基于嵌入式Linux的視頻循環(huán)錄制系統(tǒng)

林北洪，鐘洪聲

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731）

引 言

視頻采集系統(tǒng)以其直觀的視頻影像數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行記錄，目前已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于特定運(yùn)用場(chǎng)合，如汽車行進(jìn)過(guò)程，由于其環(huán)境的不確定性和多樣性，以及事故的突發(fā)性和偶然性，要求采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、連續(xù)地實(shí)時(shí)記錄事發(fā)過(guò)程。行車過(guò)程事故發(fā)生時(shí)，需要掌握的事故原因往往在事故發(fā)生前短短的一段時(shí)間內(nèi)。因此，分清事故責(zé)任和分析事故原因所需要的視頻信息，往往是在事故時(shí)間點(diǎn)之前的一小段時(shí)間內(nèi)[1]。

日常生活中常見(jiàn)的交通糾紛，往往是因?yàn)闆](méi)有直接證據(jù)造成取證困難?；诖?，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，本文利用嵌入式Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)行車視頻存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的視頻可以為交通糾紛的調(diào)解以及交通事故認(rèn)定，提供現(xiàn)場(chǎng)錄像證據(jù)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制芯片為三星的ARM9芯片S3C2440，它內(nèi)部含有 MMC／SD／SDIO控制器、NAND Flash控制器、USB主控制器、存儲(chǔ)器控制器、時(shí)鐘和電源管理等模塊[2]。其中，存儲(chǔ)器控制器為訪問(wèn)外部存儲(chǔ)提供必要的存儲(chǔ)控器控制信號(hào)；NAND Flash控制器為外掛的NAND Flash存儲(chǔ)器提供控制信號(hào)，而NAND Flash控制器由于其價(jià)格經(jīng)濟(jì)，用于執(zhí)行引導(dǎo)程序；時(shí)鐘和電源管理模塊由時(shí)鐘控制、USB控制和電源控制3部分模塊組成，時(shí)鐘控制模塊用于產(chǎn)生必要的時(shí)鐘信號(hào)，電源管理模塊用于提供電源管理方案，保證對(duì)給定任務(wù)的最佳功耗；USB主控制器支持2個(gè)端口的USB主機(jī)接口，支持低速及全速USB設(shè)備，在本系統(tǒng)中用于連接USB攝像頭；MMC／SD／SDIO控制器為外接SD卡提供控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，使視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)變得可能。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 系統(tǒng)原理

NAND Flash大小為256MB，用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)，執(zhí)行必要的引導(dǎo)程序。SDRAM為64MB內(nèi)存?？紤]行車過(guò)程的震動(dòng)環(huán)境，視頻存儲(chǔ)設(shè)備采用能夠牢靠固定的SD卡。除了穩(wěn)固的優(yōu)點(diǎn)外，SD卡還有價(jià)格便宜、方便拔插的優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)行車視頻的錄制存儲(chǔ)，首先需要采集視頻數(shù)據(jù)?？紤]到嵌入式存儲(chǔ)器的資源相對(duì)有限，本設(shè)計(jì)使用中星微電子公司ZC301芯片的攝像頭，此類攝像頭的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)攝像頭內(nèi)部專用DSP芯片處理過(guò)，輸出的信號(hào)是JPEG格式的。移植Linux系統(tǒng)后，利用Linux下視頻采集和輸出驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核接口V4L2對(duì)視頻進(jìn)行采集，然后對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)按照avi標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行封裝，添加必要的幀頭信息后，將其一幀一幀存入插在SD卡座上的SD卡內(nèi)，采用特定方法對(duì)視頻文件進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)視頻的循環(huán)存儲(chǔ)，以節(jié)約存儲(chǔ)空間。將采集存儲(chǔ)到SD卡的視頻文件拷貝到任意的帶視頻播放器的平臺(tái)上，即可查看錄制的視頻信息。

由于ZC301攝像頭輸出的每幀是JPEG格式數(shù)據(jù)，因而存儲(chǔ)的avi視頻文件是MJPEG壓縮，其中，每一幀圖像都分別使用JPEG編碼。MJPEG視頻壓縮僅采用幀內(nèi)壓縮，不需要過(guò)多的運(yùn)算能力，無(wú)需為視頻壓縮浪費(fèi)大量的計(jì)算效率，適合用于嵌入式設(shè)備中。雖然其壓縮率不是很高，造成視頻文件尺寸較大，但是由于該行車視頻錄制系統(tǒng)只需保存事故發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)視頻，綜合考慮MJPEG壓縮可以滿足要求。

