基于UVC協(xié)議的ROS視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

朱 鴿 ，鄭 杰 ，肖宇 峰

（1.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學 特殊環(huán)境機器人技術(shù)四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010）

0 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)一直是嵌入式平臺研究中的一個重要方向，Linux系統(tǒng)具有源代碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定、可裁減性、支持硬件廣泛及驅(qū)動豐富等特點[1]，嵌入式視頻監(jiān)控多采用Linux作為其軟件平臺[2]。機器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System）是一種次級操作系統(tǒng)[3]，易用性、開發(fā)效率高、跨平臺、代碼可復用成為ROS的主要優(yōu)點，目前已有多款嵌入式機器人平臺使用ROS作為其控制系統(tǒng)，如PR2、TurtleBot等。

本文設(shè)計實現(xiàn)了應(yīng)用于ROS平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。ROS系統(tǒng)為FireWire（IEEE1394）攝像頭提供了官方支持，1394也稱火線接口，優(yōu)點是傳輸速度快，缺點是其針形接口兼容性差。相比之下USB攝像頭兼容性強，安裝方便，且價格便宜，本課題的視頻采集設(shè)備采用USB攝像頭。

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、UVC（USB Video Class）視頻類協(xié)議傳輸方法、V4L2（Video for Linux 2）視頻采集程序幾個方面來完成系統(tǒng)設(shè)計，最后設(shè)計出應(yīng)用于ROS上的uvc_cam視頻采集功能包，實現(xiàn)圖像采集與視頻監(jiān)控功能，為嵌入式ROS機器人平臺的視頻監(jiān)控開發(fā)提供一種有效的方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的目的是設(shè)計實現(xiàn)基于ROS系統(tǒng)平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。ROS起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室的項目與機器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage的個人機器人項目之間的合作[4]。ROS主要支持Ubuntu系統(tǒng)，提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能。

本文設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用USB視頻采集設(shè)備，設(shè)計基于UVC視頻類協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸方法，并利用ROS系統(tǒng)底層提供的V4L2視頻編程接口完成視頻采集程序的設(shè)計，最后根據(jù)ROS的系統(tǒng)構(gòu)架完成視頻采集功能包uvc_cam的設(shè)計，實現(xiàn)ROS操作系統(tǒng)平臺的視頻監(jiān)控功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于UVC協(xié)議的視頻傳輸方法

2.1 UVC標準及支持

由于視頻采集模塊不同、傳輸協(xié)議不同等原因，ROS系統(tǒng)需要安裝不同的USB驅(qū)動程序，這給移動機器人平臺的使用帶來很多不便。針對此問題，本文設(shè)計基于UVC協(xié)議規(guī)范的視頻傳輸方法，使ROS系統(tǒng)為符合UVC視頻類標準的USB攝像頭提供通用驅(qū)動，方便安裝和使用。

2.2 UVC協(xié)議視頻端口描述符設(shè)計

一個USB視頻類設(shè)備接入ROS平臺后需要通過描述符讓ROS主機獲得它的屬性和被確認為標準的USB類設(shè)備，這些描述符是標準的USB描述符，并在其子描述符中定義了USB設(shè)備的各種功能[5]。對于視頻設(shè)備的每個功能，需要一個視頻控制端口和一個或多個視頻流端口實現(xiàn)[6]。本文系統(tǒng)設(shè)計的視頻接口描述符及功能如下：

（1）輸入終端描述：一個實體代表數(shù)據(jù)流的開始端點，描述了圖像視頻流數(shù)據(jù)的來源。

（2）相機終端描述：相機終端控制傳輸視頻流的設(shè)備組件的機械特性。

（3）選擇單元描述：起著源選擇器的作用，選擇多個輸入數(shù)據(jù)流并路由它們到單一的輸出流。

（4）處理單元描述：描述了對圖像亮度、色調(diào)、對比度、平移、變焦等參數(shù)的處理。

（5）輸出終端描述：將終端描述為前面的幾個部分和主機之間的端口，將視頻數(shù)據(jù)輸出，通過顯示屏顯示。

2.3 UVC設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)

UVC標準的視頻控制接口包含了USB視頻采集、處理、輸出相關(guān)組件，視頻流接口包含了與主機之間實現(xiàn)交互的組件，這些組件構(gòu)成本文系統(tǒng)設(shè)計的UVC設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 UVC設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)

