基于嵌入式Linux的視頻循環(huán)錄制系統(tǒng)

摘要：本文以行車視頻錄制為背景，設計了以三星公司ARM9芯片S3C2440作為主控芯片，可移植開源的Linux系統(tǒng)。在對系統(tǒng)硬件結構、系統(tǒng)原理和環(huán)境搭建描述后，重點介紹了視頻循環(huán)錄制功能和將視頻保存成跨平臺通用的avi文件的過程。測試結果表明此方案可行。
關鍵詞：avi視頻；循環(huán)存儲；嵌入式系統(tǒng)；Linux

引言
視頻采集系統(tǒng)以其直觀的視頻影像數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場場景進行記錄，目前已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應用。對于特定運用場合，如汽車行進過程，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)地實時記錄事發(fā)過程。行車過程事故發(fā)生時，需要掌握的事故原因往往在事故發(fā)生前短短的一段時間內。因此，分清事故責任和分析事故原因所需要的視頻信息，往往是在事故時間點之前的一小段時間內。
日常生活中常見的交通糾紛，往往是因為沒有直接證據(jù)造成取證困難?；诖?，結合嵌入式系統(tǒng)低功耗、低成本等優(yōu)點，本文利用嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn)行車視頻存儲，存儲的視頻可以為交通糾紛的調解以及交通事故認定，提供現(xiàn)場錄像證據(jù)。

1 系統(tǒng)概述
1．1 系統(tǒng)硬件結構
系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。主控制芯片為三星的ARM9芯片S3C2440，它內部含有MMC／SD／SDIO控制器、NAND Flash控制器、USB主控制器、存儲器控制器、時鐘和電源管理等模塊。其中，存儲器控制器為訪問外部存儲提供必要的存儲控器控制信號；NAND Flash控制器為外掛的NAND Flash存儲器提供控制信號，而NANDFlash控制器由于其價格經(jīng)濟，用于執(zhí)行引導程序；時鐘和電源管理模塊由時鐘控制、USB控制和電源控制3部分模塊組成，時鐘控制模塊用于產(chǎn)生必要的時鐘信號，電源管理模塊用于提供電源管理方案，保證對給定任務的最佳功耗；USB主控制器支持2個端口的USB主機接口，支持低速及全速USB設備，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，使視頻數(shù)據(jù)的存儲變得可能。

1．2 系統(tǒng)原理
NAND Flasht大小為256 MB，用于存儲文件系統(tǒng)，執(zhí)行必要的引導程序。SDRAM為64 MB內存?？紤]行車過程的震動環(huán)境，視頻存儲設備采用能夠牢靠固定的SD卡。除了穩(wěn)固的優(yōu)點外，SD卡還有價格便宜、方便拔插的優(yōu)點。要實現(xiàn)行車視頻的錄制存儲，首先需要采集視頻數(shù)據(jù)?？紤]到嵌入式存儲器的資源相對有限，本設計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)過攝像頭內部專用DSP芯片處理過，輸出的信號是JPEG格式的。移植Linux系統(tǒng)后，利用Linux下視頻采集和輸出驅動的內核接口V4L2對視頻進行采集，然后對采集到的視頻數(shù)據(jù)按照avi標準格式進行封裝，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，采用特定方法對視頻文件進行管理，實現(xiàn)視頻的循環(huán)存儲，以節(jié)約存儲空間。將采集存儲到SD卡的視頻文件拷貝到任意的帶視頻播放器的平臺上，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壓縮，不需要過多的運算能力，無需為視頻壓縮浪費大量的計算效率，適合用于嵌入式設備中。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)生前一段時間內的現(xiàn)場視頻，綜合考慮MJPEG壓縮可以滿足要求。

2 嵌入式環(huán)境搭建
要在嵌入式平臺實現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要通過主機構建基本的軟件系統(tǒng)，并燒寫到設備中。采用交叉開發(fā)模式以適應嵌入式設備的資源不足。首先，在主機編譯Bootloader，將編譯出的鏡像文件燒入設備；然后在主機編譯嵌入式Linux內核，通過Bootloader燒入板子；最后，在主機上編譯實現(xiàn)相關功能的應用程序，通過NFS運行，經(jīng)過驗證成功后再燒入板子，過程如圖2所示。該部分內容不作詳細闡述，具體的搭建過程可參考相應的資料。