2 嵌入式環(huán)境搭建[3]

要在嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要通過(guò)主機(jī)構(gòu)建基本的軟件系統(tǒng)，并燒寫(xiě)到設(shè)備中。采用交叉開(kāi)發(fā)模式以適應(yīng)嵌入式設(shè)備的資源不足。首先，在主機(jī)編譯Bootloader，將編譯出的鏡像文件燒入設(shè)備；然后在主機(jī)編譯嵌入式Linux內(nèi)核，通過(guò)Bootloader燒入板子；最后，在主機(jī)上編譯實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的應(yīng)用程序，通過(guò)NFS運(yùn)行，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證成功后再燒入板子，過(guò)程如圖2所示。該部分內(nèi)容不作詳細(xì)闡述，具體的搭建過(guò)程可參考相應(yīng)的資料。

圖2 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括視頻圖像的采集、使用特定方法實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的循環(huán)存儲(chǔ)，其中重點(diǎn)在于，按照avi格式將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并且實(shí)現(xiàn)視頻文件循環(huán)存儲(chǔ)。

3.1 avi文件格式[4]

avi（audio video interleaved）格式即音頻視頻交錯(cuò)格式，1992年由 Microsoft公司推出。所謂“音頻視頻交錯(cuò)”，就是可以將視頻格式和音頻格式交織在一起進(jìn)行同步播放。

RIFF文件使用4字符碼FOURCC（Four－Character Code）來(lái)表示數(shù)據(jù)類型，例如“RIFF”表示這是一個(gè)RIFF文件，“AVI”表示文件的具體類型，“LIST”表示用列表的形式來(lái)組織數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。作為一種多媒體文件的存儲(chǔ)方式，不同編碼的音頻、視頻文件，都可以按照RIFF定義的存儲(chǔ)規(guī)則保存、記錄各自不同的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)內(nèi)容、采集信息、顯示尺寸、編碼方式等。播放器播放這些文件時(shí)，會(huì)根據(jù)RIFF的規(guī)則分析文件，正確解析出音視頻信息進(jìn)行播放。

圖3 RIFF文件結(jié)構(gòu)

圖4 avi文件格式

avi文件是目前使用的最復(fù)雜的RIFF文件，它包含信息塊、數(shù)據(jù)塊和索引塊3個(gè)子塊，每個(gè)子塊都按照RIFF文件結(jié)構(gòu)來(lái)填充各字段。其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

avi文件有兩種基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CHUNK和LIST，其形式如圖5所示。

圖5 CHUNK塊和LIST塊的結(jié)構(gòu)

其中，信息塊是一個(gè)以“hdrl”為標(biāo)識(shí)的LIST塊，定義avi文件的數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)塊是一個(gè)以“movi”為標(biāo)識(shí)的LIST塊，它保存真正的音視頻數(shù)據(jù)；索引塊是一個(gè)以“idxl”為標(biāo)識(shí)的LIST塊，為avi文件中的媒體數(shù)據(jù)塊進(jìn)行索引，不是必需的。詳細(xì)的avi文件格式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。

3.2 視頻采集[6]

嵌入式Linux下視頻采集的實(shí)現(xiàn)使用Linux視頻驅(qū)動(dòng)接口V4L2。它的操作流程如下：打開(kāi)視頻設(shè)備、設(shè)置視頻設(shè)備屬性和采集方式、處理視頻數(shù)據(jù)、關(guān)閉視頻設(shè)備。把視頻設(shè)備當(dāng)作普通文件來(lái)打開(kāi)關(guān)閉，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。視頻設(shè)備屬性的設(shè)置是通過(guò)ioctl函數(shù)來(lái)進(jìn)行的，V4L2驅(qū)動(dòng)接口包含很多控制命令，對(duì)視頻采集進(jìn)行控制。

3.3 視頻循環(huán)錄制的實(shí)現(xiàn)

