Linux小项目-行车记录仪项目设计

1. 前言

行车记录这个设备相信大家应该都不陌生，它的功能主要是记录车辆行驶途中的影像及声音。

安装行车记录仪后，能够记录汽车行驶全过程的视频图像和声音，可为交通事故提供证据，喜欢自驾游的人，还可以用它来记录征服艰难险阻的过程。开车时边走边录像，同时把时间、速度、所在位置都记录在录像里，相当黑匣子。现在横穿马路的行车、摩托车，不交通规则形势的汽车也经常遇到，万一和他们产生了刮碰，有可能会被敲诈勒索，如果有了行车记录仪，司机可为自己提供有效的证据。

这篇文章就介绍在Linux最小系统开发板上如何实现行车记录仪的功能，开发板自带了8G的EMMC，也可以外扩SD卡。

首先，在设计行车记录仪这个项目之前，要先了解清楚行车记录仪的功能。

（1）行车记录运行起来后，需要间隔循环录制视频保存，一般是1~10分钟一段视频，这样设计的原理是方便按时间查找视频，也防止以为情况损坏视频编码， 导致视频无法正常播放。

（2）当车辆发生碰撞、急刹车等紧急情况下，自动录制视频当前时间段视频保存，方便后续直接查看。这个功能需要加速度计的支持，检测车辆的紧急刹车，碰撞等姿态。

当前项目里摄像头采用USB免驱摄像头替代，视频编码功能采用ffmpeg实现，所以需要交叉编译ffmpeg到嵌入式开发板上。

2. ffmpeg的交叉编译

ffmpeg下载地址: www.ffmpeg.org/download.ht…

[root@xl ffmpeg]# tar xvf ffmpeg-3.0.2.tar.bz2 
​
[root@xl ffmpeg]# ./configure --disable-shared --enable-static --prefix=_install --cross-prefix=/work/arm-linux-gcc/opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin/arm-linux- --arch=arm --target-os=linux --enable-gpl --disable-bzlib --disable-zlib --extra-cflags=-I/work/ffmpeg/x264/x264-snapshot-20160527-2245/_install/include/ --extra-ldflags=-L/work/ffmpeg/x264/x264-snapshot-20160527-2245/_install/lib --enable-ffserver --enable-ffmpeg --enable-libx264
​
[root@xl ffmpeg-3.0.2]# make && make install
复制代码

编译ffmpeg还需要x264的库，编译ffmpeg前，需要先编译x264库。

x264库下载地址: www.videolan.org/developers/…

编译的步骤如下:

[root@xl x264]# tar -xjvf last_x264.tar.bz2 
​
[root@xl x264-snapshot-20160527-2245]# ./configure --prefix=$PWD/_install --disable-asm
​
修改配置文件
[root@xl x264-snapshot-20160527-2245]# gedit config.mak 
​
SYS_ARCH=X86改为ARCH=ARM
CC=gcc改为CC=arm-linux-gcc
LD=gcc -o改为LD=arm-linux-gcc -o
RANLIB=ranlib改为RANLIB=arm-linux-ranlib
AR=ar rc 改为AR=arm-linux-ar rc 
​
取消两个选项
CFLAGS=-Wshadow -O3 -ffast-math -m32 -Wall -I. -I$(SRCPATH) -std=gnu99 -D_GNU_SOURCE -mpreferred-stack-boundary=5 -fomit-frame-pointer -fno-tree-vectorize
改为
CFLAGS=-Wshadow -O3 -ffast-math -Wall -I. -I$(SRCPATH) -std=gnu99 -D_GNU_SOURCE -fomit-frame-pointer -fno-tree-vectorize
​
​
[root@xl x264-snapshot-20160527-2245]# make && make install
复制代码

3. 项目代码

下面的代码较多，直接将整份代码放在一个.c文件里，关于功能的解释在代码里都写了注释。

涉及到的技术有：ffmpeg的编码录制、声卡PCM数据采集，USB摄像头数据采集。

声卡的采集采用了alsa框架接口，USB摄像头使用的是V4L2框架接口。

下面代码实现的功能是10秒录制一段视频保存，视频文件名称使用时间命名，只是贴出了应用层的代码，加速度计mma766的驱动代码在上几篇文章里已经讲过了，这里就不再重复贴出来了。