3 軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計主要包括視頻圖像的采集、使用特定方法實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的循環(huán)存儲，其中重點在于，按照avi格式將采集的數(shù)據(jù)進行封裝，并且實現(xiàn)視頻文件循環(huán)存儲。
3．1 avi文件格式
avi(audio video interleaved)格式即音頻視頻交錯格式，1992年由Microsoft公司推出。所謂“音頻視頻交錯”，就是可以將視頻格式和音頻格式交織在一起進行同步播放。
RIFF文件使用4字符碼FOURCC(Four—Character Code)來表示數(shù)據(jù)類型，例如“RIFF”表示這是一個RIFF文件，“AVI”表示文件的具體類型，“LIST”表示用列表的形式來組織數(shù)據(jù)。其結構如圖3所示。作為一種多媒體文件的存儲方式，不同編碼的音頻、視頻文件，都可以按照RIFF定義的存儲規(guī)則保存、記錄各自不同的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)內容、采集信息、顯示尺寸、編碼方式等。播放器播放這些文件時，會根據(jù)RIFF的規(guī)則分析文件，正確解析出音視頻信息進行播放。

avi文件是目前使用的最復雜的RIFF文件，它包含信息塊、數(shù)據(jù)塊和索引塊3個子塊，每個子塊都按照RIFF文件結構來填充各字段。其總體結構如圖4所示。

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

其中，信息塊是一個以“hdrl”為標識的LIST塊，定義avi文件的數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)塊是一個以“movi”為標識的LIST塊，它保存真正的音視頻數(shù)據(jù)；索引塊是一個以“idxl”為標識的LIST塊，為avi文件中的媒體數(shù)據(jù)塊進行索引，不是必需的。詳細的avi文件格式見參考文獻。
3．2 視頻采集
嵌入式Linux下視頻采集的實現(xiàn)使用Linux視頻驅動接口V4L2。它的操作流程如下：打開視頻設備、設置視頻設備屬性和采集方式、處理視頻數(shù)據(jù)、關閉視頻設備。把視頻設備當作普通文件來打開關閉，并進行數(shù)據(jù)的讀寫。視頻設備屬性的設置是通過ioctl函數(shù)來進行的，V4L2
驅動接口包含很多控制命令，對視頻采集進行控制。
3．3 視頻循環(huán)錄制的實現(xiàn)
視頻的循環(huán)存儲是很有必要的。一方面，因本系統(tǒng)特點，對于事故前很長時間的視頻信息沒有保存下來的必要，因而可以在保存必要視頻信息的前提下，當SD卡存儲滿的時候對最先錄制的視頻進行覆蓋，以充分利用存儲空間。
循環(huán)錄制可以只在單個文件中進行，參考文獻采用此方法。該方法通過修改位置指針，對存儲幀數(shù)和預定義的最大幀常量進行判斷，以實現(xiàn)循環(huán)存儲。該方法實現(xiàn)較為繁瑣，而且由于采用avi文件存儲，其單個文件最大只有2G，保存的視頻數(shù)據(jù)有限。本系統(tǒng)采用多個文件循環(huán)存儲的方法。每次錄制以開始錄制的時間作為avi的文件名，格式為“年月日-時分秒”形式，這樣便于以后查閱檢索。
3．3．1 循環(huán)存儲原理
循環(huán)存儲的原理簡單直觀，首先創(chuàng)建一個avi文件對視頻數(shù)據(jù)進行錄制，當錄制到文件預定義大小時，新建一個avi文件繼續(xù)存儲。如此一直下去，直到SD卡存儲已滿。當系統(tǒng)檢測到SD卡剩余容量小于預定義的閾值時，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)存儲視頻，如此往復便可實現(xiàn)視頻的循環(huán)錄制。
3．3．2 循環(huán)存儲方法
根據(jù)上面的循環(huán)存儲原理，按照avi視頻循環(huán)存儲流程可以清楚地實現(xiàn)循環(huán)存儲，如圖6所示。

