周斌 李和

摘 ? 要：文章主要研究了視頻信號的采集與壓縮編碼，在分析了現(xiàn)有的視頻傳輸格式后，利用ARM Cortex A8為核心的嵌入式Linux系統(tǒng)對所采集的視頻信號以硬件編碼的方式實現(xiàn)H.264壓縮編碼，在保證視頻清晰度的同時完成視頻的壓縮并編碼，同時，通過串口發(fā)送壓縮后視頻信息流。最后經(jīng)測試，壓縮編碼后的視頻傳輸穩(wěn)定，畫面清晰流暢。

關(guān)鍵詞：Linux;H.264;編碼

1 ? ?關(guān)鍵技術(shù)分析與選擇

1.1 ?嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

一個合格的嵌入式操作系統(tǒng)選取應(yīng)該包含以下幾點要求：（1）穩(wěn)定性，在嵌入式運行過程中需要滿足全天候不間斷工作，這就對系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了較高的要求。作為運行軟件的基礎(chǔ)平臺，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是第一要務(wù)。（2）可移植性，在現(xiàn)代社會，市場上有大量的嵌入式設(shè)備可供選擇，有著完全不同的體系結(jié)構(gòu)，為了降低程序的二次開發(fā)難度，本次研究所選的操作系統(tǒng)應(yīng)該具備良好的代碼可移植性。

1.2 ?處理器的選擇

芯片集成度是否滿足要求，即處理器應(yīng)集成的控制器是否有適合項目的接口與控制設(shè)備，通常會選擇在完成任務(wù)的情況下選擇耗能較少的處理器。硬件成本合適，價格低廉性能優(yōu)良的處理器較為合適。

1.3 ?圖像壓縮編碼選擇的標(biāo)準(zhǔn)

常用的編碼格式有MPEG4，H.263，H.264，H.265，都能滿足要求。H.265是新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，目前使用度并不高，主要因為在使用難度上它的需求高?？紤]到項目研究需求以及使用場合，主要是使用視頻壓縮編碼技術(shù)，傳輸帶寬有一定的要求，綜上所述，MPEG4和H.264較為符合要求[1]。嵌入式系統(tǒng)CPU中包含使用硬件編碼的MFC模塊。但在同等的傳輸帶寬下，相比較下H.264比MPEG4有著更好的數(shù)字傳輸特性。

2 ? ?軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 ?系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟件需要滿足：含有應(yīng)用程序庫、操作系統(tǒng)、以及驅(qū)動系統(tǒng)。（1）內(nèi)核版本，本次研究考慮到系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性等一系列要求，認(rèn)為3.0.8內(nèi)核版本較為合適。由于系統(tǒng)需要更小的體積以及更高的傳輸效率，所以在操作過程中盡量降低內(nèi)核體積，在通過使用嵌入式開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯，在生成最新的內(nèi)核映像文件后，使用SD卡燒寫用于操作系統(tǒng)內(nèi)核的安裝。（2）設(shè)備驅(qū)動，Linux操作系統(tǒng)作為驅(qū)動以及硬件的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)驅(qū)動程序上需要檢查主要包括USB/UART芯片CH340驅(qū)動、硬件編碼器MFC驅(qū)動等。（3）應(yīng)用程序，系統(tǒng)應(yīng)用程序中含有視頻采集模塊以及視頻壓縮轉(zhuǎn)換模塊，USB/UART模塊。（4）庫在嵌入式系統(tǒng)，其使用編譯代表了資源的多少，在這個過程中會需要使用到很多的庫用于進(jìn)行編譯碼的運行處理[2]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.2 ?視頻采集模塊

在嵌入式視頻采集方案中最通用的協(xié)議是V4L2，它是V4L的改進(jìn)版，在Linux2.5.x中就被加入到Linux內(nèi)核中。另外，V4L2支持UVC免驅(qū)設(shè)備，省去了USB攝像頭驅(qū)動移植的困難，極大地方便了視頻采集模塊的開發(fā)。在研究中采用羅技C270攝像頭來開發(fā)視頻采集應(yīng)用，開發(fā)板Tiny210，當(dāng)USB攝像頭連接后，Linux會在/dev目錄下創(chuàng)建USB攝像頭操作接口Video3。使用V4L2的視頻采集后，就能通過使用內(nèi)存映射的方式將USB攝像頭采集到的數(shù)據(jù)映射到可操作的用戶空間。這里調(diào)用線程實現(xiàn)重復(fù)采集數(shù)據(jù)并保存在mmap映射內(nèi)存中，方便下一步調(diào)用顯示函數(shù)和H.264編碼函數(shù)[3]。在視頻采集中的重要步驟如下：

使用open（“/dev/video3”，O_RDWR | O_NONBLOCK）函數(shù)通過非阻塞的方式打開USB攝像頭/dev下的video3驅(qū)動。使用ioctl（cam_fd，VIDIOC_ENUM_FMT，&fmt）枚舉視頻設(shè)置支持的格式，ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap）查詢視頻設(shè)備支持的功能。這里將攝像頭參數(shù)打印出來，可知USB攝像頭支持的視頻采集格式為YUYV。設(shè)置攝像頭采集參數(shù)ioctl（cam_fd，VIDIOC_S_FMT，&stream_fmt）。結(jié)構(gòu)體stream_fmt參數(shù)如下：

stream_fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

stream_fmt.fmt.pix.width =320;

stream_fmt.fmt.pix.height =240;

stream_fmt.fmt.pix.pixelformat = PIXELFMT;

stream_fmt.fmt.pix.field= V4L2_FIELD_INTERLACED;

