在数字电视机顶盒上搭建Linux的USB视频数据采集平台

中心议题
    * 提出了一种数字电视机顶盒上的USB视频数据采集平台
    * 给出了具体设计方案
解决方案
    * 采用STi7109作为主芯片
    * 软件的角度分为5个层次

1 Linux及USB概述

Linux是一套自由软件，用户可以无偿地得到其源代码和大量的应用程序，并可以任意修改和补充，这样使得开发者可以更方便地开发机顶盒的功能，但是由于Linux本身各种软件的复杂的依赖性以及缺乏稳定完善的维护，Linux的开发不像Windows那么方便容易。通用串行总线（USB）具有易于使用、速度快、可靠性强、成本低等优点，在市场上已经广泛普及。USB摄像头的视频播放也越来越受欢迎。笔者首先介绍了采用的STi7109芯片的机顶盒的硬件及软件系统，然后阐述了在Linux上搭建USB摄像头视频数据采集平台的过程，同时也使读者对在Linux上怎样进行软件开发有更深的认识。

2基于音频解码芯片STi7109的数字电视机顶盒体系结构

2.1音频解码芯片硬件体系结构

本设计采用STMicrotronics公司最新的增强型高清多标准视音频解码芯片STi7109作为主芯片。STi7109在一个芯片上集成了2个频率为266 MHz的ST231CPU以及VC-1，MPEG-2和H.264视音频解码器，PAL/NTSC/SECAM编码器，1个16 kbyte的I-Cache和1个32 kbyte的D-Cache，传输过滤解扰、解复用模块，显示和图形引擎功能模块。STi7109拥有16个级别的中断控制器，定义了6个可扩展的8位可编程输入/输出端口（GPIO）。除MPEG-2外，该系统芯片解决方案还支持高清H.264/MPEG-4 AVC，以及MPEG-4 P2标清标准。其强大的视频解码能力为视频播放系统的实现提供了硬件条件。STi7109开发板包含1个USB接口，支持USB2.0协议，支持高速USB设备。STi7109数字机顶盒硬件平台如图1所示。

数字信号流（包括公开的和加密的）通过缆线传输到高频头，通过芯片STb0468b处的QAM/QPSK解调处理，传输到STi7109集成芯片进行解复用和PES流分组解析，从而产生对应的视频信号和音频信号。

2.2 USB摄像头视频数据采集平台软件体系结构

STi7109的USB摄像头视频数据采集平台从软件的角度看，主要分为5个层次：Bootloader，Linux内核，文件系统，加载驱动模块和应用软件。STi7109平台上的软件系统如图2所示。

3移植Linux下USB摄像头驱动

由于USB摄像头根据摄像头芯片的不同驱动也不同，在Linux内核上很少带有或几乎没有USB摄像头的驱动，需要自己开发安装。在开源项目中，spca5xx驱动以及后来的gspca驱动涵盖了大部分主流的摄像头驱动，但是也无法包含各种品牌的所有型号的摄像头。因此需要在熟悉USB摄像头驱动的情况下对驱动进行修改，并按照Linux上的特殊要求来完成对USB摄像头的安装。

下面介绍在Linux下怎样移植、安装USB摄像头驱动，并使其适用于自己的USB摄像头。

1）下载开源项目的USB摄像头驱动

笔者首先在CSDN下载频道上下载“gspcav120071224.tar.gz”。其次在Linux上的下载命令为“wget-c http://mxhaard.free.fr/spca50x/Download/gspca120071224.tar.gz”。最后解压驱动压缩包“tar zxvf gspca120071224.tar.gz”。2）使USB摄像头驱动适合自己的摄像头USB摄像头驱动直接相关的是USB摄像头芯片型号。在Windows下右键点击“我的电脑”-“管理”-“设备管理器”-“图像处理设备”选择摄像头设备双击，在“详细信息”一栏可以看到USB摄像头的UID和VID，也可以通过Linux下lsusb命令进行查看。笔者采用的是ID0ac8:307b的摄像头。通过分析USB摄像头驱动源代码判断是否适合自己的摄像头芯片。进入“gspca120071224”文件夹，其中最核心的是gspca_core.c文件以及gspca.h头文件。gspca_core.c包括设备注册、注销和各种操作方法集。gspca.h的主要内容有：（1）定义所支持的Vendor ID号；（2）对支持的DSP桥接控制芯片型号进行编号；（3）对支持的CMOS/CCD图像传感器型号进行编号。另外，还定义了图像格式相关的常量和数据结构（如色彩空间、调色板、图像分辨力等），帧数据结构，摄像头操作方法集等。Conexant，EtomsSonix，PixArt，Vimicro和Sunplus等文件夹中定义了各传感器相关的头文件。decoder文件夹中包含了对各种图像格式进行编解码的源代码。

通过查看gspca_core.c和gspca.h两个文件，发现使用的USB摄像头的Vendor ID，DSP芯片和image sensor已包含在其中。如果不在其中，则要定义DSP和sensor芯片的相应头文件，并在gspca.h中添加相应的设备信息，还要把摄像头加入到gspca_core.c的摄像头设备列表中。

3）安装USB摄像头驱动于Linux系统

Linux下对于硬件驱动，可以将驱动程序静态编译进内核中，也可以将它作为模块在使用时再加载。每块可以在运行时添加到内核的代码，被称为一个模块。Linux内核提供了对许多模块类型的支持，每个模块由目标代码组成。