系統(tǒng)初始化主要是對視頻采集的初始化，設定采集視頻的相關信息，通過init_videoIn()函數(shù)將參數(shù)傳入相應的結構體，主要代碼如下；

接著創(chuàng)建一個avi文件，以當前日期加時間作為文件名，這樣便于將來對視頻文件查詢檢索。然后就進入程序大循環(huán)，對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空間。對于SD卡剩余容量小于預定義的RESTSIZE情況，則說明SD卡剩余容量不足，這樣就需要刪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結構體，查找SD卡里最早保存的avi文件是關鍵，其核心代碼如下：


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。對于SD卡剩余容量足夠的情況，直接往avi文件寫入一幀視頻，這也是本設計的一個重點，在下一節(jié)介紹。若寫入視頻數(shù)據(jù)失敗，直接跳出大循環(huán)，系統(tǒng)結束工作。否則，使用stat()函數(shù)對當前視頻文件大小進行判斷，看該avi文件是否達到預定大小。若是，則要新建一個avi文件以保證SD卡的每個avi文件大小固定且存儲多個avi文件；不是，則avi文件還未達到預定大小，繼續(xù)往avi文件寫入一幀視頻數(shù)據(jù)。如此往復，即實現(xiàn)視頻的循環(huán)存儲功能。
3．3．3 寫一幀avi視頻數(shù)據(jù)
向SD卡中創(chuàng)建的avi文件寫入一幀視頻，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位置，同時填寫必要的avi文件頭信息。
打開以日期時間命名的avi文件后，設置視頻相關信息，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重要標志，根據(jù)參考文獻，頭部信息主要包括2個LIST基本結構，第一個“hdrl”LIST嵌套一個“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，對應多個流)，它們用于保存視頻流的詳細信息。每個“strl”至少包含一個“strh”塊(用于說明該流的頭信息)和一個“strf”塊(說明該流是視頻流還是音頻流)。第二個LIST是“movi”列表，它用來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)等開始作為標記，接下來存儲流數(shù)據(jù)。“movi”列表后是avi文件的索引塊，這部分是可選的，主要是為avi文件每個數(shù)據(jù)塊進行索引。填寫完avi文件頭部信息后，即可將采集的視頻數(shù)據(jù)保存下來。
寫一幀視頻數(shù)據(jù)時，首先將寫指針指向avi文件頭的尾部，接著調用一個write_avi_data(avi_t*AVI，char*data，unsigned long length)函數(shù)，將length長度的由指針data指向的數(shù)據(jù)寫入到avi指向的文件。在寫真正的流媒體數(shù)據(jù)之前，先寫入4字符碼“00db”指示要寫的是視頻數(shù)據(jù)，然后是要寫入的一幀數(shù)據(jù)的長度字段，最后寫入一幀視頻數(shù)據(jù)。
一個avi文件只有一個頭部信息，即填充完avi文件頭部信息后，便不斷地向文件寫入一幀視頻數(shù)據(jù)，直到文件大小達到預定大小時，按照循環(huán)存儲規(guī)則新建avi文件。

4 系統(tǒng)功能測試
用Linux C實現(xiàn)了視頻采集功能、循環(huán)存儲功能，將交叉編譯成功后的應用程序下載到板子的根文件系統(tǒng)。自動掛載SD卡后執(zhí)行應用程序，功能實現(xiàn)正常，連續(xù)長時間運行能夠實現(xiàn)視頻的循環(huán)錄制。取下SD卡，把視頻復制到計算機上使用視頻播放器播放，視頻清晰流暢。

結語
本文用嵌入式Linux實現(xiàn)了行車視頻錄制的功能。詳細介紹了視頻循環(huán)存儲的實現(xiàn)和視頻文件的保存。作為獨立的功能部件，本系統(tǒng)可以方便地安裝到汽車上。經(jīng)過軟硬件聯(lián)合測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，有一定的實用價值。