［導(dǎo)讀］
視頻處理是人工智能應(yīng)用中的一個重要方向，對于一款端上部署的AI加速產(chǎn)品，其視頻接入能力是產(chǎn)品技術(shù)實(shí)力的重要體現(xiàn)，同時也直接影響用戶的產(chǎn)品體驗(yàn)。端上的嵌入式設(shè)備，受制于本身的CPU等硬件資源，同時支持多種視頻設(shè)備及多種視頻格式是極大的挑戰(zhàn)。
背景介紹
視頻處理是人工智能應(yīng)用中的一個重要方向，對于一款端上部署的AI加速產(chǎn)品，其視頻接入能力是產(chǎn)品技術(shù)實(shí)力的重要體現(xiàn)，同時也直接影響用戶的產(chǎn)品體驗(yàn)。端上的嵌入式設(shè)備，受制于本身的CPU等硬件資源，同時支持多種視頻設(shè)備及多種視頻格式是極大的挑戰(zhàn)。
EdgeBoard是百度基于FPGA打造的嵌入式AI解決方案，能夠提供強(qiáng)大的算力，并支持定制化模型，適配各種不同的場景，并大幅提高設(shè)備的AI推理能力，具有高性能、高通用、易集成等特點(diǎn)。EdgeBoard作為一款面向各個層次的AI開發(fā)者的硬件平臺，兼顧了多種視頻輸入，包括MIPI、BT1120、USB攝像頭、IPC（IP Camera，網(wǎng)絡(luò)攝像頭）、GigE工業(yè)攝像頭，這極大地體現(xiàn)出EdgeBoard在視頻處理上出色的技術(shù)實(shí)力，而同時支持如此多的視頻接入設(shè)備在一般的AI端產(chǎn)品上也是不常見的。
本文將詳細(xì)介紹EdgeBoard上的視頻處理方案，如何兼顧效率和通用性，在二者之間取得平衡，最大程度上滿足用戶的需求。
Linux V4L2結(jié)構(gòu)
內(nèi)核V4L2模塊
Linux系統(tǒng)發(fā)展至今，以其優(yōu)越的跨平臺特性和擴(kuò)展移植性在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)很大的份額，EdgeBoard采用的是Xilinx PetaLinux工具打造的Linux內(nèi)核，操作系統(tǒng)采用的是RootFS，如果用戶需要Ubuntu操作系統(tǒng)，可以直接在Xilinx論壇上獲得arm64 Ubuntu操作系統(tǒng)。
Video4Linux2（簡稱V4L2）是Linux下關(guān)于視頻采集相關(guān)設(shè)備的驅(qū)動框架，為驅(qū)動和應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的接口規(guī)范。支持三類設(shè)備，分別會在／dev目錄下產(chǎn)生不同的設(shè)備節(jié)點(diǎn)：
1．視頻輸入輸出設(shè)備（video capture device，video output device），分別是提供視頻捕獲功能的攝像頭類型設(shè)備和提供視頻輸出功能的設(shè)備，對應(yīng)的設(shè)備名為videoX。這是我們最常用的一種設(shè)備類型。
2．VBI設(shè)備（Vertical Blanking Interval），對VBI數(shù)據(jù)進(jìn)行控制、發(fā)送或抓取的設(shè)備，對應(yīng)設(shè)備名vbiX。
3． radio設(shè)備，提供FM／AM發(fā)送和接收的設(shè)備，對應(yīng)設(shè)備名radioX
V4L2在Linux系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)圖如下：
從圖中可以看出，驅(qū)動的框架層次分明，最上層通過字符設(shè)備提供video和media兩種控制接口，分別從視頻流控制（video）和媒體子設(shè)備控制（media）兩種不同的角度抽象出操作接口。中間內(nèi)核驅(qū)動層通過三層設(shè)備驅(qū)動分別從視頻抽象，V4L2設(shè)備功能定義，子設(shè)備功能定義三個層面展開，模塊化的設(shè)計(jì)提供了非常完善的擴(kuò)展性。最下方是硬件層，除了提供常用攝像頭傳感器的功能外，對于常用的視頻轉(zhuǎn)換也有很好的支持。
在應(yīng)用層的軟件支持也非常豐富，比如廣泛使用的FFmpeg、Gstreamer、LiVes、MPlayer等對本地視頻設(shè)備的支持也都是通過V4L2提供的接口實(shí)現(xiàn)的。
Xilinx V4L2驅(qū)動結(jié)構(gòu)
深入理解V4L2框架對于FPGA視頻方案的靈活配置有很大的幫助作用，也方便FPGA開發(fā)人員快速驗(yàn)證視頻功能。本節(jié)以Xilinx視頻處理子系統(tǒng)為例，介紹一套完整的V4L2內(nèi)核功能的實(shí)現(xiàn)，如下圖。