具体实现的代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define STREAM_DURATION   10.0   /*录制10秒的视频，由于缓冲的原因，一般只有8秒*/
#define STREAM_FRAME_RATE 15     /* 15 images/s   avfilter_get_by_name */
#define STREAM_PIX_FMT    AV_PIX_FMT_YUV420P /* default pix_fmt */
#define SCALE_FLAGS SWS_BICUBIC

//固定摄像头输出画面的尺寸
#define VIDEO_WIDTH  640
#define VIDEO_HEIGHT 480

//存放从摄像头读出转换之后的数据
unsigned char YUV420P_Buffer[VIDEO_WIDTH*VIDEO_HEIGHT*3/2];
unsigned char YUV420P_Buffer_temp[VIDEO_WIDTH*VIDEO_HEIGHT*3/2];

/*一些摄像头需要使用的全局变量*/
unsigned char *image_buffer[4];
int video_fd;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

/*一些audio需要使用的全局变量*/
pthread_mutex_t mutex_audio;

extern int capture_audio_data_init( char *audio_dev);
extern int capture_audio_data(snd_pcm_t *capture_handle,int buffer_frames);
/*
 进行音频采集，采集pcm数据并直接保存pcm数据
 音频参数： 
	 声道数：		2
	 采样位数：	16bit、LE格式
	 采样频率：	44100Hz
*/
#define AudioFormat SND_PCM_FORMAT_S16_LE  //指定音频的格式,其他常用格式：SND_PCM_FORMAT_U24_LE、SND_PCM_FORMAT_U32_LE
#define AUDIO_CHANNEL_SET   1  			  //1单声道   2立体声
#define AUDIO_RATE_SET 44100   //音频采样率,常用的采样频率: 44100Hz 、16000HZ、8000HZ、48000HZ、22050HZ
FILE *pcm_data_file=NULL;

int buffer_frames;
snd_pcm_t *capture_handle;
snd_pcm_format_t format=AudioFormat;


//保存音频数据链表
struct AUDIO_DATA
{
	unsigned char* audio_buffer;
	struct AUDIO_DATA *next;
};

//定义一个链表头
struct AUDIO_DATA *list_head=NULL;
struct AUDIO_DATA *List_CreateHead(struct AUDIO_DATA *head);
void List_AddNode(struct AUDIO_DATA *head,unsigned char* audio_buffer);
void List_DelNode(struct AUDIO_DATA *head,unsigned char* audio_buffer);
int List_GetNodeCnt(struct AUDIO_DATA *head);

// 单个输出AVStream的包装器
typedef struct OutputStream {
    AVStream *st;
    AVCodecContext *enc;

    /* 下一帧的点数*/
    int64_t next_pts;
    int samples_count;

    AVFrame *frame;
    AVFrame *tmp_frame;

    float t, tincr, tincr2;

    struct SwsContext *sws_ctx;
    struct SwrContext *swr_ctx;
} OutputStream;


static int write_frame(AVFormatContext *fmt_ctx, const AVRational *time_base, AVStream *st, AVPacket *pkt)
{
    /*将输出数据包时间戳值从编解码器重新调整为流时基 */
    av_packet_rescale_ts(pkt, *time_base, st->time_base);
    pkt->stream_index = st->index;
		
	/*将压缩的帧写入媒体文件*/
    return av_interleaved_write_frame(fmt_ctx, pkt);
}


/* 添加输出流。 */
static void add_stream(OutputStream *ost, AVFormatContext *oc,
                       AVCodec **codec,
                       enum AVCodecID codec_id)
{
    AVCodecContext *c;
    int i;