一個符合UVC規(guī)范的USB攝像頭插入到ROS平臺接口時，從視頻傳感器得到的數(shù)據(jù)流由相機終端輸入，復合視頻設(shè)備得到的數(shù)據(jù)流從輸入終端進入，在本系統(tǒng)的設(shè)計中，相機終端和輸入終端兩個功能組件由USB視頻采集模塊來完成。然后經(jīng)過選擇單元路由后交給處理器進行亮度、對比度等優(yōu)化，最后由輸出終端綁定到USB端點并與ROS主機進行交互，完成視頻流處理，ROS主機獲取該USB攝像頭的屬性和功能。

3 基于V4L2的視頻采集程序設(shè)計

3.1 V4L2應(yīng)用編程接口

V4L2是由Bill Dirks[7]設(shè)計完成的針對Linux的視頻捕捉應(yīng)用程序接口。V4L2是V4L的升級版本[8]，與V4L相比，有更好的擴展性和靈活性。V4L2對 V4L做了徹底改動，因此兩者并不兼容，V4L2最大的優(yōu)勢是可以自定義設(shè)備驅(qū)動緩存數(shù)量，支持的硬件設(shè)備也更多[9]。

本系統(tǒng)的視頻采集程序設(shè)計部分采用V4L2標準框架，V4L2不僅是針對UVC免驅(qū)USB設(shè)備的編程框架，同時ROS操作系統(tǒng)底層也提供了V4L2編程接口。

3.2 V4L2視頻采集模型

V4L2在視頻采集中用到的兩個重要系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)是 ioctl（）和 mmap（）。 ioctl（）是設(shè)備接口控制函數(shù)，對設(shè)備的I/O通道進行控制，視頻采集過程中獲取設(shè)備功能、設(shè)置幀格式、申請幀緩沖等操作函數(shù)都將通過該系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。

ioctl（）語法為：ioctl（int fd，int request，void*argp），fd為通過open（）函數(shù)獲得的設(shè)備文件描述符；request為系統(tǒng)調(diào)用類型，用于告訴系統(tǒng)操作的動作，如VIDIOC_QUERYCAP是獲取設(shè)備功能；argp是用戶數(shù)據(jù)指針，用于參數(shù)傳遞和數(shù)據(jù)接收。

mmap（）系統(tǒng)調(diào)用使得進程之間通過映射同一普通文件來實現(xiàn)共享內(nèi)存，實現(xiàn)從內(nèi)核空間到用戶空間的映射，不需要任何數(shù)據(jù)拷貝，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。在本系統(tǒng)設(shè)計中，還會用到幾個 V4L2常用的API函數(shù)：open（）用于打開一個設(shè)備，close（）函數(shù)用于關(guān)閉一個設(shè)備，read（）函數(shù)用于從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

3.3 V4L2視頻采集程序設(shè)計

基于V4L2編程規(guī)范和視頻采集模型，本文設(shè)計的視頻采集程序流程及其對應(yīng)的操作函數(shù)如圖3。

圖3 視頻采集流程及操作函數(shù)

4 ROS視頻傳輸實現(xiàn)方法

4.1 ROS系統(tǒng)構(gòu)架

ROS的首要設(shè)計目標是在機器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復用率。ROS可以分成兩層，低層為操作系統(tǒng)層，高層則是廣大用戶群貢獻的實現(xiàn)不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖、行動規(guī)劃、感知、模擬等。ROS是一種分布式處理框架（又稱Nodes），這使可執(zhí)行文件能被單獨設(shè)計，并且在運行時松散耦合。這些過程可以封裝到數(shù)據(jù)包（Packages）和堆棧（Stacks）中，以便于共享和分發(fā)。

