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                        嵌入式Linux系統下USB攝像頭驅動程序

                        添加時間:2019/08/20 來源:北方工業大學 作者:李彥龍
                        在網絡遠傳時,傳輸的視頻數據為Mjpeg動態壓縮格式,該格式針對單獨每一幀冗余信息進行壓縮,所以壓縮比不高,可考慮采用通用做法H.264進行硬件壓縮后遠傳,這樣可使遠端PC機解碼播放更加流暢。
                        以下為本篇論文正文:

                        ABSTRACT

                          Along with the continuous development of science and technology, more and more industry control domain has realized the automatic control. In order to improve the remote control and management, video monitoring and data gathering technology is urgently needed now. Along with the development of embedded technology and widespreading of video monitoring system, the development of video device driver and data gathering technology have become a hot spot.

                          Now there are many kinds of companies to produce cameras, and there are also lots of camera products, but the camera driver of one type can not be used by the other type of cameras, especially the drivers in Linux system. This makes the video monitoring system hander to be used.

                          Therefore, the design of the camera driver appears to be particularly important.

                          In this paper, a video broadcast system based on Exynos 4 Quad SOC platform and Logitech C930E USB camera will be presented.To make the high definition USB camera c930 properly work on embedded Linux system, and get high quality image of 1080P*30fps, the design of the driver based on the function and parameters of C930E will be introduced. Specifically, the driver will be described  with  graphics  language.  All  primary codes will  be  presented.  Furthermore, the implementation of local video acquisition module, the decompression display of MJPEG module, and the remote transmission through the network module will be proposed.Tests have verified that the system can work stably, and the frames of the video are clear, smooth, and real-time displayed.

                          KEY WORDS: EXYNOS4412; Logitech C930E; USB camera driver; MJPEG uncompress;1080P

                        摘要

                          隨著科學技術的不斷發展,越來越多的工業控制領域實現了自動控制。為了更好的進行遠程控制與管理,視頻監控與數據采集的技術迫切需要。隨著嵌入式技術的不斷發展和視頻監控系統應用的日益廣泛,視頻設備驅動程序的幵發與數據采集技術也成為了開發的熱點。

                          目前生產攝像頭的廠家繁多,產品的種類也琳瑯滿目,不同類型攝像頭的驅動程序幾乎不能通用,尤其在嵌入式Linux系統下攝像頭驅動程序更是不完善,這給視頻監控系統的普及以及應用帶來了不便。因此,對于攝像頭驅動程序的研究顯得尤為重要。

                          本文設計了一種基于三星最新四核EXYNOS4412平臺和羅技C930E高清USB攝像頭的視頻采集播放系統。針對原生Linux內核沒有高清USB攝像頭驅動,C930E在嵌入式Linux系統下無法工作的問題,提出了一種高清USB攝像頭驅動的設計方法,用圖形化語言描述了驅動框架,給出了所實現驅動的核心代碼,加載驅動后可使C930E穩定輸出1080P*30fpsMJPEG.格式視頻數據。同時額外介紹了視頻本地采集、MJPEG解壓縮顯示及通過網絡遠傳等功能模塊應用程序實現方法,最后給出實驗結果。經測試表明,系統運行穩定,視頻畫面清晰流暢實時性好。

                          關鍵詞:EXYN0S4412;羅技C930E; USB攝像頭驅動;MJPEG解壓縮;1080P

                          隨著多媒體技術網絡技術的迅猛發展,利用嵌入式系統實現遠程視頻監控、可視電話、視頻會議等已越來越普及。為實現這些應用,設備的驅動程序開發是一個重要環節。

                          當前大部分的視頻監控系統都采用嵌入式Linux操作系統,所謂嵌入式Linux操作系統即Linux操作系統經過裁剪后,運行于嵌入式平臺上的操作系統。

                          在Linux操作系統下開發設備的驅動程序不同于Windows等其它操作系統,這是因為Linux操作系統對于設備有著特殊的定義。在Linux下,所有外圍設備都被看成是一種特殊的文件,稱為設備文件。系統調用是內核和應用程序之間的接口,而設備驅動程序則是內核和外圍設備之間的接口。設備的驅動程序完成設備的初始化和釋放,并對設備進行各種相關操作和處理中斷,為應用程序屏蔽了外圍設備硬件的細節,使得應用程序可以像對普通文件一樣對外設進行操作。因此USB攝像頭在Linux下也被看作是一種設備文件,USB攝像頭的驅動程序也就是負責實現內核和USB攝像頭硬件之間的接口。