    /* find the encoder */
    *codec = avcodec_find_encoder(codec_id);
    if (!(*codec)) {
        fprintf(stderr, "Could not find encoder for '%s'\n",
                avcodec_get_name(codec_id));
        exit(1);
    }

    ost->st = avformat_new_stream(oc, NULL);
    if (!ost->st) {
        fprintf(stderr, "Could not allocate stream\n");
        exit(1);
    }
    ost->st->id = oc->nb_streams-1;
    c = avcodec_alloc_context3(*codec);
    if (!c) {
        fprintf(stderr, "Could not alloc an encoding context\n");
        exit(1);
    }
    ost->enc = c;

    switch ((*codec)->type) {
    case AVMEDIA_TYPE_AUDIO:
        c->sample_fmt  = (*codec)->sample_fmts ? (*codec)->sample_fmts[0] : AV_SAMPLE_FMT_FLTP;
        c->bit_rate    = 64000;  //设置码率
        c->sample_rate = 44100;  //音频采样率
        c->channels= av_get_channel_layout_nb_channels(c->channel_layout);
        c->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_MONO; ////AV_CH_LAYOUT_MONO 单声道   AV_CH_LAYOUT_STEREO 立体声
        c->channels        = av_get_channel_layout_nb_channels(c->channel_layout);
        ost->st->time_base = (AVRational){ 1, c->sample_rate };
        break;

    case AVMEDIA_TYPE_VIDEO:
        c->codec_id = codec_id;
		//码率：影响体积，与体积成正比：码率越大，体积越大；码率越小，体积越小。
        c->bit_rate = 400000; //设置码率 400kps
        /*分辨率必须是2的倍数。 */
        c->width    =VIDEO_WIDTH;
        c->height   = VIDEO_HEIGHT;
        /*时基：这是基本的时间单位（以秒为单位）
		 *表示其中的帧时间戳。 对于固定fps内容，
		 *时基应为1 / framerate，时间戳增量应为
		 *等于1。*/
        ost->st->time_base = (AVRational){1,STREAM_FRAME_RATE};
        c->time_base       = ost->st->time_base;
        c->gop_size      = 12; /* 最多每十二帧发射一帧内帧 */
        c->pix_fmt       = STREAM_PIX_FMT;
        c->max_b_frames = 0;  //不要B帧
        if (c->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG1VIDEO) 
		{
            c->mb_decision = 2;
        }
    break;

    default:
        break;
    }

    /* 某些格式希望流头分开。 */
    if (oc->oformat->flags & AVFMT_GLOBALHEADER)
        c->flags |= AV_CODEC_FLAG_GLOBAL_HEADER;
}

/**************************************************************/
/* audio output */

static AVFrame *alloc_audio_frame(enum AVSampleFormat sample_fmt,
                                  uint64_t channel_layout,
                                  int sample_rate, int nb_samples)
{
    AVFrame *frame = av_frame_alloc();
    frame->format = sample_fmt;
    frame->channel_layout = channel_layout;
    frame->sample_rate = sample_rate;
    frame->nb_samples = nb_samples;
    if(nb_samples)
	{
        av_frame_get_buffer(frame, 0);
    }
    return frame;
}

static void open_audio(AVFormatContext *oc, AVCodec *codec, OutputStream *ost, AVDictionary *opt_arg)
{
    AVCodecContext *c;
    int nb_samples;
    int ret;
    AVDictionary *opt = NULL;
    c = ost->enc;
    av_dict_copy(&opt, opt_arg, 0);
    ret = avcodec_open2(c, codec, &opt);
    av_dict_free(&opt);
	

    /*下面3行代码是为了生成虚拟的声音设置的频率参数*/
    ost->t     = 0;
    ost->tincr = 2 * M_PI * 110.0 / c->sample_rate;
    ost->tincr2 = 2 * M_PI * 110.0 / c->sample_rate / c->sample_rate;

	//AAC编码这里就固定为1024
    nb_samples = c->frame_size;

    ost->frame     = alloc_audio_frame(c->sample_fmt, c->channel_layout,
                                       c->sample_rate, nb_samples);
    ost->tmp_frame = alloc_audio_frame(AV_SAMPLE_FMT_S16, c->channel_layout,
                                       c->sample_rate, nb_samples);

    /* copy the stream parameters to the muxer */
    avcodec_parameters_from_context(ost->st->codecpar, c);

    /* create resampler context */
    ost->swr_ctx = swr_alloc();