結(jié)合上一節(jié)提到的V4L2結(jié)構(gòu)圖可以看出V4 L2內(nèi)核對應(yīng)了全部視頻框架的內(nèi)容。中間部分，xilinx通過xvip＿dma結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了整體的video＿device功能，給用戶層提供必要的控制設(shè)備接口（右側(cè)用戶層接口）；左側(cè)部分，是內(nèi)核將所有的xilinx視頻相關(guān)設(shè)備組合成xvip＿composite＿device，即v4l2＿device，通過該模塊可以擴(kuò)展具體的子設(shè)備功能，即v4l2＿subdev，包括TPG、VTC、RGB2YUV、scaler等等；右側(cè)部分，是用戶層的接口，用戶層調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)對視頻設(shè)備的操作；頂層部分，為了提高數(shù)據(jù)搬運(yùn)的效率使用了DMA設(shè)備功能，即xilinx＿dma＿device。下層部分，對于內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理，使用了v4l2統(tǒng)一抽象提供的vb2＿queue、vb2＿buffer等模塊實(shí)現(xiàn)。
V4L2結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例解析
這里以在EdgeBoard上使用的MIPI攝像頭為例介紹V4L2的具體應(yīng)用。
MIPI攝像頭視頻通路
對MIPI攝像頭的支持采用了xilinx video框架，符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動以及和硬件結(jié)合的流程。具體的實(shí)現(xiàn)為：硬件上采用FPGA的IP實(shí)現(xiàn)視頻通路上的各種視頻預(yù)處理，內(nèi)核驅(qū)動模塊使用vipp對應(yīng)的功能，應(yīng)用層通過／dev／media節(jié)點(diǎn)將這些子設(shè)備之間的連接關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過／dev／video控制視頻的傳輸及視頻抓取。
V4L2子設(shè)備驅(qū)動（攝像頭驅(qū)動）的編寫方法
從上文可以看出，雖然利用已有的IP和驅(qū)動資源，可以快速搭建MIPI攝像頭的數(shù)據(jù)接入功能，但還缺少對于攝像頭本身的參數(shù)控制功能等，這部分功能的實(shí)現(xiàn)是在驅(qū)動模塊完成。本節(jié)將介紹一下此類驅(qū)動的結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程。
相對于實(shí)現(xiàn)一個完整的V4L2驅(qū)動功能比較龐大，針對攝像頭驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)相對簡單了許多，只需要實(shí)現(xiàn)V4L2的子設(shè)備驅(qū)動即可，因?yàn)榇蟛糠止δ芤呀?jīng)在video＿device里實(shí)現(xiàn)了。詳細(xì)的子設(shè)備驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖如下
結(jié)合前文的整體結(jié)構(gòu)圖，這里的核心是實(shí)現(xiàn)一個v4l2＿subdev結(jié)構(gòu)，即填充其內(nèi)部各操作接口結(jié)構(gòu)體，其中核心是v4l2＿subdev＿ops，通過該接口實(shí)現(xiàn)從用戶層對其配置各種參數(shù)，以對視頻流的控制。media＿entity目地是實(shí)現(xiàn)各個v4l2＿subdev之間的連接通路。用戶層對mediaX設(shè)備的操作都需要這個結(jié)構(gòu)的支持。
基于V4L2的軟件開發(fā)
應(yīng)用層的軟件開發(fā)，推薦使用gstreamer或者opencv videocapture，opencv的底層實(shí)現(xiàn)可能依賴gstreamer，如果這些不能滿足讀者的要求，需要更詳細(xì)的參數(shù)控制，或者軟件環(huán)境不具備這兩種支持，可以考慮直接操作v4l2設(shè)備。如下將介紹V4L2 軟件層面的具體方法。
V4L2通常支持三種不同IO訪問方式（其他內(nèi)核里支持的方式暫不討論），包括
1．read／write基本IO訪問方式，read方式讀取一幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要從內(nèi)核空間傳輸?shù)接脩艨臻g，增加了內(nèi)存訪問的開銷，對于圖像類的應(yīng)用效率不高
2．內(nèi)存映射方式，這是在內(nèi)核空間開辟的緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)可能支持DMA功能，這樣極大的提高了數(shù)據(jù)從設(shè)備搬運(yùn)到內(nèi)存的效率。用戶只需要使用mmap（）系統(tǒng)調(diào)用將其映射到用戶空間后，可以直接使用。這種方式支持的設(shè)備很多。
