一、 Linux系統中的USB攝像頭驅動程序
　　USB攝像頭以其良好的性能和低廉的價格得到廣泛應用。同時因其靈活、方便的特性，易于集成到嵌入式系統中。但是如果使用現有的符合Video for Linux標準的驅動程序配合通用應用程序，難以充分利用USB帶寬，幀速不高，不易滿足實時監控等要求。本文首先介紹在Linux系統下USB攝像頭驅動編制的一般方法，然后說明在此基礎上如何提高幀速。
　　USB設備驅動程序完全符合通用設備驅動的準則，不同的是內核提供了一些特別的API函數，方便驅動注冊、銷毀自己，例如usb_reSister（）和usb_dereSister（）；2．4版的內核還提供了對于hotplug的支持。
　　1．1 USB攝像頭驅動的一般編寫方法
　　攝像頭屬于視頻類設備。在目前的Linux核心中，視頻部分的標準是Video for Linux（簡稱V4L）。這個標準其實定義了一套接口，內核、驅動、應用程序以這個接口為標準進行交流。目前的V4L涵蓋了視、音頻流捕捉及處理等內容，USB攝像頭也屬于它支持的范疇。
　　因此，USB攝像頭的驅動應當與內核提供的視頻驅動掛鉤。即首先在驅動中聲明一個video_device結構，并為其指定文件操作函數指針數組．fops，向系統注冊。在應用程序發出文件操作的相關命令時，核心根據這些指針調用相應函數，并將該結構作為參數傳遞給它們。這樣，就完成了驅動和核心之間的通信。例如：
　　static struct video_device vdev_template＝{……}；
　　/／聲明video_device，指出掛接驅動
　　static struct file_operations ov511_fops＝{……}；
　　／／聲明本驅動的文件操作函數指針
　　struct video_device*vdev＝video_devdata（file）；
　　／／從文件指針中提取出video_device結構
　　在video_device結構中，有一個私有指針priv，可以將它指向一塊保留內存。在這塊內存中，保存著本驅動、本設備的相關初始化信息。這塊內存的申請、初始化、指針指向等工作都是在USB驅動的枚舉函數.probe中完成。這樣，在枚舉函數將控制權返還給系統后，因為內核不銷毀保留內存，所以驅動仍然保留著自己的信息。這點與Windows系統中WDM驅動有異曲同工之處。當然，在驅動卸載函數中，應當將申請的各塊內存全部釋放。
　　1．2 使用雙URB輪流通信
　　眾所周知，USBl．1總線標準定義了控制、中斷、批量、等時等四種管道。對于時間性極強但是準確度要求不高的視頻捕捉應用來說，攝像頭應當使用等時傳輸方式。為了盡可能快地得到圖像數據，應當在URB中指定USB_ISO_ASAP標志。
　　urb-》transfer_flags＝USB_ISO_ASAP；／／盡可能快地發出本URB
　　Linux系統中任何USB傳輸都通過URB實現。為提高速度，可以考慮擴大URB的緩沖，這樣可以降低每個USB事務中握手信息所占比例，提高有效數據的傳輸速度。但是受限于總線帶寬和具體的USB設備芯片，單純擴大URB的緩沖不能無限制地解決問題。具體分析一下USB傳輸在操作系統中的實現：每次傳輸都要包括URB的建立、發出、回收、數據整理等階段，這些時間不產生有效數據。因此可以建立兩個URB，在等待一個URB被回收時，也就是圖像正在被傳感器采集時，處理、初始化另一個URB，并在回收后立刻將其發出。兩個URB交替使用，大大減少了額外時間。工作流程如圖1所示。
　　
　　這個過程是在URB的完成例程中實現的，有兩點需要注意：首先處理再次初始化的代碼時間不能長，否則會造成完成例程的重人，如果確實來不及，可以在完成例程中設定標志，例如“數據采集好”旗語，由應用程序使用阻塞ioctl（）來查詢該旗語并做處理；其次由于CPU可能會在完成例程中停留較長時間，系統負擔較大，可以在．open函數中初始化兩個URB并將其發出，有限度地減輕系統負擔。
　　1．3 使用雙幀緩沖提高效率
　　Linux系統中，文件操作通常是由read、write等系統調用來完成。這些系統調用在驅動中的解決方法就是用copy_to_user（）、copy_from_user（）等函數在核態、戶態內存空間中互相拷貝。但是對于大批量的圖像數據，采用拷貝的方法顯然會增加時間開銷，因此用內存映射的方法解決。首先使用vmalloc（）申請足夠大的核態內存，將其作為圖像數據緩沖空間，兩個URB帶回的圖像數據在這里暫存；然后使用remap_page_range（）函數將其逐頁映射到用戶空間中。戶態的圖像處理程序使用mmap（）函數，直接讀寫核態圖像緩沖內存，大大減少額外開銷。
　　圖像數據的處理可能要花費比較長的時間，不同的算法對于數據保留時間的要求也不一樣。因此可以申請兩幀圖像緩沖，在處理一幀圖像的同時，將兩個URB帶回的數據全部填充到另一幀緩沖中，這樣可以免去時間沖突上的麻煩。
　　值得注意的是：這種方法要求時刻持有當前幀的序號、每一幀的起始地址等信息，不能將兩幀圖像混淆。這些信息可以保存在保留內存中，當前幀的數據整理、序號改變在URB完成例程中實現。
　　二、 V4L標準的改進
　　V4L標準目前已經發展到第二版V4L2，其基本思路與V4L相同。
　　2．1 標準分析
　　根據V4L標準，戶態程序在需要一幀圖像時，CPU的走向如圖2。CPU按照123456的順序完成一個循環。在這里，有一個細節被忽略：在完成例程中，也就是圖2中步驟6，該URB被立刻發出，但是由于這時用戶程序正在阻塞等待，沒辦法再次提出獲得圖像的申請，因此在判斷有無新請求時，判斷的結果必然是當前無請求，導致下一個URB帶回的數據被驅動丟棄；由于核態、戶態的切換需要一定的時間，加上戶態多進程同步等開銷，等到應用程序能夠再次發出獲得一副圖像的申請時，已經有不止一個URB帶回的數據被丟棄掉，這些URB包含的數據正好是新一幀圖像的開始部分。因此驅動必須等到再下一幀圖像才能保存數據、緩沖。這樣憑白損失了一幀圖像，幀速最少下降一半。