蔣俊銘

(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，上海 200240)

控制系統(tǒng)中，在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的同時(shí)，常常還希望能夠得到被控對(duì)象的視頻監(jiān)控圖像，這時(shí)就必須使用到攝像頭。USB攝像頭作為市場(chǎng)上廣泛使用的設(shè)備，具有價(jià)格低廉、運(yùn)用廣泛及技術(shù)成熟等特點(diǎn)[1]。使用USB攝像頭可以加速系統(tǒng)開發(fā)，同時(shí)還能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而QNX操作系統(tǒng)卻沒有提供對(duì)于UVC(USB Video Class)攝像頭的支持，為了在QNX控制系統(tǒng)中引入視頻監(jiān)控，筆者介紹了在resource manager框架[2]下UVC標(biāo)準(zhǔn)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)不同，QNX操作系統(tǒng)是一個(gè)完全的微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[3]，在其內(nèi)核中，只提供了線程服務(wù)、信號(hào)服務(wù)、消息傳輸服務(wù)、同步服務(wù)、時(shí)間服務(wù)、調(diào)度服務(wù)和進(jìn)程管理服務(wù)[3]。而常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)及UI接口等都是作為獨(dú)立的進(jìn)程存在于操作系統(tǒng)中的。QNX充分發(fā)揮了虛擬內(nèi)存技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，保證了系統(tǒng)中各個(gè)模塊的獨(dú)立，同時(shí)也保證了系統(tǒng)各個(gè)進(jìn)程的安全。QNX系統(tǒng)的內(nèi)核架構(gòu)如圖1所示。

圖1 QNX系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)

2 驅(qū)動(dòng)程序框架

為了便于實(shí)現(xiàn)QNX操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的編寫和多進(jìn)程程序的模塊化，系統(tǒng)提供了resource manager框架。該框架使用了POSIX接口來實(shí)現(xiàn)服務(wù)進(jìn)程和客戶端進(jìn)程的通信，還提供了類似于LINUX文件系統(tǒng)模型的設(shè)備訪問接口。這在提高系統(tǒng)靈活性的同時(shí)也降低了開發(fā)難度。resource manager的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 resource manager結(jié)構(gòu)框架

在該框架下，可以方便地使用open()、read()及write()[2]等函數(shù)對(duì)QNX下的設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單而快捷的操作。具體的操作流程為：客戶端向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送IPC信息(調(diào)用open()等函數(shù)時(shí)產(chǎn)生)，驅(qū)動(dòng)程序端的消息等待函數(shù)從阻塞等待狀態(tài)醒來，然后再到resource manager層搜索相關(guān)的函數(shù)來處理該信息；待處理過程結(jié)束后，消息等待函數(shù)重新回到消息等待狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)完整的resource manager功能，在編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要提供相應(yīng)的消息處理函數(shù)。本驅(qū)動(dòng)程序在io_open()函數(shù)(處理由客戶端open()函數(shù)向resource manager發(fā)送的io_open消息)中實(shí)現(xiàn)了UVC攝像頭描述符解析、配置及啟動(dòng)等功能，在io_read()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了同步查詢式的圖像幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，而io_close()函數(shù)則用于取消數(shù)據(jù)傳輸及關(guān)閉設(shè)備等。

3 UVC標(biāo)準(zhǔn)與USB攝像頭操作

USB設(shè)備支持熱插拔，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，同時(shí)還有很好的通用性，越來越多的廠商愿意在自己的設(shè)備中加入對(duì)USB標(biāo)準(zhǔn)的支持。然而隨著越來越多廠商實(shí)現(xiàn)了各自的USB攝像頭，USB攝像頭的控制協(xié)議也變得越來越紛亂，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)USB攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)化，USB標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了UVC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

UVC標(biāo)準(zhǔn)的基本思想為：將USB攝像頭的基本信息(設(shè)備描述符)按一定的格式寫在設(shè)備自身內(nèi)部，當(dāng)USB攝像頭接入系統(tǒng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的USB協(xié)議棧能夠正確地識(shí)別該設(shè)備所屬的子類，然后將設(shè)備注冊(cè)到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序解讀存儲(chǔ)于設(shè)備內(nèi)部的設(shè)備描述符，并根據(jù)描述符提供的信息，按UVC協(xié)議完成對(duì)設(shè)備的控制和圖像的獲取。設(shè)備描述符如圖3所示。

圖3 設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)

在獲取了以上描述符并成功注冊(cè)設(shè)備之后，驅(qū)動(dòng)程序便可以根據(jù)UVC操作流程對(duì)攝像頭進(jìn)行操作了。

UVC對(duì)于攝像頭的控制主要有視頻控制請(qǐng)求和視頻流請(qǐng)求兩種。這兩種請(qǐng)求都是通過設(shè)置請(qǐng)求(set request)和獲取請(qǐng)求(get request)兩種操作來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置請(qǐng)求和獲取請(qǐng)求的操作參數(shù)分別見表1、2。

表1 設(shè)置請(qǐng)求操作參數(shù)

表2 獲取請(qǐng)求操作參數(shù)

