多功能汽车行车记录仪的设计与实现
作文件和目录。
3.2 获取摄像头图像程序设计
V4L2是Video for Linux的第二个版本的简称，是前一个版本的改进版。Video for Linux Two已经是操作系统的标准代码，作用是提供API接口，这些接口的功能是采集视频、设置参数、获取音频数据等，通过这套接口可以完成多媒体的功能开发，在多媒体应用中十分广泛，比如视频监控领域、远程视频领域等。
Linux操作系统中的所有操作都是通过文件完成，对外设操作是通过设备文件完成的，就像访问普通文件一样访问设备文件。当前系统中，把USB摄像头插入主板后，Linux把此设备识别成/dev/video2文件，之后就是通过这个文件，并通过V4L2 API完成摄像头的数据交互。标准的V4L2支持两种方式获取图像数据：内存共享方式，通过mmap把内核的内存映射到应用程序空间;另外一种是直接读写设备。使用哪一种方式，需要知道驱动的支持的方式。另外在videodev.h文件中定义了API操作相关的数据结构，获取摄像头数据的过程中，通过这些结构获取最终的图像数据。这种对API支持的配置在编译Linux内核期间就可以配置到系统中，默认是打开的，该API接口在Linux2.5之后版本就已出现。获取摄像头图像数据的流程，运行的过程与一般的程序逻辑一样。但是实际工程中，还需要增加对摄像头数据进行处理，比如视频压缩等，否则，视频帧数据非常庞大，板子上的存储空间与传输带宽将不能满足要求。
3.3 Luvcview开源程序设计
Luvcview是一个公共社区开发维护的开源的代码，用于摄像头的功能测试，只要USB摄像头符合UVC驱动规范，就可以使用luvcview获取摄像头数据，因此需要先核对使用的摄像头是否在内核UVC的支持列表中。对luvcview开源代码进行定制化的开发修改，能够使得这套代码可以运行在TINY6410板子上跑程序，并结合TINY6410特有的MFC多媒体框架，使用硬件模块完成空间色彩转换与视频图像缩放效果，也就是视频的后处理功能。修改代码的luvcview适配到Linux平台或者S3C6410嵌入式处理器中，因此开源的代码有两个makefile文件，一个针对嵌入式系统版本，另外一个针对Linux版本，嵌入式系统版本中，有软硬件实现YUV到RGB转换与软件实现YUV到RGB颜色空间的转换，默认的是使用硬件完成YUV到RGB颜色转换并通过PP模块完成视频帧的放大与缩小。
3.4 多媒体MFC程序设计
多媒体MFC程序设计主要使用6410发行的编码动态库，在这些库的函数中调用Linux API系统层函数如读写控制函数。MFC编解码过程中，该微处理器能够进行两种方式的输入处理，线性模式与环状模式。在线性模式下，上层的程序使用一帧实际的大小填入缓存。该模式支持MPEG4/H.263、H.264、VC-1解码。不同的是环状模式，缓存被分割成几个固定大小的部分来填充编码的数据。在编码任务中，环状模式被用于输入过程;线性模式被用于输出过程。
4 主要系统模块设计
4.1 开发系统设计
本次视频行车记录仪设计的开发环境为Ubnutu系统，在Windows10下安装虚拟机，在虚拟机中安装Ubuntu系统，能够屏蔽底层差异，避免不用硬件带来的麻烦，并且可以方便的使用串口或者USB接口，快速的开始实验。通过Ubuntu上创建交叉编译环境。VMware虚拟机中的Ubuntu系统界面简洁、编写代码方便，便于Tiny6410的程序开发。
4.2 摄像头系统设计
摄像头主要由镜头、图像感应阵列、放大器、AGC、A/D、同步信号发生器D/A转换电路等子模块组成。摄像头的主要图像传感部件是CMOS或者CCD感光阵列，都是理想的摄像元件。
摄像头的工作原理为：被拍摄物体反射亮度，光线进入镜头，经过镜头聚焦到CMOS或者CCD阵列上，CCD或者CMOS扫描产生表示一幅画面的电信号，经过电路放大、AGC自动增益调整，由ISP图像处理器转换成数字信号。同步信号发生器主要产生同步时钟信号（由晶体振荡电路来完成），即产生垂直和水平的掃描驱动信号，到图像处理IC。输出端子输出一个标准的复合视频信号。感光示意图如图5所示。
4.3 颜色空间与格式转换
描述颜色的方式有很多种，RGB三原色、YUV亮度色度或者极坐标方式，在不同的使用环境中，可能会有不同的色彩表达和色彩空间变换，通过软件或者硬件完成转换的需求。根据不同的划分定义，于是有了不同的颜色模型。