由于Linux中摄像头驱动必须要有（Video For Linux，V4L）的支持，V4L是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，因此必须先加载V4L相关的videodev.ko模块。USB设备也需要USB主控制器驱动，由于STi7109嵌入式系统提供了OHCI/EHCI的主控制器驱动模块，因此不需要另外加载。

在gspca驱动程序文件夹内包含了自动化编译的Makefile文件以及安装加载模块的脚本文件gspca_build，通过运行“./gspca_build”，即可完成对gspca驱动的安装，也可以根据自己的需要对Makefile和gspca_build进行修改。

安装USB摄像头驱动并在机顶盒上插上USB摄像头后，通过运行命令“lsmod|grep videodev”，看到videodev已经安装，运行命令“ls/dev|grep video”，看到“/dev”文件夹下有了video和video0两个文件，说明已经识别到了USB摄像头设备。

4搭建USB摄像头视频信号采集平台

4.1在Linux下安装GTK+库

GTK（GIMP Toolkit）是一套跨多种平台的图形工具包，目前已发展为一个功能强大、设计灵活的通用图形库，成为Linux下开发图形界面应用程序的主流开发工具之一。由于GTK+简单易用，拥有强大的功能和丰富的API，而且作为一个开放的自由软件，在Linux下已经发展得比较成熟，因此在Linux系统下可以使用GTK+库方便地对机顶盒的GUI进行开发。

由于Linux下各种源码具有很复杂的依赖性，因此首先需清楚安装GTK+所需要的条件。所需的源码包包Bootloader Linux内核文件系统驱动模块应用软件图2 STi7109平台上的软件系统括：GNU make工具，GNU gettext软件包（当系统上没有gettext（）函数的时候需要），GNU libiconv库（当系统上没有iconv（）函数的时候需要），fontconfig库，FreeType库，libpng库，jpegsrc库，tiff库，pkg-config工具，GLib库，ATK库，Cairo库，Pango库和GTK+库。

其中很多源码包在比较新的Linux版本系统都会自带。笔者主要安装了5个源码包，即GLib，ATK，CAIRO，PANGO和GTK。上面5个源码包由于其依赖性必须按从前到后的顺序依次安装。在Linux上进行源码安装很容易找不到需要的某个包或文件，编译出错。需要对Linux的系统原理有比较熟悉的认识，并且要仔细阅读README,install等文件，了解安装过程。

下面总结几个关系到能否成功编译的因素：1）默认情况下，编译器只会使用/lib和/usr/lib这两个目录下的库文件。如果安装了某些库，没有指定搜索路径，编译就会出错。此时可在“./configure”命令时指定“--prefix=/usr”，这样库文件就安装到了“/usr/lib”下，或是通过设置LD_LIBRARY_PATH路径，添加“/usr/local/lib”路径，即没有指定安装路径时的库的安装位置，或者保存在“/etc/ld.so.conf”文件中，因为“/etc/ld.so.conf”文件记录了编译时

使用的动态链接库的路径。2）改动库文件后一定要运行一下“ldconfig”命令，它的作用就是将“/etc/ld.so.conf”列出的路径下的库文件缓存到“/etc/ld.so.cache”以供使用。不然即使库文件就在“/usr/lib”下，也是不会被使用的。3）设定正确的PKG_CONFIG_PATH。“pkg-config”是一个向configure程序提供软件和库的版本、路径等系统信息的程序，这些信息只在编译时使用。以GLib为例，如果将glib-2.x.x装到了“/usr/local/”下，那么glib-2.0.pc就会在“/usr/local/lib/pkgconfig”下，需要将这个路径添加到PKG_CONFIG_PATH下面，另外还需要将“lib/pkgconfig”目录下不需要的glib-2.0.pc删除掉，以确保configure找到正确的glib-2.0.pc，以免提示错误信息。安装时可以把指令统一为：./configure--prefix=/usr&&make&&make install。其中&&表示当前一条命令正常结束，后面的命令才会执行。这个办法既节省时间，又可防止出错。运行完之后可以运行命令“echo$?”，表示检查上一条命令的退出状态，返回0表示程序正常退出，返回非0表示错误退出。注意到上面说的几个因素，每次安装完后运行一次ldconfig，安装过程中一般都会经过多次配置等改动。

4.2应用GTK+库采集并显示视频数据

安装了GTK+库之后，就可以利用GTK+库提供的图形界面的API进行应用程序开发。笔者参考了camorama及spaview等Linux上的USB摄像头数据采集的应用程序。具体过程为在利用V4L提供的API获取到USB摄像头的视频图像数据后，再利用GTK+中的GDKPIXBUF库中的API函数来显示获取到的图像。GDKPIXBUF库是专门用于图像处理的，它支持多种图像格式（如TIFF，JPEG，PNG，GIF等）和动画。通过GTK+的应用程序，在窗口中可查看到USB摄像头的视频图像。

5小结

介绍了STi7109芯片为主芯片的机顶盒硬件平台及软件系统，介绍了安装配置USB摄像头驱动，利用GTK+库编写应用程序，搭建USB摄像头视频数据采集平台的整个过程。

本文主要在于过程方法的介绍，对于进一步功能的开发，如怎样用GTK+库来实现遥控器的控制等还有待进一步研究。主要创新点为使读者对怎样在Linux上进行机顶盒的开发有了更明确的认识，如对Linux上USB摄像头驱动开发、特殊的源码包联系性以及编译原理等都有了更深的理解。同时采用具有发展潜力的GTK+库来编写图形界面应用程序使图像采集过程更加人性化。该过程的方法也适用于其他嵌入式Linux的开发，具有很好的借鉴价值。