                          目前常用的攝像頭設備大都釆用USB接口,這是因為USB攝像頭具有良好的性能和低廉的價格,同時USB攝像頭還具有靈活、方便的特性,易于集成到嵌入式系統中;赨SB攝像頭幵發符合video for Linux標準的驅動程序并配合視頻應用程序軟件,可以滿足實時監控等應用的要求。

                          因此開發基于嵌入式Linux系統的USB攝像頭驅動程序對于視頻監控系統的普及與發展有著重要的意義,本文就是在嵌入式Linux操作系統與USB接口技術不斷發展,以及當前社會對視頻應用系統的需求越來越廣泛的情況下,討論USB攝像頭驅動程序的技術框架并開發USB攝像頭驅動程序,在此基礎上實現性能更優良的高清視頻監控系統。

                          目前嵌入式監控相關領域大量采用互補型金屬氧化物半導體(Complementary Metal-OxideSemiconductor, CMOS)攝像頭,由于一般的CMOS攝像頭通訊線抗干擾能力很弱,要求CMOS攝像頭與處理器(Central Processing Unit,CPU)距離處于厘米級范圍內,否則傳輸信號出現串擾及反射,導致電平翻轉系統運行不穩定_]。而采用通用串行總線(USB,Universal Serial Bus)接口攝像頭,其數據線傳輸差分信號,抗干擾能力強,使攝像頭與CPU間距延伸至數米。但是,目前未見有對1080P高清USB攝像頭在嵌入式Linux平臺下驅動實現方法的公開報道。

                          本設計采用羅技C930E高清USB攝像頭分辨率高達2304*1536,支持逐幀壓縮(MotionJoint Photographic Experts Group, MiPEG)與數碼變焦特性,但羅技公司僅為安裝Windows或蘋果系統的臺式機提供配套驅動,沒有為安裝Linux系統的嵌入式設備提供配套驅動。為將C930E高清USB攝像頭應用到安裝Linux系統的嵌入式設備中,作者針對C930E USB攝像頭的功能和硬件參數,重點研究并給出了 Arm-Linux環境下驅動的具體設計和實現方案。實驗平臺采用市售Tiny 1312通用開發板,配備2G DDR3 (Double Data Rate SDRAM 3)內存,4GB高速閃存,1280*800高清顯示屏,CPU為三星最新32nm HKMG (High-K Metal Gate)工藝4核處理器EXYNOS4412,主頻高達1.5GHz,能流暢實現1080P高清MjPEG視頻流的軟解播放。

                          此外,Linux內核直接從官網下載GNU (GNU'S Not Unix)較新發布的3.5穩定版本。

                         嵌入式Linux系統下USB攝像頭驅動程序:

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                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          1 緒論
                            1.1 研究背景
                            1.2 研究意義
                            1.3 研究內容
                          2 系統總體描述
                            2.1 C930E USB攝像頭介紹
                            2.2 實驗平臺介紹
                            2.3 MJPEG格式介紹
                            2.4 USB系統架構
                              2.4.1 邏輯結構
                              2.4.2 USB描述符
                              2.4.3 USB數據傳輸
                              2.4.4 USB設備枚舉
                            2.5 攝像頭參數配置
                              2.5.1 打印描述符信息
                              2.5.2 配置攝像頭參數
                            2.6 系統可行性分析
                          3 驅動程序設計
                            3.1 USB接口驅動實現
                              3.1.1 Linux USB設備驅動介紹
                              3.1.2 Linux USB描述符
                              3.1.3 Linux USB URB
                              3.1.4 C930E USB接口驅動實現
                            3.2 視頻捕獲驅動實現
                              3.2.1 Linux內核V4L2框架分析
                              3.2.2 C930E視頻捕獲驅動實現
                              3.2.3 驅動的編譯
                          4 應用程序設計
                            4.1 V4L2應用編程
                            4.2 本地解壓顯示應用程序
                              4.2.1 Libjpeg-turbo使用
                              4.2.2 本地解壓顯示應用程序實現
                              4.2.3 本地解壓顯示應用程序編譯
                            4.3 網絡遠傳顯示應用程序
                          5 系統測試
                            5.1 開發環境搭建
                              5.1.1 搭建SAMBA服務器
                              5.1.2 搭建TFTP服務器
                              5.1.3 搭建NFS服務器
                              5.1.4 編譯燒寫U-BOOT
                              5.1.5 編譯啟動內核
                              5.1.6 構建NFS根文件系統
                            5.2 測試及結果
                          參考文獻
                          申請學位期間的研究成果及發表的學術論文

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