基于ARM11處理器和Linux操作系統(tǒng)的無線音視頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來，尤其是寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為音視頻這樣大數(shù)據(jù)量傳輸業(yè)務(wù)在無線網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用提供了契機(jī)。同時(shí)由于音視頻獨(dú)特的感官特性，使其相關(guān)的應(yīng)用需求也變得越來越迫切。無線多媒體是多媒體和移動通信這兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，成為當(dāng)今通信領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。鑒于Linux內(nèi)核的開源性，采用其作為操作系統(tǒng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)具有更好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)以ARM11為核心處理器、采用新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)H.264進(jìn)行編譯碼，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸音視頻。它充分利用S3C6410微處理器內(nèi)部集成的多媒體編解碼器（Multi-Formatvideo Codec，MFC），有效提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。整個(gè)系統(tǒng)為無線多媒體音視頻的傳輸提供了一個(gè)好的解決方案，可廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻電話等各種領(lǐng)域，具有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通信雙方系統(tǒng)中音頻和視頻采集模塊負(fù)責(zé)采集模擬信號，并將采集到的音視頻數(shù)據(jù)送到音視頻管理模塊，經(jīng)過壓縮處理，再加上數(shù)據(jù)包頭一起由WiFi發(fā)送到對方；對方接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過相關(guān)處理，判斷音視頻幀類型，再送往解壓縮處理模塊，恢復(fù)出音視頻數(shù)據(jù)。通信雙方設(shè)備均包含嵌入式音視頻管理模塊和無線收發(fā)模塊。無線WiFi 收發(fā)模塊運(yùn)行在2.4 GHz 頻段，符合IEEE 802.11b無線局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以ARM11 為核心微處理器，主頻為532 MHz，能夠滿足實(shí)時(shí)處理的要求，其內(nèi)部集成有256 MB SDRAM、2 GB FLASH、音頻錄、放音接口、Camera視頻接口、無線WiFi接口、LCD接口、SD卡接口等，同時(shí)以開源的Linux 2.6.28 為內(nèi)核，yaffs2 為根文件系統(tǒng)，Qtopia 4.4.3 作為用戶界面，為開發(fā)調(diào)試和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的平臺。

2.1 音視頻采集模塊

音頻采用處理器內(nèi)部集成的IIS（Inter-IC SoundBus）音頻接口和WM9714音頻芯片。IIS是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而定制的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。在飛利浦公司的IIS標(biāo)準(zhǔn)中，既規(guī)定了硬件接口系統(tǒng)，也規(guī)范了音頻數(shù)據(jù)的格式?；诖擞布敖涌谝?guī)范，實(shí)現(xiàn)了集成音頻輸出、Linein輸入和Mic輸入功能。

視頻采集使用的是OV9650CMOS攝像頭模塊，分辨率高達(dá)130萬像素，可直接與OK6410開發(fā)板的Camera接口相接。適用于高端消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、車載導(dǎo)航、多媒體終端、行業(yè)PDA、嵌入式教育培訓(xùn)、個(gè)人學(xué)習(xí)等。其結(jié)構(gòu)較簡單，提供硬件驅(qū)動程序，便于使用和調(diào)試。

2.2 無線傳輸模塊

本系統(tǒng)的無線傳輸模塊采用工作在2.4 GHz 公共頻段的WiFi模塊來實(shí)現(xiàn)，它遵循IEEE 802.11b/g網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，可用于在后期開發(fā)中將終端接入Internet，其最高數(shù)據(jù)率為54 Mb/s，支持WinCE、Linux 系統(tǒng)。室內(nèi)通信距離可達(dá)100 m，室外開闊地可達(dá)300 m。只需要對ARM-Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行簡單的配置就可以由以太網(wǎng)連接模式轉(zhuǎn)化為雙機(jī)通信AD-HOC模式，在系統(tǒng)啟動之后，設(shè)計(jì)了基于Qt的窗口設(shè)計(jì)，方便切換連接模式。

選用WiFi具有很好的可擴(kuò)展性，可以通過無線路由器的WiFi連接到廣域網(wǎng)，具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)大多數(shù)手機(jī)等終端設(shè)備具有WiFi功能，后期還可以將軟件升級至Andriod系統(tǒng)，方便開發(fā)和移植。它減少了音視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)拈_發(fā)成本和周期，也給現(xiàn)代移動通信提供了一種新的音視頻通信方式。

