嵌入式視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法研究

何青

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 浙江杭州 310018）

摘要：本文將主要介紹嵌入式視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并在論述各系統(tǒng)主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出嵌入式視頻采集系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；視頻采集；

一、引言

伴隨世界范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的蓬勃發(fā)展，作為視頻系統(tǒng)的重要組成部分之一，嵌入式視頻采集和視頻信號(hào)處理已經(jīng)成為我國(guó)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。這也主要是因?yàn)樵谶h(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離診斷系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)等場(chǎng)合中，對(duì)視頻采集速度、圖像質(zhì)量、傳輸方式等都有更好的要求。

二、視頻采集系統(tǒng)概述

所謂視頻采集（Video Capture）就是把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)的過(guò)程，具體實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)專用的模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備，將諸如攝像機(jī)、電視機(jī)等設(shè)備輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，并將其保存下來(lái)。這里所說(shuō)的轉(zhuǎn)換設(shè)備一般指的就是視頻采集卡，目前這種卡的級(jí)別有家用和專業(yè)兩鐘。一般家用采集卡只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的視頻采集，沒(méi)有專門的硬件級(jí)的視頻壓縮功能，部分家用家用級(jí)的視頻采集卡具有比較初步的硬件級(jí)壓縮功能。而對(duì)于專業(yè)級(jí)的視頻采集卡，除了視頻采集功能外，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的硬件級(jí)壓縮和編輯。

視頻采集系統(tǒng)可以為各種圖像處理算法提供待處理的原始數(shù)字圖像和算法驗(yàn)證平臺(tái)，隨著人們對(duì)視頻圖像需求的激增和各種圖像和視頻新的壓縮標(biāo)準(zhǔn)相繼提出，如 H.263、H.264、MPEG2、MPEG4 和 JPEG2000 等，對(duì)高性能視頻采集系統(tǒng)的研究將成為一個(gè)熱點(diǎn)。按系統(tǒng)的處理器不同，嵌入式視頻采集系統(tǒng)大致可分為三類：第一類是基于專用視頻圖像芯片的視頻采集系統(tǒng)；第二類是基于 PC 的視頻采集系統(tǒng)；第三類是基于 DSP（Digital Signal Processing）的視頻采集系統(tǒng)。

三、嵌入式視頻采集程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用隨著多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的迅速發(fā)展已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛，與人們的日常生活息息相關(guān)。通過(guò)攝像設(shè)備可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，進(jìn)行視頻電話交談，開展遠(yuǎn)程視頻會(huì)議等。而這些功能的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就是嵌入式視頻的采集與處理。本章主要研究針對(duì) USB 攝像頭的驅(qū)動(dòng)及視頻采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.設(shè)備的初始化

這里主要是生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)同時(shí)，還生成 V4L 的設(shè)備文件夾（dev/videox），主要是在系統(tǒng)識(shí)別了 USB 攝像頭后，通過(guò)系統(tǒng)對(duì) V4L 和 USB 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)的支持實(shí)現(xiàn)的。對(duì)設(shè)備文件的操作實(shí)現(xiàn) USB 攝像頭的控制，最終視頻采集程序采集即可通過(guò)調(diào)用 V4LAPIs 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.視頻采集信息在液晶屏上的顯示實(shí)現(xiàn)

（1）視頻捕獲接口設(shè)計(jì)

此步驟的關(guān)鍵是將攝像頭采集到的圖像信息傳送到液晶屏上，并顯示出來(lái)，這一步是在攝像頭驅(qū)動(dòng)程序加載之后實(shí)現(xiàn)的。若要顯示攝像頭采集到的圖像信息，這里需要一個(gè)應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。那么這個(gè)程序如何來(lái)編寫的，本文將給出具體的方法。在嵌入式 Linux 中，所有連接開發(fā)板上的設(shè)備，例如 USB 攝像頭，都是被看做一種特殊文件來(lái)處理的，這些文件就叫做外設(shè)文件。因?yàn)閮?nèi)核和外設(shè)之間的接口是外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，而內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口則是系統(tǒng)調(diào)用的。應(yīng)用程序可以像普通文件一樣對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作，包括完成對(duì)設(shè)備文件的中斷處理功能及各種操作，包括外圍設(shè)備的初始化和釋放。由于 VidcoforLinux（V4L）標(biāo)準(zhǔn)是攝像頭所遵循的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了一套統(tǒng)一的 API 接口，應(yīng)用程序、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)都以這個(gè)接口為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交流。這種設(shè)備包括 USB 攝像頭，屬于目前的 V4L標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的音視頻捕捉及處理等內(nèi)容。所以，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用，視頻應(yīng)用程序即可操作視頻捕捉外設(shè)。