初始化完成后用ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYBUF，&buf）將申請到的buf地址放入視頻采集緩存中使用，用于存儲視頻數(shù)據(jù)。調(diào)用ioctl（cam_fd，VIDIOC_STREAMON，&type）函數(shù)，開始進(jìn)行采集圖像工作。

從buf地址中獲取圖像并復(fù)制給新的存儲地址，把buf重新歸隊繼續(xù)采集圖像數(shù)據(jù)形成循環(huán)采集獲取到視頻流。當(dāng)需要停止時使用ioctl（cam_fd，VIDIOC_STREAMOFF，&type）停止視頻采集。并且使用unmap（）函數(shù)釋放被占用的視頻緩存區(qū)buf。再關(guān)閉驅(qū)動文件close（cam_fd）就可以停止視頻采集。

2.3 ?視頻壓縮程序設(shè)計

（1）通過函數(shù)打開MFC硬件編碼設(shè)備：

SsbSipMfcEncOpen（&buf_type）。

（2）初始化編碼器對編碼結(jié)構(gòu)體SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置。如采用什么編碼類型、編碼圖像的高度和寬度、比特率、量化參數(shù)和幀率等選項進(jìn)行設(shè)置。主要地配置如下：

err=SsbSipMfcEncInit（openHandle， param）;

param->codecType = H264_ENC;

param->SourceWidth = CapWidth;

param->SourceHeight = CapHeight;

param->Bitrate = 30000;

param->FrameQp = 30;

param->FrameRate = 30。

（3）建立和獲取數(shù)據(jù)輸入的緩存地址：

err = SsbSipMfcEncGetInBuf（openHandle，&iinfo）;

err = SsbSipMfcEncSetInBuf（openHandle，&iinfo）。

（4）調(diào)用編碼函數(shù)進(jìn)行H.264視頻壓縮編碼：

err = SsbSipMfcEncExe（openHandle）。

（5）建立和獲取編碼輸出的緩存地址：

SSBSIP_MFC_ENC_OUTPUT_INFO oinfo;

err=SsbSipMfcEncSetOutBuf（openHandle，phyOutbuf，virOutbuf，outbufSize）;

err = SsbSipMfcEncGetOutBuf（openHandle，&oinfo）。

（6）編碼完成后，硬件編解碼器設(shè)備MFC：

err = SsbSipMfcEncClose（openHandle）。

3 ? ?系統(tǒng)嵌入式硬件平臺測試

采用“友善之臂”提供的Tiny210方案，可以外接7寸的液晶屏。開機后正常運行，進(jìn)入系統(tǒng)后運行“友善之臂”提供的檢測軟件測試各種功能是否正常使用。使用串口轉(zhuǎn)USB模塊連接電腦后，可以通過PC機上的SecureCRT查看目錄文件是否被成功掛載。最后對硬件接口進(jìn)行功能測試，如進(jìn)到/dev下，觀察是否有ttyUSB0串口設(shè)備接口文件，如果沒有說明串口接口電路有問題，需重新檢查串口模塊是否能正常使用。

3.1 ?圖像采集和顯示功能驗證

在驗證初期，通過使用代碼編寫圖片的采集截取一幀使視頻通過BMP格式保存圖片信息，驗證V4L2可操作USB攝像頭。后續(xù)實現(xiàn)連續(xù)的圖像采集形成視頻流文件，通過fwrite保存視頻文件來實現(xiàn)在PC機上使用PotPlayer播放器播放視頻文件，分析播放效果，一步步完善代碼實現(xiàn)視頻的采集與播放功能。圖2為所采集圖像在7寸LCD液晶屏播放的效果，圖像清晰、畫面流暢、運行穩(wěn)定。

3.2 ?圖像壓縮功能驗證

圖像壓縮主要就是對視頻信號進(jìn)行H.264壓縮編碼[4]，觀察壓縮后數(shù)據(jù)量與壓縮前數(shù)據(jù)量大小是否變化，將編碼后的H.264文件通過SD卡復(fù)制到電腦上，就能用具有解碼工具的軟件進(jìn)行播放，如H.264文件可以用PotPlayer軟件進(jìn)行播放，觀察播放效果，判斷是否編碼成功，并進(jìn)一步改善代碼，使得視頻壓縮比例可調(diào)，以應(yīng)對不同帶寬需求的場景。圖2上方是未壓縮前的視頻圖像，下方是經(jīng)壓縮處理過的視頻圖像，對比兩張圖像可以看出經(jīng)壓縮處理的視頻圖像質(zhì)量很好，盡管清晰度有所下降但不影響觀看。

4 ? ?結(jié)語

通過研究基于ARM-Cortex A8的嵌入式Linux開發(fā)平臺中關(guān)于視頻編碼設(shè)計，主要完成了有關(guān)V4L2協(xié)議下的USB攝像頭的視頻采集，采用S5PV210上的MFC硬件編碼對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264格式編碼，并使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)流發(fā)送，對后期無線數(shù)字調(diào)制傳輸具有較高的參考價值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李毓強.基于H_264和流媒體的嵌入式多路網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2016.

[2]姚莉，鄧丹君.基于A8的嵌入式Linux遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016（5）：24-26.

[3]楊建國，蔡立志，鄭紅.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2018（10）：31-33.

[4]吳大中，胡江浪.基于ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016（4）：123-127.