基于ARM的無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：設(shè)計一套低幀速無線視頻傳輸系統(tǒng)，將個人計算機(jī)屏幕上的圖像通過無線的方式傳輸?shù)酵队皟x上。系統(tǒng)中視頻發(fā)送端采用普通個人計算機(jī)，視頻接收端是基于ARM11的嵌入式系統(tǒng)。所傳輸圖像使用JPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，傳輸數(shù)據(jù)鏈路為Wi-Fi。該系統(tǒng)主要用于教學(xué)、會議等場合。本系統(tǒng)可以減少演示場合的線纜，并省去頻繁插拔的麻煩。
關(guān)鍵詞：無線視頻傳輸；ARM；嵌入式系統(tǒng)；Linux

    個人計算機(jī)設(shè)備及其外設(shè)的無線化一直是行業(yè)趨勢，隨著科技進(jìn)步，無線鼠標(biāo)、無線鍵盤、無線路由等無線設(shè)備紛紛問世。但是目前幾乎所有在使用的投影儀都使用線纜和計算機(jī)連接，在商務(wù)、科研的會議或展示場合，這往往會帶來不便。
    視頻傳輸數(shù)據(jù)量大、實時要求高，而完成無線視頻傳輸，無線鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量必須大于視頻數(shù)據(jù)流量。近年來Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)，傳輸速度越來越高；另一方面，嵌入式處理器的處理能力越來越強(qiáng)，并且芯片廠商會在某些嵌入式處理器中集成DSP核心，使得嵌入式系統(tǒng)的視頻解碼能力有了一個大幅提高，完全能夠完成高解析度的視頻解碼，這使得傳送經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)成為可能，從而間接地降低了視頻數(shù)據(jù)流所占帶寬的大小。這一切，使得無線視頻傳輸成為可能。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
1．1 系統(tǒng)整體框架
    該系統(tǒng)由視頻發(fā)送端和視頻接收端組成，它們之間以Wi-Fi作為通信鏈路。如圖1所示，視頻發(fā)送端是需要進(jìn)行幻燈片播放的普通計算機(jī)，視頻接收端是采用ARM11處理器的嵌入式系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)接收、解碼視頻信號，并通過VGA接口將視頻信號傳送至大屏幕顯示設(shè)備上(如投影儀，大屏幕平板電視等)。

1．2 視頻接收端硬件構(gòu)成
    圖像接收端采用以三星公司S3C6410芯片為主控的嵌入式系統(tǒng)。S3C6410芯片采用65 nm制程，最高主頻可達(dá)667MHz。其內(nèi)部采用了ARM11核心作為主控部分，并集成了存儲器控制器、USB控制器、LCD控制器等多種外部設(shè)備控制、接口；與此同時，S3C6410還集成了多媒體加速內(nèi)核(Multimedia Acceleration)。S3C6410芯片如圖2所示。

    該芯片中集成的多媒體處理核心包括了JPEG編譯碼器，可以實現(xiàn)對JPEG格式圖片的硬件解碼，從而大大提高了系統(tǒng)對JPEG圖片的處理能力。它最大支持編解碼65 535x65 535分辨率的JPEG圖片。接收系統(tǒng)框圖如圖3所示。
    視頻接收端配備了Marvell 8636為主控的Wi-Fi模塊，其支持802．11b／g標(biāo)準(zhǔn)，通過SDIO接口與系統(tǒng)相連。
    視頻數(shù)據(jù)經(jīng)解壓后輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊上，最終轉(zhuǎn)換為VGA信號送至投影儀。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)軟件框絮
    視頻發(fā)送端軟件的主要功能：采集當(dāng)前屏幕顯示圖像，壓縮圖像，傳送經(jīng)壓縮的圖像。除此以外發(fā)送端軟件還需要完成與接收端連接的建立、斷開功能。與之對應(yīng)的，接收端軟件的主要功能是：接收經(jīng)過壓縮的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像解碼，顯示圖像。發(fā)送端和接收端之間通過Wi-Fi鏈路傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件構(gòu)架框圖如圖4所示。