（2）視頻圖像的捕獲

本文對(duì)視頻采集程序的開發(fā)使用的是 V4L，目前音視頻等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用程序都可以使用 V4L 來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。什么試 V4L 呢？可以將 V4L 是看做一套專門 Linux 下所提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序文件的 API，它不僅可以用于音頻應(yīng)用程序的開發(fā)，還可以用于開發(fā)視頻（Video）應(yīng)用程序。根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，這里僅僅闡述有關(guān)視頻相關(guān)應(yīng)用程序開發(fā)內(nèi)容。通過(guò) USB 接口，將攝像頭接入開發(fā)板上的 USB 接口，在程序中一般情況下視頻設(shè)備文件存放在/dev/videox 中，對(duì)攝像頭的操作就是對(duì)文件 video0 進(jìn)行讀的操作。圖像數(shù)據(jù)的具體的捕獲過(guò)程是：首先打開設(shè)備文件，接著查詢和確認(rèn)設(shè)備性能，同時(shí)對(duì)所捕獲的圖像的寬和高、設(shè)置色深等進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行內(nèi)存映射的建立，開始讀取圖像數(shù)據(jù)、最后關(guān)閉設(shè)備。在視頻采集的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)與設(shè)備交互和通信，所以把設(shè)備看成設(shè)備文件。

3.系統(tǒng)測(cè)試

（1）嵌入式系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)

系統(tǒng)測(cè)試中必須要考慮的問(wèn)題是實(shí)踐和硬件影響的問(wèn)題，這是在嵌入式系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)中的首要問(wèn)題。對(duì)于硬件來(lái)說(shuō)，測(cè)試中只要使用專門測(cè)試儀器就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，對(duì)軟件方面的測(cè)試，即嵌入式軟件的測(cè)試則就需要設(shè)計(jì)不同的方法和粗略來(lái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中也需要相關(guān)工具和技術(shù)的支持。使用專門途徑對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試的技術(shù)有很多，有不同的分類，這種專門的測(cè)試技術(shù)指的是運(yùn)用這些途徑所提供的能夠更加有效的特定技術(shù)。確認(rèn)測(cè)試和第三方的驗(yàn)證屬于一般的軟件測(cè)試技術(shù)，第三方驗(yàn)證測(cè)試諸如功能測(cè)試或黑盒測(cè)試，另外還有回歸測(cè)試，即基于代碼的測(cè)試，也叫白盒測(cè)試。其他的測(cè)試方法還有維護(hù)中的修改或升級(jí)測(cè)試（回歸測(cè)試）等。當(dāng)前，基于部件開發(fā)和面向?qū)ο缶幊淌谴蟛糠謱?shí)時(shí)嵌入式軟件的特點(diǎn)，這對(duì)目標(biāo)機(jī)的交叉開發(fā)方式、時(shí)空和宿主機(jī)以及可能的分布運(yùn)行環(huán)境等，這在測(cè)試技術(shù)的選擇方面帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)或問(wèn)題。

（2）白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試

通常所說(shuō)的結(jié)構(gòu)測(cè)試或者邏輯驅(qū)動(dòng)測(cè)試就叫白盒測(cè)試，它的英文叫做 White Box Testing。一般來(lái)說(shuō)軟件的開發(fā)都需要有相關(guān)的規(guī)格和說(shuō)明，那么白盒測(cè)試是通過(guò)測(cè)試來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品是否符合所規(guī)定或設(shè)計(jì)的要求。也就是說(shuō)白盒測(cè)試是按照程序內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試的。在測(cè)試中，這種方法相當(dāng)于把測(cè)試對(duì)象看作一個(gè)打開的盒子，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試人員只要依據(jù)軟件內(nèi)部邏輯來(lái)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，所有就把這種測(cè)試稱為白盒測(cè)試。

這種測(cè)試不需要了解程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)軟件的用途和外部特征查找軟件缺陷是這種測(cè)試方法的特征。測(cè)試中只從使用者的角度出發(fā)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)程序代碼無(wú)依賴，只檢測(cè)其功能、目標(biāo)及要求是否達(dá)到，從這是黑盒測(cè)試的最大優(yōu)點(diǎn)。在測(cè)試中，黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試互為補(bǔ)充，一些問(wèn)題白盒測(cè)試發(fā)現(xiàn)不了可以通過(guò)黑盒測(cè)試發(fā)現(xiàn)，白盒測(cè)試又可發(fā)現(xiàn)黑盒測(cè)試無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。所以兩種測(cè)試方法是密切相關(guān)的。在進(jìn)行嵌入式軟件測(cè)試時(shí)，一般要根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)、性能等需求去判斷軟件是否達(dá)到了這些需求或規(guī)范，需求規(guī)格說(shuō)明的質(zhì)量會(huì)直接影響到測(cè)試結(jié)果，也就是把系統(tǒng)的預(yù)期用途作為重要依據(jù)。極限測(cè)試是嵌入式軟件測(cè)試的一個(gè)重要方面。嵌入式軟件的失效過(guò)程要平衡在測(cè)試的使用環(huán)境中是被通常要求的，所以，除了要檢查軟件工作過(guò)程外，在進(jìn)行黑盒測(cè)過(guò)程中還要檢查軟件的失效過(guò)程。最后為了保證正確的測(cè)試，還需要檢驗(yàn)軟硬件之間的接口。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上可見，作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的輸入源，其視頻采集的性能的好壞將在很大程度上影響整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量。通過(guò)本文的研究，能夠最終解決當(dāng)前一般視頻采集中所出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，對(duì)于科學(xué)設(shè)計(jì)和建設(shè)嵌入式系統(tǒng)及日常開展教育教學(xué)工作都有著積極的意義。

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