作者：余雅琴，王超，胡晨，王素

引言

隨著多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和后PC機(jī)時(shí)代的到來，利用嵌人式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、可視電話和視頻會(huì)議等應(yīng)用已成為可能。為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，實(shí)時(shí)獲得視頻數(shù)據(jù)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。針對(duì)這一點(diǎn)本文在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上，基于Video4Linux（簡(jiǎn)稱V4L）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了攝像頭驅(qū)動(dòng)開發(fā)，詳細(xì)敘述了V4L技術(shù)和攝像頭在Blackfin536 DSP平臺(tái)上的Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

1 Video4Linux

V4L是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Linux在TV、多媒體上的應(yīng)用是目前相當(dāng)熱門的研究領(lǐng)域，而其中最關(guān)鍵的技術(shù)則是Linux的V4L。V4L是Linux kernel里支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)臄z像頭與攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，可以讓我們實(shí)現(xiàn)影像采集、AM／FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能；而目前最主要的則是應(yīng)用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，例如：遠(yuǎn)距離教學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離診斷系統(tǒng)、視頻會(huì)議等。

目前，V4L這套接口已發(fā)展為V4L 2，前者比后者簡(jiǎn)單，但存在兩個(gè)不足之處：驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)不能同時(shí)打開多個(gè)設(shè)備；現(xiàn)存的V4L API不能很好地支持帶編碼能力的設(shè)備。本文為便于研究攝像頭驅(qū)動(dòng)開發(fā)，還是使用V4L。

V4L主要結(jié)構(gòu)體如下：

camera_open，camera_close是打開和關(guān)閉視頻采集設(shè)備；camera_read，是讀取視頻圖像；視頻驅(qū)動(dòng)主要的控制接口都是通過 ioctl來實(shí)現(xiàn)的，如圖像的格式、亮度、色度等信息都是通過ioctl函數(shù)獲取和設(shè)置的。ioctl命令部分如下：

V4L支持兩種方式捕獲圖像：mmap（卻嬗成浞絞？和read（直接讀取方式），本系統(tǒng)采用mmap。需預(yù)先設(shè)置好圖像的大小和深度，接著使用 VIDIOCGMBUF命令，它會(huì)返回用于mmap的緩存（buffer）的大小以及每幀緩存的偏移地址（offset）。驅(qū)動(dòng)程序里的映射函數(shù)為 static intbf536_v411_mmap（Struct file*filp，structvm_area_struct*vma）；抓幀完成后，在應(yīng)用程序里通過內(nèi)存映射，讀取圖像數(shù)據(jù)。

2 硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)采用CMOS模擬傳感器，經(jīng)TI公司的TVP5150A視頻解碼芯片把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成 ITU-R BT．656視頻信號(hào)，再送給ADI公司的Blackfin536 DSP處理器進(jìn)行圖像處理，如圖1所示。TVP5150向DSP提供采樣時(shí)鐘信號(hào)CLK（27MHz），8根數(shù)據(jù)線傳輸內(nèi)嵌同步控制碼流的ITU-R BT．656格式的數(shù)據(jù)，DSP通過I2C接口對(duì)視頻解碼器進(jìn)行配置。視頻數(shù)據(jù)由DMA搬運(yùn)到SDRAM。

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3．1 驅(qū)動(dòng)程序核心結(jié)構(gòu)體的介紹

本系統(tǒng)的軟件平臺(tái)是嵌入式uclinux，因此，攝像頭作為一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載到uclinux內(nèi)核中。一般而言，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)都會(huì)有它的核心結(jié)構(gòu)體，攝像頭驅(qū)動(dòng)的核心結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)如下：struct camera device

該結(jié)構(gòu)體儲(chǔ)存了幾乎全部與攝像頭視頻圖像相關(guān)的信息。其中的結(jié)構(gòu)體videoDev和videoV4l1是與V4L相關(guān)聯(lián)的，ppiDev是與ADSP- BF537處理器硬件配置相關(guān)的，而frame［CAMERA_NUMFRAMES］則與采集時(shí)當(dāng)前視頻幀數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。此外，camera_device 該核心結(jié)構(gòu)體還定義了表示奇偶場(chǎng)的成員變量frame_field，表示當(dāng)前幀的抓取狀態(tài)的成員變量grabbing等。