	/* set options */
    printf("c->channels=%d\n",c->channels);
	av_opt_set_int       (ost->swr_ctx, "in_channel_count",   c->channels,       0);
	av_opt_set_int       (ost->swr_ctx, "in_sample_rate",     c->sample_rate,    0);
	av_opt_set_sample_fmt(ost->swr_ctx, "in_sample_fmt",      AV_SAMPLE_FMT_S16, 0);
	av_opt_set_int       (ost->swr_ctx, "out_channel_count",  c->channels,       0);
	av_opt_set_int       (ost->swr_ctx, "out_sample_rate",    c->sample_rate,    0);
	av_opt_set_sample_fmt(ost->swr_ctx, "out_sample_fmt",     c->sample_fmt,     0);
    
	/* initialize the resampling context */
	swr_init(ost->swr_ctx);
}

/* 毫秒级 延时 */
void Sleep(int ms)
{
	struct timeval delay;
	delay.tv_sec = 0;
	delay.tv_usec = ms * 1000; // 20 ms
	select(0, NULL, NULL, NULL, &delay);
}


/*
准备虚拟音频帧
这里可以替换成从声卡读取的PCM数据
*/
static AVFrame *get_audio_frame(OutputStream *ost)
{
    AVFrame *frame = ost->tmp_frame;
    int j, i, v;
    int16_t *q = (int16_t*)frame->data[0];
    /* 检查我们是否要生成更多帧，用于判断是否结束*/
    if (av_compare_ts(ost->next_pts, ost->enc->time_base,STREAM_DURATION, (AVRational){ 1, 1 }) >= 0)
        return NULL;

   #if 1
	//获取链表节点数量
	int cnt=0;
	while(cnt<=0)
	{
		cnt=List_GetNodeCnt(list_head);
	}
	
	pthread_mutex_lock(&mutex_audio); /*互斥锁上锁*/

	//得到节点数据
	struct AUDIO_DATA *tmp=list_head;
	unsigned char *buffer;

	tmp=tmp->next;
	if(tmp==NULL)
	{
		printf("数据为NULL.\n");
		exit(0);
	}
	buffer=tmp->audio_buffer;
	
	//1024*16*1
	memcpy(q,buffer,frame->nb_samples*sizeof(int16_t)*ost->enc->channels);//将音频数据拷贝进入frame缓冲区
	
	List_DelNode(list_head,buffer);
	free(buffer);			
    pthread_mutex_unlock(&mutex_audio); /*互斥锁解锁*/
	#endif
	
    frame->pts = ost->next_pts;
    ost->next_pts  += frame->nb_samples;
    return frame;
}


/*
 *编码一个音频帧并将其发送到多路复用器
 *编码完成后返回1，否则返回0
 */
static int write_audio_frame(AVFormatContext *oc, OutputStream *ost)
{
    AVCodecContext *c;
    AVPacket pkt = { 0 };
    AVFrame *frame;
    int ret;
    int got_packet;
    int dst_nb_samples;

    av_init_packet(&pkt);
    c = ost->enc;

    frame = get_audio_frame(ost);

    if(frame)
	{
        /*使用重采样器将样本从本机格式转换为目标编解码器格式*/
		 /*计算样本的目标数量*/
		dst_nb_samples = av_rescale_rnd(swr_get_delay(ost->swr_ctx, c->sample_rate) + frame->nb_samples,
										c->sample_rate, c->sample_rate, AV_ROUND_UP);
		av_assert0(dst_nb_samples == frame->nb_samples);
        av_frame_make_writable(ost->frame);
        /*转换为目标格式 */
        swr_convert(ost->swr_ctx,
                    ost->frame->data, dst_nb_samples,
                    (const uint8_t **)frame->data, frame->nb_samples);
        frame = ost->frame;
        frame->pts = av_rescale_q(ost->samples_count, (AVRational){1, c->sample_rate}, c->time_base);
        ost->samples_count += dst_nb_samples;
    }

    avcodec_encode_audio2(c, &pkt, frame, &got_packet);

    if (got_packet) 
	{
        write_frame(oc, &c->time_base, ost->st, &pkt);
    }
    return (frame || got_packet) ? 0 : 1;
}


static AVFrame *alloc_picture(enum AVPixelFormat pix_fmt, int width, int height)
{
    AVFrame *picture;
    int ret;
    picture = av_frame_alloc();
    picture->format = pix_fmt;
    picture->width  = width;
    picture->height = height;

