何青

（中國計量大學(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)的實現(xiàn)方法，并在論述各系統(tǒng)主要特點的基礎(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)計算機技術(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處理已經(jīng)成為我國計算機領(lǐng)域的研究熱點問題。這也主要是因為在遠程教學(xué)系統(tǒng)、遠距離診斷系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)等場合中，對視頻采集速度、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轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號的過程，具體實現(xiàn)就是通過專用的模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備，將諸如攝像機、電視機等設(shè)備輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號，并將其保存下來。這里所說的轉(zhuǎn)換設(shè)備一般指的就是視頻采集卡，目前這種卡的級別有家用和專業(yè)兩鐘。一般家用采集卡只能進行簡單的視頻采集，沒有專門的硬件級的視頻壓縮功能，部分家用家用級的視頻采集卡具有比較初步的硬件級壓縮功能。而對于專業(yè)級的視頻采集卡，除了視頻采集功能外，可以實現(xiàn)對視頻的硬件級壓縮和編輯。

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)字圖像和算法驗證平臺，隨著人們對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，對高性能視頻采集系統(tǒng)的研究將成為一個熱點。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)計與實現(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)變得越來越廣泛，與人們的日常生活息息相關(guān)。通過攝像設(shè)備可以輕松實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控，進行視頻電話交談，開展遠程視頻會議等。而這些功能的實現(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 USB 攝像頭的驅(qū)動及視頻采集的設(shè)計與實現(xiàn)。

1.設(shè)備的初始化

這里主要是生成設(shè)備節(jié)點同時，還生成 V4L 的設(shè)備文件夾（dev/videox），主要是在系統(tǒng)識別了 USB 攝像頭后，通過系統(tǒng)對 V4L 和 USB 設(shè)備的驅(qū)動的支持實現(xiàn)的。對設(shè)備文件的操作實現(xiàn) USB 攝像頭的控制，最終視頻采集程序采集即可通過調(diào)用 V4LAPIs 來實現(xiàn)。

2.視頻采集信息在液晶屏上的顯示實現(xiàn)

（1）視頻捕獲接口設(shè)計

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，這一步是在攝像頭驅(qū)動程序加載之后實現(xiàn)的。若要顯示攝像頭采集到的圖像信息，這里需要一個應(yīng)用程序來實現(xiàn)。那么這個程序如何來編寫的，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處理的，這些文件就叫做外設(shè)文件。因為內(nèi)核和外設(shè)之間的接口是外設(shè)驅(qū)動程序，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外設(shè)進行操作，包括完成對設(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)動都以這個接口為標(biāo)準(zhǔn)進行交流。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 來進行設(shè)計和實現(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)本文的研究內(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 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，對攝像頭的操作就是對文件 video0 進行讀的操作。圖像數(shù)據(jù)的具體的捕獲過程是：首先打開設(shè)備文件，接著查詢和確認設(shè)備性能，同時對所捕獲的圖像的寬和高、設(shè)置色深等進行設(shè)置，然后進行內(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。在視頻采集的實現(xiàn)過程中，為了實現(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)測試

（1）嵌入式系統(tǒng)測試技術(shù)

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

（2）白盒測試和黑盒測試

通常所說的結(jié)構(gòu)測試或者邏輯驅(qū)動測試就叫白盒測試，它的英文叫做 White Box Testing。一般來說軟件的開發(fā)都需要有相關(guān)的規(guī)格和說明，那么白盒測試是通過測試來檢測產(chǎn)品是否符合所規(guī)定或設(shè)計的要求。也就是說白盒測試是按照程序內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行測試的。在測試中，這種方法相當(dāng)于把測試對象看作一個打開的盒子，在進行測試時，測試人員只要依據(jù)軟件內(nèi)部邏輯來進行測試和驗證，所有就把這種測試稱為白盒測試。

這種測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試方法的特征。測試中只從使用者的角度出發(fā)進行測試，對程序代碼無依賴，只檢測其功能、目標(biāo)及要求是否達到，從這是黑盒測試的最大優(yōu)點。在測試中，黑盒測試和白盒測試互為補充，一些問題白盒測試發(fā)現(xiàn)不了可以通過黑盒測試發(fā)現(xiàn)，白盒測試又可發(fā)現(xiàn)黑盒測試無法發(fā)現(xiàn)的問題。所以兩種測試方法是密切相關(guān)的。在進行嵌入式軟件測試時，一般要根據(jù)軟件設(shè)計的目標(biāo)、性能等需求去判斷軟件是否達到了這些需求或規(guī)范，需求規(guī)格說明的質(zhì)量會直接影響到測試結(jié)果，也就是把系統(tǒng)的預(yù)期用途作為重要依據(jù)。極限測試是嵌入式軟件測試的一個重要方面。嵌入式軟件的失效過程要平衡在測試的使用環(huán)境中是被通常要求的，所以，除了要檢查軟件工作過程外，在進行黑盒測過程中還要檢查軟件的失效過程。最后為了保證正確的測試，還需要檢驗軟硬件之間的接口。

四、結(jié)束語

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視頻監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量。通過本文的研究，能夠最終解決當(dāng)前一般視頻采集中所出現(xiàn)的諸多問題，對于科學(xué)設(shè)計和建設(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。

參考文獻：

[1] 黃力.覃紀武.嵌入式 Linux 的現(xiàn)狀與前景研究[J].電腦知識與技術(shù).2005 （15）：69-71.

[2] 賈智平.張瑞華.嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社.2005：231-240.