基于UVC協(xié)議的ROS視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱 鴿 ，鄭 杰 ，肖宇 峰

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010）

0 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)一直是嵌入式平臺(tái)研究中的一個(gè)重要方向，Linux系統(tǒng)具有源代碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定、可裁減性、支持硬件廣泛及驅(qū)動(dòng)豐富等特點(diǎn)[1]，嵌入式視頻監(jiān)控多采用Linux作為其軟件平臺(tái)[2]。機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System）是一種次級(jí)操作系統(tǒng)[3]，易用性、開發(fā)效率高、跨平臺(tái)、代碼可復(fù)用成為ROS的主要優(yōu)點(diǎn)，目前已有多款嵌入式機(jī)器人平臺(tái)使用ROS作為其控制系統(tǒng)，如PR2、TurtleBot等。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于ROS平臺(tái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。ROS系統(tǒng)為FireWire（IEEE1394）攝像頭提供了官方支持，1394也稱火線接口，優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，缺點(diǎn)是其針形接口兼容性差。相比之下USB攝像頭兼容性強(qiáng)，安裝方便，且價(jià)格便宜，本課題的視頻采集設(shè)備采用USB攝像頭。

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、UVC（USB Video Class）視頻類協(xié)議傳輸方法、V4L2（Video for Linux 2）視頻采集程序幾個(gè)方面來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出應(yīng)用于ROS上的uvc_cam視頻采集功能包，實(shí)現(xiàn)圖像采集與視頻監(jiān)控功能，為嵌入式ROS機(jī)器人平臺(tái)的視頻監(jiān)控開發(fā)提供一種有效的方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的目的是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于ROS系統(tǒng)平臺(tái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。ROS起源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage的個(gè)人機(jī)器人項(xiàng)目之間的合作[4]。ROS主要支持Ubuntu系統(tǒng)，提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能。

本文設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用USB視頻采集設(shè)備，設(shè)計(jì)基于UVC視頻類協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸方法，并利用ROS系統(tǒng)底層提供的V4L2視頻編程接口完成視頻采集程序的設(shè)計(jì)，最后根據(jù)ROS的系統(tǒng)構(gòu)架完成視頻采集功能包uvc_cam的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ROS操作系統(tǒng)平臺(tái)的視頻監(jiān)控功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于UVC協(xié)議的視頻傳輸方法

2.1 UVC標(biāo)準(zhǔn)及支持

由于視頻采集模塊不同、傳輸協(xié)議不同等原因，ROS系統(tǒng)需要安裝不同的USB驅(qū)動(dòng)程序，這給移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的使用帶來(lái)很多不便。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)基于UVC協(xié)議規(guī)范的視頻傳輸方法，使ROS系統(tǒng)為符合UVC視頻類標(biāo)準(zhǔn)的USB攝像頭提供通用驅(qū)動(dòng)，方便安裝和使用。

2.2 UVC協(xié)議視頻端口描述符設(shè)計(jì)

一個(gè)USB視頻類設(shè)備接入ROS平臺(tái)后需要通過(guò)描述符讓ROS主機(jī)獲得它的屬性和被確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的USB類設(shè)備，這些描述符是標(biāo)準(zhǔn)的USB描述符，并在其子描述符中定義了USB設(shè)備的各種功能[5]。對(duì)于視頻設(shè)備的每個(gè)功能，需要一個(gè)視頻控制端口和一個(gè)或多個(gè)視頻流端口實(shí)現(xiàn)[6]。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的視頻接口描述符及功能如下：