視頻的循環(huán)存儲(chǔ)是很有必要的。一方面，因本系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)于事故前很長(zhǎng)時(shí)間的視頻信息沒(méi)有保存下來(lái)的必要，因而可以在保存必要視頻信息的前提下，當(dāng)SD卡存儲(chǔ)滿的時(shí)候?qū)ψ钕蠕浿频囊曨l進(jìn)行覆蓋，以充分利用存儲(chǔ)空間。

循環(huán)錄制可以只在單個(gè)文件中進(jìn)行，參考文獻(xiàn)[1]采用此方法。該方法通過(guò)修改位置指針，對(duì)存儲(chǔ)幀數(shù)和預(yù)定義的最大幀常量進(jìn)行判斷，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲(chǔ)。該方法實(shí)現(xiàn)較為繁瑣，而且由于采用avi文件存儲(chǔ)，其單個(gè)文件最大只有2G，保存的視頻數(shù)據(jù)有限。本系統(tǒng)采用多個(gè)文件循環(huán)存儲(chǔ)的方法。每次錄制以開(kāi)始錄制的時(shí)間作為avi的文件名，格式為“年月日－時(shí)分秒”形式，這樣便于以后查閱檢索。

3.3.1 循環(huán)存儲(chǔ)原理

循環(huán)存儲(chǔ)的原理簡(jiǎn)單直觀，首先創(chuàng)建一個(gè)avi文件對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行錄制，當(dāng)錄制到文件預(yù)定義大小時(shí)，新建一個(gè)avi文件繼續(xù)存儲(chǔ)。如此一直下去，直到SD卡存儲(chǔ)已滿。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到SD卡剩余容量小于預(yù)定義的閾值時(shí)，則查找最先錄制的avi文件并刪除，這樣便有空閑容量繼續(xù)存儲(chǔ)視頻，如此往復(fù)便可實(shí)現(xiàn)視頻的循環(huán)錄制。

3.3.2 循環(huán)存儲(chǔ)方法

根據(jù)上面的循環(huán)存儲(chǔ)原理，按照avi視頻循環(huán)存儲(chǔ)流程可以清楚地實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲(chǔ)，如圖6所示。

系統(tǒng)初始化主要是對(duì)視頻采集的初始化，設(shè)定采集視頻的相關(guān)信息，通過(guò)init＿videoIn（）函數(shù)將參數(shù)傳入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，主要代碼如下：

接著創(chuàng)建一個(gè)avi文件，以當(dāng)前日期加時(shí)間作為文件名，這樣便于將來(lái)對(duì)視頻文件查詢檢索。然后就進(jìn)入程序大循環(huán)，對(duì)SD卡剩余容量判斷，可以保證即使更換不同容量的SD卡也能充分利用存儲(chǔ)空間。對(duì)于SD卡剩余容量小于預(yù)定義的RESTSIZE情況，則說(shuō)明SD卡剩余容量不足，這樣就需要?jiǎng)h除最早保存的視頻文件。為了獲取SD卡目錄里的文件信息，使用了dirent結(jié)構(gòu)體，查找SD卡里最早保存的avi文件是關(guān)鍵，其核心代碼如下：

圖6 avi視頻循環(huán)存儲(chǔ)流程

找到最早創(chuàng)建的avi文件后，刪除它即獲得足夠的容量保存新的視頻。對(duì)于SD卡剩余容量足夠的情況，直接往avi文件寫(xiě)入一幀視頻，這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，在下一節(jié)介紹。若寫(xiě)入視頻數(shù)據(jù)失敗，直接跳出大循環(huán)，系統(tǒng)結(jié)束工作。否則，使用stat（）函數(shù)對(duì)當(dāng)前視頻文件大小進(jìn)行判斷，看該avi文件是否達(dá)到預(yù)定大小。若是，則要新建一個(gè)avi文件以保證SD卡的每個(gè)avi文件大小固定且存儲(chǔ)多個(gè)avi文件；不是，則avi文件還未達(dá)到預(yù)定大小，繼續(xù)往avi文件寫(xiě)入一幀視頻數(shù)據(jù)。如此往復(fù)，即實(shí)現(xiàn)視頻的循環(huán)存儲(chǔ)功能。

3.3.3 寫(xiě)一幀avi視頻數(shù)據(jù)

向SD卡中創(chuàng)建的avi文件寫(xiě)入一幀視頻，就是按照3.1節(jié)介紹的avi文件的格式，把從攝像頭采集到的一幀圖像保存到相應(yīng)位置，同時(shí)填寫(xiě)必要的avi文件頭信息。

