2 視頻采集模塊設計與實現

視頻捕獲模塊是整個視頻采集終端的核心。它通過嵌入式Linux操作系統調度V4L (video4linux)和影像設備驅動程序來完成視頻捕獲。V4L 是Linux影像系統與嵌入式影像的基礎，是Linux kernel里支持影像設備的一組APIs，配合適當的視頻采集卡與視頻采集卡驅動程序，V4L可以實現影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L 主要應用在影像串流系統與嵌入式影像系統里，其應用范圍相當廣泛，比如：遠程教學、遠程醫療、視頻會議、視頻監控、可視電話等。V4L為2層式架構，最上層為V4L驅動程序，最下層則是影像設備驅動程序。

在Linux操作系統中，外部設備都作為設備文件來管理，因此，對外部設備的操作就轉變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調用V4L APIs對設備文件video0的讀操作即可實現攝像頭視頻數據采集。其主要過程如下：

1) 打開設備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開影像源的設備文件；

2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息；

3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個channel的信息；

4) 對channel設置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設置norm；

5) 設備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數據的地址；

6) 初始化mmap緩沖區： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

通過以上操作，即可將攝像頭視頻數據采集到內存。采集到內存的視頻數據既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后封裝進數據包，通過網絡傳輸到數據處理中心。本設計采用后一種處理方法，即：先將采集的視頻數據進行JPEG壓縮，再將其封裝進數據包傳輸到視頻應用服務端處理。

3 視頻壓縮模塊設計

由于視頻采集模塊采集的視頻數據信息量較大，如果直接通過網絡傳輸，則會增加數據傳輸系統的負擔，大大降低數據傳輸效率。為此，本設計采用JPEG —Joint Photographic Experts Group壓縮編碼算法對視頻數據進行壓縮。JPEG是一個適用于彩色、單色多灰度、連續色調靜止數字圖像的壓縮標準，是靜態數字圖像壓縮的國際標準，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標準，其主要處理過程包括：色彩模型轉換、離散余弦— DCT變換、重排DCT結果、量化、編碼等。

在本設計中，采用最基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過離散余弦變換（DCT）去除數據冗余；其次，使用量化表對DCT系數進行量化；最后，采用Huaffman可變字長編碼對量化后的DCT系數進行編碼，使其熵達到最小。通過實驗，數據壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達到70%左右。

4 nRF2401無線發射、接收模塊設計

本設計采用nRF2401 2.4GHz無線收發芯片完成視頻數據的無線傳輸。nRF2410是一款單片射頻收發芯片，工作在2.4GHz~2.5GHz ISM頻段，該芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶振和調制解調器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數都可以通過程序進行配置。內置的 DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天線同時接收兩個不同頻道的數據，這為視頻數據的傳輸提供了有利條件。

nRF2401在發送和接收數據時主要完成以下操作：

1）初始化發送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能發送器/接收器，啟動計數器等；

2）發送器/接收器配置：先打開配置方式，再配置發送/接收器，最后使能收發功能；

3）接收包/接收包處理：

4）發送/接收數據：完成數據包的發送/接收操作；

5）讀取A/D轉換結果：等待AD轉換完成后，讀取A/D轉換結果數據，并開始接受新的轉換；