0-fb31.

对驱动程序的基本概念和基本框架的详细介绍见选题2嵌入式Linux设备驱动程序设计文档。

二、编程接口

1、Video4Linux2 编程接口

（1）程序中定义的数据结构

Østruct video_capability vc;

Østruct video_window vw;

Østruct video_mbuf vm;

Østruct video_channel vch;

这些数据结构都是由Video4Linux支持的，它们的用途如下：

²video_capability :设备的基本信息（设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等）

²video_window :关于capture area的信息

²video_mbuf :利用mmap进行映射的帧的信息

²video_channel: 关于各个信号源的属性

（2）系统调用函数

程序中用到的主要系统调用函数有：

Øopen("/dev/voideo0",int flags)

Øclose(fd)

Ømmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset)

Ømunmap(void *start,size_tlength)

Øioctl(int fd,int cmd,…)

前面提到Linux系统中把设备看成设备文件，在用户空间可以通过标准的I/O系统调用函数操作设备文件，从而达到与设备通信交互的目的。当然，在设备驱动中要提供对这些函数的相应支持。

打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在Linux编程中，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理，其中fd代表设备文件描述符，cmd代表用户程序对设备的控制命令，省略号一般是一个表示类型长