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Linux系統下USB攝像頭驅動程序開發
摘要: USB攝像頭以其良好的性能和低廉的價格得到廣泛應用。同時因其靈活、方便的特性,易于集成到嵌入式系統中。但是如果使用現有的符合Video for Linux標準的驅動程序配合通用應用程序,難以充分利用USB帶寬,幀速不高,不易滿足實時監控等要求。本文首先介紹在Linux系統下USB攝像頭驅動編制的一般方法,然后說明在此基礎上如何提高幀速。
關鍵詞: 軟件 Linux USB 攝像頭
Abstract:
Key words :

一、 Linux系統中的USB攝像頭驅動程序
        USB攝像頭以其良好的性能和低廉的價格得到廣泛應用。同時因其靈活、方便的特性,易于集成到嵌入式系統中。但是如果使用現有的符合Video for Linux標準的驅動程序配合通用應用程序,難以充分利用USB帶寬,幀速不高,不易滿足實時監控等要求。本文首先介紹在Linux系統下USB攝像頭驅動編制的一般方法,然后說明在此基礎上如何提高幀速。
        USB設備驅動程序完全符合通用設備驅動的準則,不同的是內核提供了一些特別的API函數,方便驅動注冊、銷毀自己,例如usb_reSister()和usb_dereSister();2.4版的內核還提供了對于hotplug的支持。

1.1 USB攝像頭驅動的一般編寫方法
        攝像頭屬于視頻類設備。在目前的Linux核心中,視頻部分的標準是Video for Linux(簡稱V4L)。這個標準其實定義了一套接口,內核、驅動、應用程序以這個接口為標準進行交流。目前的V4L涵蓋了視、音頻流捕捉及處理等內容,USB攝像頭也屬于它支持的范疇。 
        因此,USB攝像頭的驅動應當與內核提供的視頻驅動掛鉤。即首先在驅動中聲明一個video_device結構,并為其指定文件操作函數指針數組.fops,向系統注冊。在應用程序發出文件操作的相關命令時,核心根據這些指針調用相應函數,并將該結構作為參數傳遞給它們。這樣,就完成了驅動和核心之間的通信。例如:

static struct video_device vdev_template={……};
//聲明video_device,指出掛接驅動
static struct file_operations ov511_fops={……};
//聲明本驅動的文件操作函數指針
struct video_device*vdev=video_devdata(file);
//從文件指針中提取出video_device結構



在video_device結構中,有一個私有指針priv,可以將它指向一塊保留內存。在這塊內存中,保存著本驅動、本設備的相關初始化信息。這塊內存的申請、初始化、指針指向等工作都是在USB驅動的枚舉函數.probe中完成。這樣,在枚舉函數將控制權返還給系統后,因為內核不銷毀保留內存,所以驅動仍然保留著自己的信息。這點與Windows系統中WDM驅動有異曲同工之處。當然,在驅動卸載函數中,應當將申請的各塊內存全部釋放。

1.2 使用雙URB輪流通信
眾所周知,USBl.1總線標準定義了控制、中斷、批量、等時等四種管道。對于時間性極強但是準確度要求不高的視頻捕捉應用來說,攝像頭應當使用等時傳輸方式。為了盡可能快地得到圖像數據,應當在URB中指定USB_ISO_ASAP標志。
urb->transfer_flags=USB_ISO_ASAP;//盡可能快地發出本URB


Linux系統中任何USB傳輸都通過URB實現。為提高速度,可以考慮擴大URB的緩沖,這樣可以降低每個USB事務中握手信息所占比例,提高有效數據的傳輸速度。但是受限于總線帶寬和具體的USB設備芯片,單純擴大URB的緩沖不能無限制地解決問題。具體分析一下USB傳輸在操作系統中的實現:每次傳輸都要包括URB的建立、發出、回收、數據整理等階段,這些時間不產生有效數據。因此可以建立兩個URB,在等待一個URB被回收時,也就是圖像正在被傳感器采集時,處理、初始化另一個URB,并在回收后立刻將其發出。兩個URB交替使用,大大減少了額外時間。工作流程如圖1所示。


這個過程是在URB的完成例程中實現的,有兩點需要注意:首先處理再次初始化的代碼時間不能長,否則會造成完成例程的重人,如果確實來不及,可以在完成例程中設定標志,例如“數據采集好”旗語,由應用程序使用阻塞ioctl()來查詢該旗語并做處理;其次由于CPU可能會在完成例程中停留較長時間,系統負擔較大,可以在.open函數中初始化兩個URB并將其發出,有限度地減輕系統負擔。