WiFi的驅(qū)動配置好后，應(yīng)用層和以太網(wǎng)接口模式編程完全相同。由于此設(shè)計(jì)音視頻數(shù)據(jù)量較大，不宜采用UDP，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)量過大或傳輸信號不好時(shí)，UDP會嚴(yán)重丟包，所以最終選擇面向連接的TCP傳輸協(xié)議，保證了系統(tǒng)音視頻有效傳輸。由于TCP是應(yīng)答時(shí)式傳輸數(shù)據(jù)，在局域網(wǎng)內(nèi)，無需考慮TCP丟包問題，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能提供了可靠的保障。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為用戶界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)饶K的設(shè)計(jì)。

3.1 基于多線程的軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖1 所示，它是音視頻單向采集、壓縮、傳輸、接收、解壓縮、處理回放音視頻流控制過程，各個(gè)模塊采用線程處理，由信號量處理線程間優(yōu)先級構(gòu)成循環(huán)的線程，有效地處理了音視頻數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)各功能模塊化，便于修改和移植，代碼簡短精悍。

3.2 回音消除

系統(tǒng)開始時(shí)出現(xiàn)回音和延時(shí)問題，延時(shí)是由于采集傳輸過程中造成的，所以只能盡量縮短延時(shí)，而無法做到即時(shí)播放，這也是此系統(tǒng)的缺陷之一?；匾羰怯捎谘訒r(shí)造成的，文中最后采用開源的Speex算法消除了回音。具體做法：將該算法編譯成庫文件，加入到Linux內(nèi)核，即可以使用Speex 的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)音頻的回音消除。

3.3 嵌入式音視頻的同步

本文的基本思想是以視頻流為主媒體流，音頻流為從媒體流，視頻的播放速率保持不變，根據(jù)本地系統(tǒng)時(shí)鐘確定實(shí)際時(shí)間，通過調(diào)整音頻播放速度來達(dá)到音視頻同步。

首先選擇一個(gè)本地系統(tǒng)時(shí)鐘參考（LSCR），然后將LSCR發(fā)送到視頻解碼器和音頻解碼器，由這兩個(gè)解碼器根據(jù)各幀的PTS值對照本地系統(tǒng)時(shí)鐘，參考產(chǎn)生各幀準(zhǔn)確的顯示或回放的時(shí)間。也就是說，生成輸出數(shù)據(jù)流時(shí)依據(jù)本地參考時(shí)鐘上的時(shí)間給每個(gè)數(shù)據(jù)塊都打上時(shí)間戳（一般包括開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間）。在播放時(shí)，讀取數(shù)據(jù)塊上的時(shí)間戳，同時(shí)根據(jù)本地系統(tǒng)時(shí)鐘參考上的時(shí)間來安排播放。

整個(gè)系統(tǒng)的音視頻同步數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

4 音視頻通道管理

為了節(jié)約內(nèi)存資源，便于通道的管理，本設(shè)計(jì)采用分通道的線程池管理，音、視頻分別由自己的通道完成任務(wù)。

音視頻采集使用同一個(gè)線程處理，采用select系統(tǒng)調(diào)用，每執(zhí)行到此線程，就判斷音視頻設(shè)備是否就緒，若就緒即采集音頻或視頻到音視頻緩沖區(qū)，再交給音視頻采集壓縮線程，最后再交給發(fā)送線程打包后采用TCP發(fā)送。需要說明的是本設(shè)計(jì)線程之間均采用信號量完成線程間基于TCP的音視頻軟件架構(gòu)的同步管理。發(fā)送完以后進(jìn)入接收線程等待對方發(fā)音視頻數(shù)據(jù)。在接受端由接收線程接收到數(shù)據(jù)以后，判斷數(shù)據(jù)的包頭，再交由解壓縮處理線程處理，然后播放音視頻，再等待對方發(fā)數(shù)據(jù)到本機(jī)。

由于處理器的高速處理和高效率視頻硬件H.264解壓縮，使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性基本達(dá)到要求。嵌入式音視頻管理模塊實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)籌控制和實(shí)時(shí)處理，為音視頻數(shù)據(jù)管理提供可靠的保證。

5 結(jié)語

目前基于嵌入式無線終端的視頻監(jiān)控產(chǎn)品由于無需布線、傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定及通信便利等優(yōu)勢而倍受青睞，在安全監(jiān)察、巡查通信、施工聯(lián)絡(luò)、人員調(diào)配等場合發(fā)揮著不可替代的作用。本系統(tǒng)是基于嵌入式Linux的無線音視頻通信手持式終端，其體積較小、攜帶方便，采用鋰電池經(jīng)過開關(guān)電源芯片降壓的方式給整個(gè)系統(tǒng)供電，其效率較傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓大大提高。在戶外可視化娛樂、施工現(xiàn)場監(jiān)控、大型安保聯(lián)絡(luò)等場合均可使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。