3．用戶空間緩沖區(qū)方式，這是在用戶空間開辟的緩沖區(qū)，再把緩沖區(qū)的指針告訴內(nèi)核，這種方式雖然也能減少內(nèi)存拷貝，但是內(nèi)核驅(qū)動或者硬件設(shè)備在處理這些用戶空間的地址會麻煩很多，不是所有的設(shè)備都會支持
這里以第二種方式詳細(xì)說明具體使用過程，參考如下流程圖
包括這幾個步驟：
1、 使用open（）打開設(shè)備
2、 使用ioctl（）進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，一般包括查詢設(shè)備能力（VIDIOC＿QUERYCAP），設(shè)置視頻捕獲相關(guān)參數(shù)，如幀率控制（VIDIOC＿S＿PARM）、圖像的窗口尺寸（VIDIOC＿S＿CROP）、像素點(diǎn)的格式和寬高（VIDIOC＿S＿FMT）等，詳細(xì)支持的參數(shù)可以使用上面介紹的工具進(jìn)行查詢
3、 使用ioctl（）申請幀緩沖（VIDIOC＿REQBUFS），并查詢申請到的緩沖區(qū)的信息（VIDIOC＿QUERYBUF）
4、 使用mmap（）對申請到的緩沖區(qū)進(jìn)行內(nèi)存映射，保存映射得到的地址
5、 使用ioctl（）把幀緩沖進(jìn)行入隊(duì)操作（VIDIOC＿QBUF）
6、 使用ioctl（）開始視頻流進(jìn)行捕獲（VIDIOC＿STREAMON）
7、 使用selet（）等待接收到數(shù)據(jù)
8、 使用ioctl（）取出幀緩沖即出隊(duì)操作（VIDIOC＿DQBUF）
9、 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，
10、 重復(fù)幀緩沖入隊(duì)操作，如此循環(huán)
11、 退出時，停止采集工作（VIDIOC＿STREAMOFF），使用unmap（）和close（）釋放資源
用戶層工具介紹（技術(shù)小福利）
上文介紹完EdgeBoard中視頻處理的完整方案，現(xiàn)介紹V4L2開發(fā)中常用的調(diào)試工具，有助于提升開發(fā)效率。
得益于Linux豐富的開源資源，操作v4l2設(shè)備的應(yīng)用層工具也非常多。默認(rèn)的EdgeBoard PetaLinux系統(tǒng)已經(jīng)配置好常用的幾個工具，特此介紹給大家。v4l－utils是專門控制v4l設(shè)備的一系列命令工具集，包含以下實(shí)用程序：
1． v4l2－ctl：用來全方位的配置v4l2設(shè)備，對于內(nèi)核模塊暴露出來的接口，幾乎都有支持。特別是軟件開發(fā)時候使用的ioctl控制命令，也可以使用該工具來直接設(shè)置，幫助我們調(diào)試驅(qū)動或軟件。
2． v4l2－compliance：兼容性工具，用于測試v4l設(shè)備驅(qū)動程序的v4l2 API兼容性，會打印出來各個ioctal命令接口是否有支持。多用在v4l應(yīng)用軟件開發(fā)過程中。
3．v4l2－dbg：直接獲取和設(shè)置v4l2設(shè)備寄存器的工具，這依賴于設(shè)備驅(qū)動的支持?？梢允褂胿4l2－compliance查看VIDIOC＿DBG＿G／S＿REGISTER命令接口是否可用，在可用的情況下，可以使用該工具來測試。
4．v4l2－sysfs－path：檢查平臺已經(jīng)加載的v4l2設(shè)備以及相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
5． media－ctl：媒體設(shè)備的控制工具，幫助我們在v4l2各個子設(shè)備間建立連接。
gstreamer是Linux平臺廣泛應(yīng)用的視頻流工具，特別是嵌入式平臺，良好的軟件架構(gòu)及衍生出其豐富的擴(kuò)展插件對不同硬件平臺都具有良好的支持。
這里給出一個命令行示例，就可以了解它的獨(dú)特之處了，如下：
gst－launch－1．0 v4l2src device＝／dev／video4 ！ video／x－raw，width＝1280，height＝720 ！ videorate ！ image／jpeg，framerate＝1／4 ！ multifilesink location＝＂frame％d．jpg＂ index＝100
這條命令的意思是打開v4l2視頻源即／dev／video4這個USB視頻設(shè)備，抓取其1280x720寬度的原始jpeg圖片流按照4秒1幀的速度保存到本地文件，命名格式為frame100．jpg開始
總結(jié)
本文以MIPI攝像頭為例介紹了在EdgeBoard中采用V4L2結(jié)構(gòu)的視頻處理方案，得益于V4L2結(jié)構(gòu)的靈活性和可擴(kuò)展性，像BT1120、USB攝像頭等也采用類似的方案，實(shí)現(xiàn)了對多視頻接入方案的支持。對于需要視頻接入方案的用戶，可以直接購買EgdeBoard產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)視頻接入的即插即用。
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