    /* allocate the buffers for the frame data */
    av_frame_get_buffer(picture, 32);
    return picture;
}


static void open_video(AVFormatContext *oc, AVCodec *codec, OutputStream *ost, AVDictionary *opt_arg)
{
    AVCodecContext *c = ost->enc;
    AVDictionary *opt = NULL;
    av_dict_copy(&opt, opt_arg, 0);
    /* open the codec */
    avcodec_open2(c, codec, &opt);
    av_dict_free(&opt);
    /* allocate and init a re-usable frame */
    ost->frame = alloc_picture(c->pix_fmt, c->width, c->height);
    ost->tmp_frame = NULL;
    /* 将流参数复制到多路复用器 */
    avcodec_parameters_from_context(ost->st->codecpar, c);
}


/*
准备图像数据
YUV422占用内存空间 = w * h * 2
YUV420占用内存空间 = width*height*3/2
*/
static void fill_yuv_image(AVFrame *pict, int frame_index,int width, int height)
{
	int y_size=width*height;
	/*等待条件成立*/
	pthread_mutex_lock(&mutex);
    pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
	memcpy(YUV420P_Buffer_temp,YUV420P_Buffer,sizeof(YUV420P_Buffer));
	/*互斥锁解锁*/
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	
    //将YUV数据拷贝到缓冲区  y_size=wXh
	memcpy(pict->data[0],YUV420P_Buffer_temp,y_size);
	memcpy(pict->data[1],YUV420P_Buffer_temp+y_size,y_size/4);
	memcpy(pict->data[2],YUV420P_Buffer_temp+y_size+y_size/4,y_size/4);
}


static AVFrame *get_video_frame(OutputStream *ost)
{
    AVCodecContext *c = ost->enc;

    /* 检查我们是否要生成更多帧---判断是否结束录制 */
      if(av_compare_ts(ost->next_pts, c->time_base,STREAM_DURATION, (AVRational){ 1, 1 }) >= 0)
        return NULL;

    /*当我们将帧传递给编码器时，它可能会保留对它的引用
    *内部； 确保我们在这里不覆盖它*/
    if (av_frame_make_writable(ost->frame) < 0)
        exit(1);

	//制作虚拟图像
	//DTS（解码时间戳）和PTS（显示时间戳）
    fill_yuv_image(ost->frame, ost->next_pts, c->width, c->height);
    ost->frame->pts = ost->next_pts++;
    return ost->frame;
}

/*
*编码一个视频帧并将其发送到多路复用器
*编码完成后返回1，否则返回0
*/
static int write_video_frame(AVFormatContext *oc, OutputStream *ost)
{
    int ret;
    AVCodecContext *c;
    AVFrame *frame;
    int got_packet = 0;
    AVPacket pkt = { 0 };
    c=ost->enc;
	//获取一帧数据
    frame = get_video_frame(ost);
    av_init_packet(&pkt);

    /* 编码图像 */
    ret=avcodec_encode_video2(c, &pkt, frame, &got_packet);

    if(got_packet) 
	{
        ret=write_frame(oc, &c->time_base, ost->st, &pkt);
    }
	else
    {
        ret = 0;
    }
    return (frame || got_packet) ? 0 : 1;
}


static void close_stream(AVFormatContext *oc, OutputStream *ost)
{
    avcodec_free_context(&ost->enc);
    av_frame_free(&ost->frame);
    av_frame_free(&ost->tmp_frame);
    sws_freeContext(ost->sws_ctx);
    swr_free(&ost->swr_ctx);
}


//编码视频和音频
int video_audio_encode(char *filename)
{
    OutputStream video_st = { 0 }, audio_st = { 0 };
    AVOutputFormat *fmt;
    AVFormatContext *oc;
    AVCodec *audio_codec, *video_codec;
    int ret;
    int have_video = 0, have_audio = 0;
    int encode_video = 0, encode_audio = 0;
    AVDictionary *opt = NULL;
    int i;