1.3 使用雙幀緩沖提高效率
Linux系統中,文件操作通常是由read、write等系統調用來完成。這些系統調用在驅動中的解決方法就是用copy_to_user()、copy_from_user()等函數在核態、戶態內存空間中互相拷貝。但是對于大批量的圖像數據,采用拷貝的方法顯然會增加時間開銷,因此用內存映射的方法解決。首先使用vmalloc()申請足夠大的核態內存,將其作為圖像數據緩沖空間,兩個URB帶回的圖像數據在這里暫存;然后使用remap_page_range()函數將其逐頁映射到用戶空間中。戶態的圖像處理程序使用mmap()函數,直接讀寫核態圖像緩沖內存,大大減少額外開銷。

圖像數據的處理可能要花費比較長的時間,不同的算法對于數據保留時間的要求也不一樣。因此可以申請兩幀圖像緩沖,在處理一幀圖像的同時,將兩個URB帶回的數據全部填充到另一幀緩沖中,這樣可以免去時間沖突上的麻煩。
值得注意的是:這種方法要求時刻持有當前幀的序號、每一幀的起始地址等信息,不能將兩幀圖像混淆。這些信息可以保存在保留內存中,當前幀的數據整理、序號改變在URB完成例程中實現。

二、 V4L標準的改進
V4L標準目前已經發展到第二版V4L2,其基本思路與V4L相同。

2.1 標準分析
根據V4L標準,戶態程序在需要一幀圖像時,CPU的走向如圖2。CPU按照123456的順序完成一個循環。在這里,有一個細節被忽略:在完成例程中,也就是圖2中步驟6,該URB被立刻發出,但是由于這時用戶程序正在阻塞等待,沒辦法再次提出獲得圖像的申請,因此在判斷有無新請求時,判斷的結果必然是當前無請求,導致下一個URB帶回的數據被驅動丟棄;由于核態、戶態的切換需要一定的時間,加上戶態多進程同步等開銷,等到應用程序能夠再次發出獲得一副圖像的申請時,已經有不止一個URB帶回的數據被丟棄掉,這些URB包含的數據正好是新一幀圖像的開始部分。因此驅動必須等到再下一幀圖像才能保存數據、緩沖。這樣憑白損失了一幀圖像,幀速最少下降一半。

2.2 改進思路:不間斷采集
為了解決這個問題,可以改進V4L標準作,使其增加新的功能:通過新的參數,讓ioetl()函數通知驅動不間斷采集、緩沖圖像數據,輪流保存在兩幀緩沖區中,并在一幀圖像采集好后,設定“圖像采集好”旗語。戶態程序只需要發出一次“獲得圖像”請求,就可以通過阻塞等待該旗語,不斷獲得圖像。在采集結束后,再次通過新的參數,讓驅動停止緩沖即可。CPU工作流程圖如圖3。

注意到圖2、圖3,兩種“判斷有無新請求”的不同,即可發現新方法假定一直有請求,因此不丟棄每個URB帶回的數據,輪流保存在兩個幀緩沖內。
V4L已經作為約定俗成的標準被內核支持,因此如果使用全新的參數,工作量將相當巨大,并且不能和現有的應用程序兼容。考慮到現有的圖像采集應用程序使用VIDIOCMCAPTURE作為參數,并提供幀序號,要求驅動將圖像保存到指定序號的幀緩沖內。由于驅動通常僅僅提供幾幀緩沖,因此該序號不會大于某個數字,如10。因此可以繼續使用VIDIOCMCAPTURE參數,搭配較大的序號來表示新增的功能,例如用10000和10001來分別表示開始和停止緩沖圖像數據的要求。驅動在收到VIDIOCMCAPTURE要求后,檢查這個序號。如果小于10000,則按照正常的方法處理,否則按照改進方法。這種思路可以有效解決兼容性問題。

2.3 實驗結果
在賽揚366、USBl.1接口的計算機平臺上,采用上述不間斷采集改進V4L標準,配合雙URB、雙幀緩沖等方法后,幀速提高兩倍有余,有效數據傳輸速度達960KB/s,接近等時傳輸方式下USB總線的帶寬極限。 推薦閱讀:《rh9實現視頻的捕獲》,該文檔中有詳細的代碼
 

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