    在會議場合，典型的演示方式是播放幻燈片，在這種應(yīng)用場合下，圖像在大部分時間下都是準(zhǔn)靜態(tài)的，所以在這種情況下視頻的刷新速度可以保持在一個較低的數(shù)值上，這里我們設(shè)定為8幀每秒。此時，若計算機(jī)的屏幕分辨率是1 280×800，色深是24 bit，則視頻流的速率是197Mb／s。
    而目前普遍采用的802．11 g Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)稱速度只有54 Mbps，并不能滿足以上所需的數(shù)據(jù)帶寬。所以需要對數(shù)據(jù)經(jīng)行壓縮。在1 280x800的分辨率下，壓縮率需要在5：1以上，可以考慮選用JPEG標(biāo)準(zhǔn)。JPEG壓縮品質(zhì)比較如圖5所示。

    JPEG是很靈活的編碼標(biāo)準(zhǔn)，其Q值可以在100以內(nèi)任意取值。但如果圖片質(zhì)量過高，不但增加了圖像編碼時CPU的負(fù)擔(dān)，而且增加了數(shù)據(jù)傳輸量；而圖片質(zhì)量過低又會影響演示質(zhì)量。需要在圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)流量之間找到一個平衡點(diǎn)。
    圖5是圖片在不同的JPEG編碼質(zhì)量下的效果比較，當(dāng)Q取50時，進(jìn)過壓縮的圖片在肉眼觀察下任然擁有較高的畫質(zhì)。而此時，壓縮率是15：1，大于前面分析中提出的5：1壓縮率要求，在這種情況下數(shù)據(jù)速率為13 Mb／s，能夠在802．11 g提供的帶寬下進(jìn)行傳輸?？梢?，Q=50時，圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)流量之間可以取得一個較好的平衡。
2．2 視頻發(fā)送端軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)的發(fā)送端軟件基于windows設(shè)計。其實現(xiàn)的主要功能可以概括為：采集當(dāng)前屏幕顯示圖像，壓縮圖像，傳送經(jīng)壓縮的圖像。發(fā)送端軟件流程圖如圖6所示。

    在windows環(huán)境下捕捉當(dāng)前屏幕的方法有：GDI，DirectX，以及Windows media API。其中采用GDI時效率不高，不適合應(yīng)用在該系統(tǒng)中，這里選用DirectX。
    在DirectX中提供了g_pd3dDevice對象，這是一個IDixeet3DDevice9對象，可以調(diào)用IDirect3DSudace9：：LockRect()方法來獲得一個指針，這個指針指向當(dāng)前顯示緩存的首地址，再使用合適的算法計算出當(dāng)前顯示緩存區(qū)的大小，就可以很方便地復(fù)制顯示緩存的內(nèi)容至指定內(nèi)存區(qū)域，并采用JEPG標(biāo)準(zhǔn)壓縮所采集到的數(shù)據(jù)。具體原理和過程如下：每一個DirectX程序都包含了后臺緩存，與此同時，每個程序在默認(rèn)狀態(tài)下都可以訪問前臺緩存，前臺緩存即存儲了當(dāng)前的Windows桌面內(nèi)容。訪問這個前臺緩存就可以捕捉當(dāng)前桌面所顯示的畫面。以下是捕捉屏幕的關(guān)鍵代碼。
    在以下的代碼片中，g_pd3dDevice是一個IDirect3D Device9對象，這里假設(shè)它已經(jīng)被初始化過了。這段代碼捕獲了所需的桌面圖像，其后需要對所捕捉到的位圖進(jìn)行處理。此時可以調(diào)用IDirect3DSurface9：：LockRect()方法，來獲得一個指向所所捕獲到的位圖首字節(jié)的指針，然后根據(jù)屏幕的尺寸來確定位圖的大小，最終將所需的位圖數(shù)據(jù)復(fù)制到事先定義好的緩存中。