对于摄像头传感器，最常使用的色彩空间主要是红绿蓝与YUV这两种，现实使用中，RGB又分成如RGB888或者RGB565等。YUV可以分成YUV444，YUV422，YUV420等子类型。RGB就是把3种原色光叠加在一起来说明颜色，而YUV则按照亮度和色度差描述一个颜色点。由于YUV在很大程度上是取决于硬件，RGB和YUV变换公式有好几种，但是差距不大。变换公式为：
Y=0.30R+0.59G+0.11B （1）
U=0.493（B-Y）=-0.15R-0.29G+0.44B （2）
V=0.887（R-Y）=0.62R-0.52G-0.10B （3）
其中：Y为灰阶度;U和V为色度;R、G、B分别为红、绿、蓝3个颜色通道。公式表达式的差距主要体现在摄像头传感器上，有一些摄像头传感器能够设置YUV的输出的一定范围。需要明白关键的一点是，UV信号是蓝色差信号与红色差信号，从而在一定程度上代表的是蓝色和红色，基于这一点，可以更好地理解颜色空间变换。
5 系统测试与功能实现
5.1 测试说明
系统误差包括操作误差，外在环境误差，和仪器误差等多个方面。文中在TINY6410开发平台基础上借助于虚拟机完成安装Ubuntu系统，实现了基于USB摄像头完成视频实时显示与记录到SD卡的视频系统。当启动时出现如图6所示的企鹅图像代表系统正常启动。通过多次试验测试，逐步提高系统稳定性。
5.2 测试流程
实验测试中，视频采集运行稳定，显示的图像稳定。采用了MPEG-4通过硬件编码方式，证实了系统的可行性较高。录制在SD卡中的视频能放在Windows系统中播放，因此，实现了视频录制的功能，并反映了记录下车辆行驶过程中的数据。
6 小结
本设计使用的是S3C6410为核心的Tiny6410开发板、高清摄像头以及高速SD卡，配合软件的编译与烧写，使本汽车行驶记录仪具有摄像头模块数据读出、同步视频显示和同步存储到SD卡的功能，并且具有读取稳定、高清显示、存储高速和实用性强等特点[8]。在核心器件的选择中主要考虑的是三星公司的S3C2440和S3C6410嵌入式处理器，通过查阅互联网上的资料，对比发现S3C6410的多媒体处理能力比S3C2440要更加强大，拓展端口也更加丰富[9]。
参考文献：
[1]李东博. 汽车行驶记录的研究[J].信息技术， 2016（1）：93-94.
[2]董琳. 基于S3C6410处理器U-boot SD卡启动方式的研究与实现[J]. 电子制作， 2015（19）：96-97.
[3]孙春霞，孙江正.行驶记录仪关键技术研究与实现[J].自动化与仪器仪表， 2016（11）： 243-246.
[4]黄相平，余水宝，夏灿.基于S3C6410平台的嵌入式Linux系统LCD驱动模块[J]. 微型机与应用， 2013， 32（13）：9-12， 16.
[5]赵兴海，衡友跃.基于S3C2440平台的Linux内核引导的过程实现[J]. 淮北职业技术学院学报， 2016， 15（4）：134-135， 138.
[6]LENG J W ， DAI S . Research and design of embedded crane video transfer system[J]. Applied Mechanics and Materials， 2014（496-500）：1609-1612.
[7]YAN Z C ， FEN P X . Design and applications of embedded system in video surveillance[J]. Applied Mechanics and Materials， 2014（596）：536-539.
[8]赵荣阳.基于嵌入式技术的多功能汽车行驶记录仪设计[J]. 钦州学院学报， 2013， 28（11）： 6-9.
[9]张鑫，刘树昌，庄仲，等.嵌入式汽车行驶记录仪的设计[J]. 测试技术学报， 2014， 28（5）：400-404.
收稿日期：2019-05-30
基金项目：国家自然科学基金项目（61473118）;
湖南省大学生创新创业训练计划项目（湘教通〔2019〕219号）;湖南省科技计划项目（2016TP1021）
第一作者简介：程望斌（1979—），男，副教授，硕士，研究方向：光电子技术;竞赛指导和人才培养。
通信作者简介：刘馨文（1997—），男，在读硕士研究生，研究方向：机器视觉，电子邮箱：386131592@qq.com。