計算圖級是ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡(luò)形式。程序運行時，所有進程以及它們所進行的數(shù)據(jù)處理將會通過一種點對點的網(wǎng)絡(luò)形式表現(xiàn)出來。主要包括以下幾個重要概念：

（1）節(jié)點（node）：一些執(zhí)行運算任務(wù)的進程。

（2）消息（message）：節(jié)點之間通過傳送消息進行通信。

（3）主題（topic）：消息以一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞。一個節(jié)點可以在一個給定的主題中發(fā)布消息。

4.2 uvc_cam功能包結(jié)構(gòu)及設(shè)計

結(jié)合ROS系統(tǒng)構(gòu)架，本節(jié)將敘述基于UVC協(xié)議的ROS視頻傳輸功能包uvc_cam的設(shè)計方法。上節(jié)講解了節(jié)點、消息等概念，ROS中有無數(shù)的節(jié)點、消息、服務(wù)、工具和庫文件，需要有效的結(jié)構(gòu)去管理這些代碼。ROS文件系統(tǒng)級指的就是在硬盤上面查看的ROS源代碼的組織形式，而功能包（packge）就是ROS中組織軟件的主要形式。一個簡單的ROS功能包包括一個存放源代碼的src文件夾、一個 CMakelists.txt文件、一個manifest.xml文件。

圖4是uvc_cam功能包的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

（1）src文件夾存放源程序，包括視頻采集程序uvc_cam.cpp、視頻采集節(jié)點實現(xiàn)程序uvc_cam_node.cpp、頭文件uvc_cam.h。

（2）CMakeList.txt文件包含了用于安裝動態(tài)鏈接庫和生成可執(zhí)行文件的語句。下面是該文件中的兩條核心語句：

圖4 uvc_cam包的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

rosbuild_add_library（uvc_cam src/uvc_cam/uvc_cam.cpp），由uvc_cam.cpp編譯建立視頻采集的鏈接庫。

rosbuild_add_executable （uvc_cam_node src/uvc_cam_node.cpp），該句的功能是由uvc_node_cam.cpp編譯添加可執(zhí)行的視頻采集節(jié)點文件uvc_cam_node。

（3）manifest.xml提供關(guān)于uvc_cam功能包的元數(shù)據(jù)，包括它的許可信息以及與其他功能包之間的依賴關(guān)系。

4.3 結(jié)果驗證

前面已經(jīng)描述了ROS系統(tǒng)構(gòu)架計算圖級和點對點的數(shù)據(jù)處理方式。圖5是本文設(shè)計實現(xiàn)ROS視頻監(jiān)控的節(jié)點拓撲關(guān)系圖。

圖5 視頻監(jiān)控實現(xiàn)節(jié)點關(guān)系

一個終端打開視頻采集節(jié)點uvc_cam_node，另外一個終端打開圖像顯示節(jié)點image_view，兩個節(jié)點之間通過/camera/rgb/image_color進行話題發(fā)布和消息訂閱，uvc_cam_node節(jié)點實現(xiàn)視頻采集，在image_view節(jié)點的終端顯示，效果如圖6。

圖6 視頻監(jiān)控效果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了ROS平臺上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了ROS在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性。結(jié)合本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了基于UVC視頻類協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸方法，實現(xiàn)了UVC規(guī)范的USB攝像頭與ROS系統(tǒng)平臺的即插即用，避免了ROS系統(tǒng)接口兼容性和驅(qū)動安裝等問題帶來的不便。詳細描述了V4L2視頻采集程序設(shè)計流程和系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，有效地利用了ROS系統(tǒng)提供的應(yīng)用編程接口。最后根據(jù)ROS的系統(tǒng)構(gòu)架，設(shè)計了uvc_cam視頻采集程序功能包，實現(xiàn)視頻采集和傳輸功能。該系統(tǒng)有良好的設(shè)備兼容性和實用性，視頻采集性能穩(wěn)定，實時性好，是嵌入式ROS系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)視頻監(jiān)控的一種有效方法。

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