    需要注意的是，以上代碼中所捕捉到的位圖，它的寬度不一定就是屏幕的實際寬度，這是由于在存儲位圖時采用了內(nèi)存對齊的方法，在位圖中內(nèi)存被按字(word)對齊，所以在每行的結(jié)尾處可能需要添加額外的字節(jié)來完成內(nèi)存對其，從而使位圖寬度大于實際屏幕寬度。此時可以使用lockedRect．Pitch來獲得每行的實際寬度。
    捕捉圖像和壓縮圖像時采用雙緩沖模式：在0時隙內(nèi)，捕捉線程將數(shù)據(jù)寫入Buffer A中，壓縮線程Buffer B中的圖像，Buffer B中存儲了在上個時隙中采集完畢的圖像數(shù)據(jù)；在1時隙，捕捉線程將數(shù)據(jù)寫入Buffer B，壓縮線程處理Buffer A中的圖像。
    圖像捕捉線程和圖像壓縮線程構(gòu)成了—個典型的“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”系統(tǒng)，在采用雙緩沖的基礎(chǔ)上再增加信號機(jī)制，可以很好地解決系統(tǒng)中同步與互斥問題。雙緩沖示意圖如圖7所示。

    發(fā)送部分調(diào)用windows中所提供的相關(guān)Winsock(套接字)函數(shù)來完成網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，這里選用UDP協(xié)議，并采用丟包、錯包不重傳機(jī)制。(接收端的圖像每1／8秒刷新一次，丟棄部分圖像數(shù)據(jù)并不會明顯降低用戶的使用體驗。)
    考慮到在該系統(tǒng)所應(yīng)用的實際場合中，往往會遇到演示畫面在較長一段時間內(nèi)(數(shù)秒至數(shù)分鐘)并不發(fā)生任何變換的情況，可以在圖像發(fā)送端軟件中加入前一幀數(shù)據(jù)與當(dāng)前幀比較的功能，若數(shù)據(jù)未發(fā)生改變，則不壓縮也不傳送圖像數(shù)據(jù)，而只是傳送給接收端一個特殊的保持信號，這樣可以大大降低處理器負(fù)荷以及無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)荷，使得無線網(wǎng)絡(luò)還有余力完成其他用戶的其他任務(wù)。
2．3 視頻接收端軟件設(shè)計
    圖像接收端采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Linux具有內(nèi)核可剪裁、開放源代碼、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，并且支持完整的TCP／IP協(xié)議棧。
    接收端軟件主要功能為：接收經(jīng)壓縮的圖像數(shù)據(jù)，控制處理器中多媒體處理核心解碼JPEG圖像，顯示圖像。這里也可以采用相似的雙緩沖方法，在接收和解壓線程之間設(shè)立雙緩沖，各自擁有一個輪回跳動的指針來交替對兩片緩沖區(qū)經(jīng)行操作。
    圖像解壓模塊負(fù)責(zé)將接收到的JPEG圖像還原為位圖。它將利用S3C6410芯片內(nèi)部的硬件解碼來加速系統(tǒng)的執(zhí)行效率。解壓后的數(shù)據(jù)將被直接寫入顯示緩存中。
    6410的JPEG解碼過程如下：初始化用CresteFile打開“JPG1：”解碼驅(qū)動，每次解碼首先要獲取Stream Buffer(IOCTL_JPG_STRBUF)，將JPEG數(shù)據(jù)拷貝到Stream Buffer，接著調(diào)用解碼(IOCTL_JPG_DECODE)，最后通過獲取Frame Buffer(IOCTL_JPG_GET_FRMBUF)得到解碼后數(shù)據(jù)。
    在系統(tǒng)運(yùn)行過程中若出現(xiàn)數(shù)據(jù)量超出處理能力的情況，則采用直接丟棄的處理方法。接收端軟件流程圖如圖8所示。

3 結(jié)束語
    本系統(tǒng)基于三星公司的S3C6410處理器以及Wi-Fi技術(shù)，能夠完成8幀／秒的無線視頻傳輸，并提供了較好的圖像質(zhì)量(JPEG品質(zhì)因數(shù)50)。圖像接收端能夠完成對JPEG圖片的實時解碼。適合應(yīng)用在低幀速視頻傳輸場合，如幻燈片播放，計算機(jī)操作演示、教學(xué)等。該系統(tǒng)中的視頻接收端的硬件成本可以控制在600元以內(nèi)。其在圖像幀速、圖像質(zhì)量、對發(fā)送端處理能力要求、接收端系統(tǒng)成本等因素之間，找到了一個較好的平衡點(diǎn)。