打開(kāi)以日期時(shí)間命名的avi文件后，設(shè)置視頻相關(guān)信息，主要是視頻壓縮方式、視頻幀大小和幀率等，然后便是填充avi文件的頭信息。avi文件的頭信息是其區(qū)別于其他視頻文件一個(gè)重要標(biāo)志，根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，頭部信息主要包括2個(gè)LIST基本結(jié)構(gòu)，第一個(gè)“hdrl”LIST嵌套一個(gè)“strl”LIST，其中“hdrl”是主avi信息頭數(shù)據(jù)，“strl”LIST是流的頭信息數(shù)據(jù)（strl可以有多個(gè)，對(duì)應(yīng)多個(gè)流），它們用于保存視頻流的詳細(xì)信息。每個(gè)“strl”至少包含一個(gè)“strh”塊（用于說(shuō)明該流的頭信息）和一個(gè)“strf”塊（說(shuō)明該流是視頻流還是音頻流）。第二個(gè)LIST是“movi”列表，它用來(lái)保存真正的視頻音頻流數(shù)據(jù)，它以4字符碼“00db”（非壓縮視頻流）或“00wb”（非壓縮音頻流）等開(kāi)始作為標(biāo)記，接下來(lái)存儲(chǔ)流數(shù)據(jù)?！癿ovi”列表后是avi文件的索引塊，這部分是可選的，主要是為avi文件每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行索引。填寫(xiě)完avi文件頭部信息后，即可將采集的視頻數(shù)據(jù)保存下來(lái)。

寫(xiě)一幀視頻數(shù)據(jù)時(shí)，首先將寫(xiě)指針指向avi文件頭的尾部，接著調(diào)用一個(gè) write＿avi＿data（avi＿t＊AVI，char＊data，unsigned long length）函數(shù)，將length長(zhǎng)度的由指針data指向的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到avi指向的文件。在寫(xiě)真正的流媒體數(shù)據(jù)之前，先寫(xiě)入4字符碼“00db”指示要寫(xiě)的是視頻數(shù)據(jù)，然后是要寫(xiě)入的一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度字段，最后寫(xiě)入一幀視頻數(shù)據(jù)。

一個(gè)avi文件只有一個(gè)頭部信息，即填充完avi文件頭部信息后，便不斷地向文件寫(xiě)入一幀視頻數(shù)據(jù)，直到文件大小達(dá)到預(yù)定大小時(shí)，按照循環(huán)存儲(chǔ)規(guī)則新建avi文件。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

用 Linux C[7－8]實(shí)現(xiàn)了視頻采集功能、循環(huán)存儲(chǔ)功能，將交叉編譯成功后的應(yīng)用程序下載到板子的根文件系統(tǒng)。自動(dòng)掛載SD卡后執(zhí)行應(yīng)用程序，功能實(shí)現(xiàn)正常，連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的循環(huán)錄制。取下SD卡，把視頻復(fù)制到計(jì)算機(jī)上使用視頻播放器播放，視頻清晰流暢。

結(jié) 語(yǔ)

本文用嵌入式Linux實(shí)現(xiàn)了行車視頻錄制的功能。詳細(xì)介紹了視頻循環(huán)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)和視頻文件的保存。作為獨(dú)立的功能部件，本系統(tǒng)可以方便地安裝到汽車上。經(jīng)過(guò)軟硬件聯(lián)合測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1] 劉少剛，王學(xué)軍.基于嵌入式Linux系統(tǒng)的單個(gè)AVI文件視頻循環(huán)錄制的研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008（8）：48－51.

[2] Samsung Electronics.S3C2440 32－Bit Microcontroller User's Manual，2004.

[3] 韋東山，嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4] 陸其明.DirectShow實(shí)務(wù)精選[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5] AVI File Format.[2012－08].http：／／ishare.games.sina.com.cn／f／6723744.html？from＝like.

[6] Michael H Schimek.Video for Linux Two API Specification Revision 0.24，2008.

[7] 楊宗德，鄧玉春.Linux高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[8] 史蒂文斯，拉戈.UNIX環(huán)境高級(jí)編程[M].尤晉元，等譯.北京：人民郵電出版社，2006.