基于嵌入式系统的视频压缩编码研究

周斌 李和

摘   要：文章主要研究了视频信号的采集与压缩编码，在分析了现有的视频传输格式后，利用ARM Cortex A8为核心的嵌入式Linux系统对所采集的视频信号以硬件编码的方式实现H.264压缩编码，在保证视频清晰度的同时完成视频的压缩并编码，同时，通过串口发送压缩后视频信息流。最后经测试，压缩编码后的视频传输稳定，画面清晰流畅。

关键词：Linux;H.264;编码

1    关键技术分析与选择

1.1  嵌入式操作系统的选择

一个合格的嵌入式操作系统选取应该包含以下几点要求：（1）稳定性，在嵌入式运行过程中需要满足全天候不间断工作，这就对系统的稳定性提出了较高的要求。作为运行软件的基础平台，系统的稳定运行是第一要务。（2）可移植性，在现代社会，市场上有大量的嵌入式设备可供选择，有着完全不同的体系结构，为了降低程序的二次开发难度，本次研究所选的操作系统应该具备良好的代码可移植性。

1.2  处理器的选择

芯片集成度是否满足要求，即处理器应集成的控制器是否有适合项目的接口与控制设备，通常会选择在完成任务的情况下选择耗能较少的处理器。硬件成本合适，价格低廉性能优良的处理器较为合适。

1.3  图像压缩编码选择的标准

常用的编码格式有MPEG4，H.263，H.264，H.265，都能满足要求。H.265是新的视频编码标准，目前使用度并不高，主要因为在使用难度上它的需求高。考虑到项目研究需求以及使用场合，主要是使用视频压缩编码技术，传输带宽有一定的要求，综上所述，MPEG4和H.264较为符合要求[1]。嵌入式系统CPU中包含使用硬件编码的MFC模块。但在同等的传输带宽下，相比较下H.264比MPEG4有着更好的数字传输特性。

2    软件设计与实现

2.1  系统软件总体结构

一个完整的嵌入式系统软件需要满足：含有应用程序库、操作系统、以及驱动系统。（1）内核版本，本次研究考虑到系统的完整性、稳定性等一系列要求，认为3.0.8内核版本较为合适。由于系统需要更小的体积以及更高的传输效率，所以在操作过程中尽量降低内核体积，在通过使用嵌入式开发环境进行编译，在生成最新的内核映像文件后，使用SD卡烧写用于操作系统内核的安装。（2）设备驱动，Linux操作系统作为驱动以及硬件的操作系统，系统驱动程序上需要检查主要包括USB/UART芯片CH340驱动、硬件编码器MFC驱动等。（3）应用程序，系统应用程序中含有视频采集模块以及视频压缩转换模块，USB/UART模块。（4）库在嵌入式系统，其使用编译代表了资源的多少，在这个过程中会需要使用到很多的库用于进行编译码的运行处理[2]。系统框架如图1所示。

2.2  视频采集模块

在嵌入式视频采集方案中最通用的协议是V4L2，它是V4L的改进版，在Linux2.5.x中就被加入到Linux内核中。另外，V4L2支持UVC免驱设备，省去了USB摄像头驱动移植的困难，极大地方便了视频采集模块的开发。在研究中采用罗技C270摄像头来开发视频采集应用，开发板Tiny210，当USB摄像头连接后，Linux会在/dev目录下创建USB摄像头操作接口Video3。使用V4L2的视频采集后，就能通过使用内存映射的方式将USB摄像头采集到的数据映射到可操作的用户空间。这里调用线程实现重复采集数据并保存在mmap映射内存中，方便下一步调用显示函数和H.264编码函数[3]。在视频采集中的重要步骤如下：

使用open（“/dev/video3”，O_RDWR | O_NONBLOCK）函数通过非阻塞的方式打开USB摄像头/dev下的video3驱动。使用ioctl（cam_fd，VIDIOC_ENUM_FMT，&fmt）枚举视频设置支持的格式，ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap）查询视频设备支持的功能。这里将摄像头参数打印出来，可知USB摄像头支持的视频采集格式为YUYV。设置摄像头采集参数ioctl（cam_fd，VIDIOC_S_FMT，&stream_fmt）。结构体stream_fmt参数如下：

stream_fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

stream_fmt.fmt.pix.width =320;

stream_fmt.fmt.pix.height =240;

stream_fmt.fmt.pix.pixelformat = PIXELFMT;

stream_fmt.fmt.pix.field= V4L2_FIELD_INTERLACED;