（1）輸入終端描述：一個(gè)實(shí)體代表數(shù)據(jù)流的開始端點(diǎn)，描述了圖像視頻流數(shù)據(jù)的來(lái)源。

（2）相機(jī)終端描述：相機(jī)終端控制傳輸視頻流的設(shè)備組件的機(jī)械特性。

（3）選擇單元描述：起著源選擇器的作用，選擇多個(gè)輸入數(shù)據(jù)流并路由它們到單一的輸出流。

（4）處理單元描述：描述了對(duì)圖像亮度、色調(diào)、對(duì)比度、平移、變焦等參數(shù)的處理。

（5）輸出終端描述：將終端描述為前面的幾個(gè)部分和主機(jī)之間的端口，將視頻數(shù)據(jù)輸出，通過(guò)顯示屏顯示。

2.3 UVC設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

UVC標(biāo)準(zhǔn)的視頻控制接口包含了USB視頻采集、處理、輸出相關(guān)組件，視頻流接口包含了與主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)交互的組件，這些組件構(gòu)成本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UVC設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 UVC設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一個(gè)符合UVC規(guī)范的USB攝像頭插入到ROS平臺(tái)接口時(shí)，從視頻傳感器得到的數(shù)據(jù)流由相機(jī)終端輸入，復(fù)合視頻設(shè)備得到的數(shù)據(jù)流從輸入終端進(jìn)入，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，相機(jī)終端和輸入終端兩個(gè)功能組件由USB視頻采集模塊來(lái)完成。然后經(jīng)過(guò)選擇單元路由后交給處理器進(jìn)行亮度、對(duì)比度等優(yōu)化，最后由輸出終端綁定到USB端點(diǎn)并與ROS主機(jī)進(jìn)行交互，完成視頻流處理，ROS主機(jī)獲取該USB攝像頭的屬性和功能。

3 基于V4L2的視頻采集程序設(shè)計(jì)

3.1 V4L2應(yīng)用編程接口

V4L2是由Bill Dirks[7]設(shè)計(jì)完成的針對(duì)Linux的視頻捕捉應(yīng)用程序接口。V4L2是V4L的升級(jí)版本[8]，與V4L相比，有更好的擴(kuò)展性和靈活性。V4L2對(duì) V4L做了徹底改動(dòng)，因此兩者并不兼容，V4L2最大的優(yōu)勢(shì)是可以自定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)緩存數(shù)量，支持的硬件設(shè)備也更多[9]。

本系統(tǒng)的視頻采集程序設(shè)計(jì)部分采用V4L2標(biāo)準(zhǔn)框架，V4L2不僅是針對(duì)UVC免驅(qū)USB設(shè)備的編程框架，同時(shí)ROS操作系統(tǒng)底層也提供了V4L2編程接口。

3.2 V4L2視頻采集模型

V4L2在視頻采集中用到的兩個(gè)重要系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)是 ioctl（）和 mmap（）。 ioctl（）是設(shè)備接口控制函數(shù)，對(duì)設(shè)備的I/O通道進(jìn)行控制，視頻采集過(guò)程中獲取設(shè)備功能、設(shè)置幀格式、申請(qǐng)幀緩沖等操作函數(shù)都將通過(guò)該系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。

ioctl（）語(yǔ)法為：ioctl（int fd，int request，void*argp），fd為通過(guò)open（）函數(shù)獲得的設(shè)備文件描述符；request為系統(tǒng)調(diào)用類型，用于告訴系統(tǒng)操作的動(dòng)作，如VIDIOC_QUERYCAP是獲取設(shè)備功能；argp是用戶數(shù)據(jù)指針，用于參數(shù)傳遞和數(shù)據(jù)接收。

mmap（）系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一普通文件來(lái)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)從內(nèi)核空間到用戶空間的映射，不需要任何數(shù)據(jù)拷貝，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還會(huì)用到幾個(gè) V4L2常用的API函數(shù)：open（）用于打開一個(gè)設(shè)備，close（）函數(shù)用于關(guān)閉一個(gè)設(shè)備，read（）函數(shù)用于從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

3.3 V4L2視頻采集程序設(shè)計(jì)

基于V4L2編程規(guī)范和視頻采集模型，本文設(shè)計(jì)的視頻采集程序流程及其對(duì)應(yīng)的操作函數(shù)如圖3。

圖3 視頻采集流程及操作函數(shù)

4 ROS視頻傳輸實(shí)現(xiàn)方法

4.1 ROS系統(tǒng)構(gòu)架

ROS的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。ROS可以分成兩層，低層為操作系統(tǒng)層，高層則是廣大用戶群貢獻(xiàn)的實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖、行動(dòng)規(guī)劃、感知、模擬等。ROS是一種分布式處理框架（又稱Nodes），這使可執(zhí)行文件能被單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且在運(yùn)行時(shí)松散耦合。這些過(guò)程可以封裝到數(shù)據(jù)包（Packages）和堆棧（Stacks）中，以便于共享和分發(fā)。

計(jì)算圖級(jí)是ROS處理數(shù)據(jù)的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式。程序運(yùn)行時(shí)，所有進(jìn)程以及它們所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理將會(huì)通過(guò)一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式表現(xiàn)出來(lái)。主要包括以下幾個(gè)重要概念：

（1）節(jié)點(diǎn)（node）：一些執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)的進(jìn)程。

（2）消息（message）：節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)傳送消息進(jìn)行通信。