    /* 分配输出环境 */
    avformat_alloc_output_context2(&oc,NULL,NULL,filename);
    fmt=oc->oformat;
	
     /*使用默认格式的编解码器添加音频和视频流，初始化编解码器。 */
    if(fmt->video_codec != AV_CODEC_ID_NONE)
	{
        add_stream(&video_st,oc,&video_codec,fmt->video_codec);
        have_video = 1;
        encode_video = 1;
    }
    if(fmt->audio_codec != AV_CODEC_ID_NONE)
	{
        add_stream(&audio_st, oc, &audio_codec, fmt->audio_codec);
        have_audio = 1;
        encode_audio = 1;
    }

  /*现在已经设置了所有参数，可以打开音频视频编解码器，并分配必要的编码缓冲区。 */
    if (have_video)
        open_video(oc, video_codec, &video_st, opt);

    if (have_audio)
        open_audio(oc, audio_codec, &audio_st, opt);

    av_dump_format(oc, 0, filename, 1);

    /* 打开输出文件（如果需要） */
    if(!(fmt->flags & AVFMT_NOFILE)) 
	{
        ret = avio_open(&oc->pb, filename, AVIO_FLAG_WRITE);
        if (ret < 0)
		{
            fprintf(stderr, "无法打开输出文件: '%s': %s\n", filename,av_err2str(ret));
            return 1;
        }
    }

    /* 编写流头（如果有）*/
    avformat_write_header(oc,&opt);

    while(encode_video || encode_audio)
	{
        /* 选择要编码的流*/
        if(encode_video &&(!encode_audio || av_compare_ts(video_st.next_pts, video_st.enc->time_base,audio_st.next_pts, audio_st.enc->time_base) <= 0))
        {
			//printf("视频编码一次----->\n");
            encode_video = !write_video_frame(oc,&video_st);
        }
		else 
		{
			//printf("音频编码一次----->\n");
            encode_audio = !write_audio_frame(oc,&audio_st);
        }
    }
	
    av_write_trailer(oc);
	
    if (have_video)
        close_stream(oc, &video_st);
    if (have_audio)
        close_stream(oc, &audio_st);

    if (!(fmt->flags & AVFMT_NOFILE))
        avio_closep(&oc->pb);
    avformat_free_context(oc);
    return 0;
}


/*
函数功能: 摄像头设备初始化
*/
int VideoDeviceInit(char *DEVICE_NAME)
{
	/*1. 打开摄像头设备*/
	video_fd=open(DEVICE_NAME,O_RDWR);
	if(video_fd<0)return -1;

	/*2. 设置摄像头支持的颜色格式和输出的图像尺寸*/
	struct v4l2_format video_formt;
	memset(&video_formt,0,sizeof(struct v4l2_format));	
	video_formt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; /*视频捕获设备*/
	video_formt.fmt.pix.height=VIDEO_HEIGHT; //480 
	video_formt.fmt.pix.width=VIDEO_WIDTH; //640
	video_formt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_YUYV;
	if(ioctl(video_fd,VIDIOC_S_FMT,&video_formt))return -2;
	printf("当前摄像头尺寸:width*height=%d*%d\n",video_formt.fmt.pix.width,video_formt.fmt.pix.height);
	
	/*3.请求申请缓冲区的数量*/
	struct v4l2_requestbuffers video_requestbuffers;
	memset(&video_requestbuffers,0,sizeof(struct v4l2_requestbuffers));	
	video_requestbuffers.count=4;
	video_requestbuffers.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; /*视频捕获设备*/
	video_requestbuffers.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
	if(ioctl(video_fd,VIDIOC_REQBUFS,&video_requestbuffers))return -3;
	printf("video_requestbuffers.count=%d\n",video_requestbuffers.count);

	/*4. 获取缓冲区的首地址*/
	struct v4l2_buffer video_buffer;
	memset(&video_buffer,0,sizeof(struct v4l2_buffer));
	int i;
	for(i=0;i;i++)>

审核编辑：汤梓红