3．2 硬件配置

本系統(tǒng)在開發(fā)過程中，最主要的難點(diǎn)在于硬件的配置，正確配置TVP5150、PPI、DMA需要搞清楚整個(gè)攝像頭的工作原理，以及各種圖像格式的基本知識(shí)。本文主要給出PPI和DMA的幾個(gè)關(guān)鍵配置選項(xiàng)。

3．2．1 PPI配置

TVP5150A視頻解碼芯片把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成ITu-RBT．656視頻信號(hào)，ITU-R BT．65*：2：2并行接口的數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于PAL制系統(tǒng)（NTSC系統(tǒng)類似），一幀圖像包括兩場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)（奇偶場(chǎng)），每一場(chǎng)圖像由四部分構(gòu)成：有效視頻數(shù)據(jù)，水平消隱，垂直消隱以及控制字。而PPI接口在ITU-656輸入模式下可以支持3種數(shù)據(jù)傳輸，若選擇有效視頻數(shù)據(jù)，則可以實(shí)現(xiàn)PPI 與TVP5150A解碼器的無縫連接。且傳輸?shù)挠行б曨l數(shù)據(jù)就是UYVY422格式，所以配置PPI控制寄存器為ITu-656輸入、傳輸有效視頻數(shù)據(jù)。 PPI傳輸?shù)挠行б曨l數(shù)據(jù)每場(chǎng)都由288行組成，每行有1440個(gè)取樣字，其中720個(gè)亮度Y取樣字，360個(gè)藍(lán)色色差Cb，360個(gè)紅色色差Cr，按 Cb、Y、Cr、Y的次序排列。而UYVY422格式數(shù)據(jù)是：每個(gè)像素點(diǎn)都取亮度值，而藍(lán)色色差和紅色色差是每兩個(gè)像素點(diǎn)才各取一個(gè)，兩者交替取，所以圖像像素是720×576。這樣可以確定ppi frame=576（整幅圖像的行數(shù)）。而ppi count不用配置，因?yàn)樵贗TU-R BT．656視頻信號(hào)中有H和V信號(hào)。

3．2．2 DMA配置

本系統(tǒng)采用二維DMA來提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，采用16位傳輸，且傳輸完一場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷。dma_x_count=720（相當(dāng)于每行數(shù)據(jù)需傳輸?shù)拇螖?shù)，每行720個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)2個(gè)字節(jié)。每行要傳720×2個(gè)字節(jié)，而dma是16位傳輸，所以x_count=720）。 dma_x_modify=2（相鄰兩次傳輸數(shù)據(jù)的偏移地址，以字節(jié)為單位，因?yàn)槭?6位傳輸，所以為2）。

由于PAL制視頻數(shù)據(jù)是隔行掃描，每幀分為奇偶兩場(chǎng)，兩場(chǎng)在時(shí)域上是分開的，但是在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要將兩場(chǎng)合成一幀進(jìn)行處理，因此為了減少CPU的處理時(shí)間，可以利用DMA直接進(jìn)行場(chǎng)合成。在一場(chǎng)的傳輸中，DMA在傳輸完一行數(shù)據(jù)后，預(yù)留下一行的存儲(chǔ)空間，將數(shù)據(jù)存放到第三行的地址。在一場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸完后，下一場(chǎng)的數(shù)據(jù)就填充上一場(chǎng)預(yù)留的存儲(chǔ)空間，也是隔行存儲(chǔ)，這樣兩場(chǎng)數(shù)據(jù)就合成一幀數(shù)據(jù)了。所以，dma_y_modify=1442（一行720像素點(diǎn)，占720×2字節(jié)。而一行末地址到下一行首地址還需2字節(jié)。所以720×2+2=1442）。同時(shí)，兩場(chǎng)數(shù)據(jù)存放的起始地址的設(shè)置間隔也是1442字節(jié)。

3．3 中斷服務(wù)子程序

本系統(tǒng)的中斷服務(wù)子程序主要是一場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完后，產(chǎn)生中斷，并根據(jù)數(shù)據(jù)的奇偶場(chǎng)做出相應(yīng)的處理。其流程如圖2所示。

4 結(jié)束語

本文介紹了在Blackfin DSP和Linux的平臺(tái)下，攝像頭驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)。此驅(qū)動(dòng)由測(cè)試程序測(cè)試，可以正常工作。此驅(qū)動(dòng)尚存在不足之處，那就是在驅(qū)動(dòng)的抓幀過程中沒有采用乒乓操作，但是采用了兩個(gè)幀緩存來存取數(shù)據(jù)，因此乒乓操作可以在上層應(yīng)用中完成。

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