由表1和表2的比較可知設(shè)置請(qǐng)求操作和獲取請(qǐng)求操作的區(qū)別是bmRequestType和bRequest兩個(gè)參數(shù)不同，bmRequestType指明了具體的操作類型，bRequest指明了要獲取或者設(shè)置的參數(shù)項(xiàng)，這些參數(shù)項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的實(shí)體和實(shí)體內(nèi)的對(duì)象分別由wIndex和wValue指定。需注意的是在同種操作中，針對(duì)實(shí)體(接口通常被視為虛擬實(shí)體)和端點(diǎn)的請(qǐng)求類型碼是不同的。在以上兩個(gè)操作的基礎(chǔ)上，UVC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義了具體的視頻控制請(qǐng)求和視頻流請(qǐng)求。當(dāng)攝像頭能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，處理好視頻流請(qǐng)求操作便可以控制攝像頭了。

視頻流請(qǐng)求最重要的操作是參數(shù)探測(cè)、參數(shù)確認(rèn)和接口切換，這些操作是啟動(dòng)視頻流傳輸必須的步驟，圖4為具體的視頻啟動(dòng)流程。在啟動(dòng)視頻的過程中，需要進(jìn)行3次設(shè)置操作和一次獲取操作。在探測(cè)過程中，需要設(shè)置的參數(shù)主要有格式編號(hào)、幀索引編號(hào)及幀間隔等，其中幀格式編號(hào)指明了所使用圖像的格式，如MJPG，幀索引編號(hào)用于設(shè)定分辨率，而幀間隔用于設(shè)定幀率。當(dāng)獲取的默認(rèn)設(shè)置不能滿足要求時(shí)需要設(shè)置以上參數(shù)。

圖4 視頻啟動(dòng)流程

4 QNX下程序的實(shí)現(xiàn)

UVC驅(qū)動(dòng)程序的主要工作包括兩個(gè)部分：與QNX系統(tǒng)USB協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和建立resource manager處理來自用戶的信息。與QNX系統(tǒng)USB協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過程如圖5所示。該圖詳細(xì)描述了UVC驅(qū)動(dòng)程序與其他程序的交互順序。USB協(xié)議棧隨操作系統(tǒng)啟動(dòng)后處于服務(wù)狀態(tài)，然后UVC驅(qū)動(dòng)進(jìn)程啟動(dòng)并向USB棧注冊(cè)該驅(qū)動(dòng)所處理設(shè)備的類型(UVC設(shè)備子類型在USB標(biāo)準(zhǔn)中為0x0e)和相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

圖5 與QNX系統(tǒng)USB協(xié)議棧進(jìn)行 數(shù)據(jù)交互的過程

完成注冊(cè)后，當(dāng)有UVC標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭接入系統(tǒng)時(shí)，QNX下USB協(xié)議棧會(huì)主動(dòng)通知UVC驅(qū)動(dòng)程序。具體為圖5中“設(shè)備接入通知”所示。要啟動(dòng)視頻流傳輸，還需要客戶端啟動(dòng)相應(yīng)的程序，如圖5中“打開設(shè)備”所示。因?yàn)閞esource manager支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)，所以可以很方便地使用open()、read()及close()等POSIX標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的操作。

圖像數(shù)據(jù)的傳輸是通過同步查詢的方式實(shí)現(xiàn)的。USB下數(shù)據(jù)的傳輸需要建立URB(Usb Request Block)[4]，然后用如下函數(shù)向USB協(xié)議棧提交URB和數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求：

int usbd_setup_isochronous(

struct usbd_urb * urb, //URB指針

uint32_t flags,//請(qǐng)求傳輸類型

int32_t frame,//特定幀編號(hào)

void * addr,//緩沖區(qū)地址

uint32_tlen )；//緩沖區(qū)長(zhǎng)度

視頻傳輸啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)幀隨URB返回到驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)獲取數(shù)據(jù)幀之后，需要將圖像數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)幀中提取出來。本程序中使用了MJPEG格式作為圖像幀格式，相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。當(dāng)URB收到數(shù)據(jù)并返回后，會(huì)同時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度，將幀頭長(zhǎng)度減去之后，得到有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，將有效圖像數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)幀中取出，并重新組裝成圖像幀，便可以成功獲取MJPEG圖像幀了。

5 結(jié)束語

選用了羅技C270型號(hào)的攝像頭作為圖像獲取設(shè)備，并在QNX平臺(tái)下成功實(shí)現(xiàn)了UVC標(biāo)準(zhǔn)下攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的編寫。該驅(qū)動(dòng)程序能夠穩(wěn)定獲取320×240、30Hz的圖像，并能夠滿足對(duì)分辨率要求不高的環(huán)境下的監(jiān)控。因?yàn)樵摂z像頭驅(qū)動(dòng)程序滿足UVC標(biāo)準(zhǔn)，所以該驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)還具有很好的移植性，可以很方便地進(jìn)行移植。

圖6 數(shù)據(jù)幀格式

[1] 李涵.USB接口驅(qū)動(dòng)的研究與設(shè)計(jì)[D].青島：山東科技大學(xué),2005.

[2] 徐竟青,黃俊峰,李一平.QNX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編制[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(12): 176～178.

[3] 任寧寧.多核平臺(tái)下強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX調(diào)度機(jī)制的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[4] 楊偉,劉強(qiáng),顧新.Linux下USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)研究與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,32(19):283～285.