初始化完成后用ioctl（cam_fd，VIDIOC_QUERYBUF，&buf）將申请到的buf地址放入视频采集缓存中使用，用于存储视频数据。调用ioctl（cam_fd，VIDIOC_STREAMON，&type）函数，开始进行采集图像工作。

从buf地址中获取图像并复制给新的存储地址，把buf重新归队继续采集图像数据形成循环采集获取到视频流。当需要停止时使用ioctl（cam_fd，VIDIOC_STREAMOFF，&type）停止视频采集。并且使用unmap（）函数释放被占用的视频缓存区buf。再关闭驱动文件close（cam_fd）就可以停止视频采集。

2.3  视频压缩程序设计

（1）通过函数打开MFC硬件编码设备：

SsbSipMfcEncOpen（&buf_type）。

（2）初始化编码器对编码结构体SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM进行必要的参数设置。如采用什么编码类型、编码图像的高度和宽度、比特率、量化参数和帧率等选项进行设置。主要地配置如下：

err=SsbSipMfcEncInit（openHandle， param）;

param->codecType = H264_ENC;

param->SourceWidth = CapWidth;

param->SourceHeight = CapHeight;

param->Bitrate = 30000;

param->FrameQp = 30;

param->FrameRate = 30。

（3）建立和獲取数据输入的缓存地址：

err = SsbSipMfcEncGetInBuf（openHandle，&iinfo）;

err = SsbSipMfcEncSetInBuf（openHandle，&iinfo）。

（4）调用编码函数进行H.264视频压缩编码：

err = SsbSipMfcEncExe（openHandle）。

（5）建立和获取编码输出的缓存地址：

SSBSIP_MFC_ENC_OUTPUT_INFO oinfo;

err=SsbSipMfcEncSetOutBuf（openHandle，phyOutbuf，virOutbuf，outbufSize）;

err = SsbSipMfcEncGetOutBuf（openHandle，&oinfo）。

（6）编码完成后，硬件编解码器设备MFC：

err = SsbSipMfcEncClose（openHandle）。

3    系统嵌入式硬件平台测试

采用“友善之臂”提供的Tiny210方案，可以外接7寸的液晶屏。开机后正常运行，进入系统后运行“友善之臂”提供的检测软件测试各种功能是否正常使用。使用串口转USB模块连接电脑后，可以通过PC机上的SecureCRT查看目录文件是否被成功挂载。最后对硬件接口进行功能测试，如进到/dev下，观察是否有ttyUSB0串口设备接口文件，如果没有说明串口接口电路有问题，需重新检查串口模块是否能正常使用。

3.1  图像采集和显示功能验证

在验证初期，通过使用代码编写图片的采集截取一帧使视频通过BMP格式保存图片信息，验证V4L2可操作USB摄像头。后续实现连续的图像采集形成视频流文件，通过fwrite保存视频文件来实现在PC机上使用PotPlayer播放器播放视频文件，分析播放效果，一步步完善代码实现视频的采集与播放功能。图2为所采集图像在7寸LCD液晶屏播放的效果，图像清晰、画面流畅、运行稳定。

3.2  图像压缩功能验证

图像压缩主要就是对视频信号进行H.264压缩编码[4]，观察压缩后数据量与压缩前数据量大小是否变化，将编码后的H.264文件通过SD卡复制到电脑上，就能用具有解码工具的软件进行播放，如H.264文件可以用PotPlayer软件进行播放，观察播放效果，判断是否编码成功，并进一步改善代码，使得视频压缩比例可调，以应对不同带宽需求的场景。图2上方是未压缩前的视频图像，下方是经压缩处理过的视频图像，对比两张图像可以看出经压缩处理的视频图像质量很好，尽管清晰度有所下降但不影响观看。

4    结语

通过研究基于ARM-Cortex A8的嵌入式Linux开发平台中关于视频编码设计，主要完成了有关V4L2协议下的USB摄像头的视频采集，采用S5PV210上的MFC硬件编码对视频数据进行H.264格式编码，并使用串口进行数据流发送，对后期无线数字调制传输具有较高的参考价值。

[参考文献]

[1]李毓强.基于H_264和流媒体的嵌入式多路网络视频监控系统设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2016.

[2]姚莉，邓丹君.基于A8的嵌入式Linux远程视频监控系统的设计与实现[J].物联网技术，2016（5）：24-26.

[3]杨建国，蔡立志，郑红.基于ARM的嵌入式视频监控系统的设计与实现[J].计算机应用与软件，2018（10）：31-33.

[4]吴大中，胡江浪.基于ARM的移动视频监控系统设计[J].现代电子技术，2016（4）：123-127.