（3）主題（topic）：消息以一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在一個(gè)給定的主題中發(fā)布消息。

4.2 uvc_cam功能包結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

結(jié)合ROS系統(tǒng)構(gòu)架，本節(jié)將敘述基于UVC協(xié)議的ROS視頻傳輸功能包uvc_cam的設(shè)計(jì)方法。上節(jié)講解了節(jié)點(diǎn)、消息等概念，ROS中有無(wú)數(shù)的節(jié)點(diǎn)、消息、服務(wù)、工具和庫(kù)文件，需要有效的結(jié)構(gòu)去管理這些代碼。ROS文件系統(tǒng)級(jí)指的就是在硬盤上面查看的ROS源代碼的組織形式，而功能包（packge）就是ROS中組織軟件的主要形式。一個(gè)簡(jiǎn)單的ROS功能包包括一個(gè)存放源代碼的src文件夾、一個(gè) CMakelists.txt文件、一個(gè)manifest.xml文件。

圖4是uvc_cam功能包的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

（1）src文件夾存放源程序，包括視頻采集程序uvc_cam.cpp、視頻采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)程序uvc_cam_node.cpp、頭文件uvc_cam.h。

（2）CMakeList.txt文件包含了用于安裝動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和生成可執(zhí)行文件的語(yǔ)句。下面是該文件中的兩條核心語(yǔ)句：

圖4 uvc_cam包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

rosbuild_add_library（uvc_cam src/uvc_cam/uvc_cam.cpp），由uvc_cam.cpp編譯建立視頻采集的鏈接庫(kù)。

rosbuild_add_executable （uvc_cam_node src/uvc_cam_node.cpp），該句的功能是由uvc_node_cam.cpp編譯添加可執(zhí)行的視頻采集節(jié)點(diǎn)文件uvc_cam_node。

（3）manifest.xml提供關(guān)于uvc_cam功能包的元數(shù)據(jù)，包括它的許可信息以及與其他功能包之間的依賴關(guān)系。

4.3 結(jié)果驗(yàn)證

前面已經(jīng)描述了ROS系統(tǒng)構(gòu)架計(jì)算圖級(jí)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理方式。圖5是本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ROS視頻監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系圖。

圖5 視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)系

一個(gè)終端打開視頻采集節(jié)點(diǎn)uvc_cam_node，另外一個(gè)終端打開圖像顯示節(jié)點(diǎn)image_view，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)/camera/rgb/image_color進(jìn)行話題發(fā)布和消息訂閱，uvc_cam_node節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)視頻采集，在image_view節(jié)點(diǎn)的終端顯示，效果如圖6。

圖6 視頻監(jiān)控效果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ROS平臺(tái)上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了ROS在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性。結(jié)合本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于UVC視頻類協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸方法，實(shí)現(xiàn)了UVC規(guī)范的USB攝像頭與ROS系統(tǒng)平臺(tái)的即插即用，避免了ROS系統(tǒng)接口兼容性和驅(qū)動(dòng)安裝等問(wèn)題帶來(lái)的不便。詳細(xì)描述了V4L2視頻采集程序設(shè)計(jì)流程和系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，有效地利用了ROS系統(tǒng)提供的應(yīng)用編程接口。最后根據(jù)ROS的系統(tǒng)構(gòu)架，設(shè)計(jì)了uvc_cam視頻采集程序功能包，實(shí)現(xiàn)視頻采集和傳輸功能。該系統(tǒng)有良好的設(shè)備兼容性和實(shí)用性，視頻采集性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，是嵌入式ROS系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的一種有效方法。

[1]劉志華.基于 ARM和 Linux的視頻圖像采集系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（3）：12-14.

[2]王飛，孔聰.基于V4L2的Linux攝像頭驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2012，25（2）：86-92.

[3]張建偉.開源機(jī)器人操作系統(tǒng)：ROS[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[4]MARTINEZ A.Learning ROS for robotics programming[M].Birmingham： Packt Publishing Ltd，2013.

[5]殷開亮.基于UVC協(xié)議的USB3.0圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2014.

[6]USB Implementers Forum，Inc.Universal Serial Bus Device Class Definition for Video Devices： Revision 1.5[S].2012.

[7]DIRKS B.Video for Linux Two API specification：Draft0.12[S].Michael H Schimek.

[8]劉登誠(chéng)，沈蘇彬，李莉.基于V4L2的視頻驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，27（10）：56-58.

[9]冬雷.DSP原理及開發(fā)技術(shù)[M].北京，清華大學(xué)出版社，2007.