HDMI視頻流無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)浪潮的推動(dòng)下，物與物相連的需求快速增長(zhǎng)，而多媒體信息特別是視頻信息因其數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)， 一直是通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在應(yīng)用方面，智能家居、智能會(huì)議室、智能教學(xué)等系統(tǒng)得到了不斷推廣，而音視頻的局域網(wǎng)內(nèi)傳輸技術(shù)始終扮演著智能系統(tǒng)的重要角色。雖然傳統(tǒng)的有線傳輸方式能提供高質(zhì)量的音視頻傳輸效果，但在實(shí)際應(yīng)用中人們常常囿于布線困難，因而提出無線傳輸的需求。目前，市場(chǎng)上的音頻無線傳輸方案已經(jīng)相對(duì)成熟，其媒介選擇有 U 段無線、WiFi、藍(lán)牙等。相比而言，無線視頻的發(fā)展相對(duì)緩慢， 因?yàn)槠溟_發(fā)難度和開發(fā)成本都相對(duì)較大。盡管如此，無線視頻的需求依然是市場(chǎng)的熱點(diǎn)。比如安防專用的攝像頭無線監(jiān)控系統(tǒng)，拍攝專用的無人機(jī)拍攝無線傳輸系統(tǒng)，教學(xué)或會(huì)議專用的無線視頻投影應(yīng)用等。

無線視頻傳輸應(yīng)用中的視頻源和接收端在不同場(chǎng)景中各有不同。例如教學(xué)或會(huì)議中的無線投影，其視頻源可來自個(gè)人電腦的HDMI 輸出或VGA 輸出，接收端則一般是投影儀的HDMI 端口或VGA 端口。由于HDMI 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高清視頻的支持較好，因此在高質(zhì)量視頻傳輸中，研究 HDMI 視頻流的無線傳輸方案具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于視頻數(shù)據(jù)，未經(jīng)壓縮的原始視頻數(shù)據(jù)量是無線傳輸難以承受的，尤其對(duì)于高清晰度視頻，大數(shù)據(jù)量的無線傳輸將導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸方案的成本大大增加[1]。因此對(duì)HDMI視頻流的無線傳輸必須引入合適的編碼方案，平衡編碼效果和無線通信容量之間的矛盾，達(dá)到低延時(shí)的播放效果 [2]。為解決上述問題，本文采用S5PV210 處理器，以 ADV7611 接收HDMI 視頻流，然后通過硬件編碼器進(jìn)行視頻編碼，再由處理器打包無線發(fā)送 ；接收端接收到視頻數(shù)據(jù)后解碼視頻，并由HDMI 接口輸出。

1 系統(tǒng)整體硬件方案設(shè)計(jì)

圖 1所示為高清視頻無線傳輸?shù)南到y(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端兩部分，這兩部分是獨(dú)立的系統(tǒng)， 可以使用一個(gè)發(fā)送端和一個(gè)接收端進(jìn)行一對(duì)一工作，也可以使用一個(gè)發(fā)送端和多個(gè)接收端同時(shí)工作，或者多個(gè)發(fā)送端和一個(gè)接收端分時(shí)連接工作，這些都可以在軟件應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。底層的編解碼和無線通信架構(gòu)相同，為了描述方便，在此以一個(gè)發(fā)送端對(duì)一個(gè)接收端作為描述實(shí)例。

由圖 1 可知，發(fā)送端包括視頻接收前端模塊和編碼發(fā)送模塊。視頻接收前端主要由ADV7611 實(shí)現(xiàn)HDMI 視頻流的輸入，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為YCbCr 信號(hào)，通過板上總線傳輸?shù)骄幋a發(fā)送模塊。編碼發(fā)送模塊主要是S5PV210 處理器，通過處理器內(nèi)部的多格式編解碼器（Multi Format Codec，MFC）對(duì)視頻進(jìn)行壓縮。壓縮后的視頻由RTP 協(xié)議發(fā)送，通過物理層WiFi 實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇邮斩薣3]。解碼端將視頻流解碼，獲取LCD 設(shè)備的緩存區(qū)視頻流數(shù)據(jù)，將HDMI 流以 HDMI 流媒體的形式輸出。

在應(yīng)用方面，上述系統(tǒng)的發(fā)送端通過HDMI 接口接收電腦或視頻播放器等視頻源的輸出，而接收端也通過HDMI 接口連接投影儀或顯示器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn) HDMI 視頻流的無線傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置包含 Linux 系統(tǒng)內(nèi)核配置與對(duì)ADV7611 的配置。根據(jù)系統(tǒng)需求，ADV7611 與S5PV210 之間以 ITU601 的格式傳輸視頻數(shù)據(jù)，因此在Linux 內(nèi)核中需要修改視頻輸入驅(qū)動(dòng)為ITU601 格式，并設(shè)置好 YCbCr 數(shù)據(jù)的順序格式，例如 CbYCrY 等。這兩個(gè)參數(shù)在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)體 s2c_platform_ camera 定義。對(duì)ADV7611 的寄存器配置則是在應(yīng)用程序中通過I2C 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，具體參數(shù)可根據(jù)需求按芯片文檔說明設(shè)定。

2.2 視頻編碼

為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量高清視頻的無線傳輸，平衡視頻效果和無線通信容量之間的矛盾，系統(tǒng)對(duì) HDMI 接收器得到的視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，通過減少和去除冗余視頻數(shù)據(jù)的方式， 達(dá)到可靠發(fā)送的目的[4]。為了達(dá)到低延時(shí)的播放效果，可以充分利用S5PV210 中集成的MFC 硬件編碼模塊，以減輕處理器的計(jì)算量。MFC 是ARM 微處理器內(nèi)部一種支持多種硬件編碼方式的硬件電路，視頻編碼支持 MPEG-4、H.263 以及H.264，分辨率可達(dá)到 1 080P@30fps。本文選用H.264 的編碼方式。

圖 2 所示為MFC 硬件編碼流程圖。MFC 硬件編碼在程序?qū)崿F(xiàn)中定義了三個(gè)函數(shù)，分別為初始化函數(shù)，執(zhí)行函數(shù)和句柄釋放函數(shù)，利用這三個(gè)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)整套編碼操作。初始化函數(shù)的作用是對(duì)整個(gè)MFC 的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)， 進(jìn)行內(nèi)存到應(yīng)用的內(nèi)存映射，初始化關(guān)于 MFC 設(shè)備的結(jié)構(gòu)體， 并提供相應(yīng)的參數(shù)，把 _MFCLIB_H264_ENC 參數(shù)傳入MFC 跟深層次的結(jié)構(gòu)體當(dāng)中，通過 ioctl 函數(shù)把參數(shù)傳入內(nèi)核。

初始化 MFC 之后讀取視頻流，得到輸入圖像的地址緩沖指針，等待緩沖區(qū)成像數(shù)據(jù)。成像后讀取一幀視頻數(shù)據(jù)，并將這一幀數(shù)據(jù)放入MFC 編碼，第一次的編碼需要傳入配置參數(shù)。編碼完成后得到H.264 編碼格式的網(wǎng)絡(luò)提取層（Network Abstraction Layer，NAL）數(shù)據(jù)。因?yàn)橄到y(tǒng)采用RTP 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于一幀圖像的NAL 數(shù)據(jù)需要根據(jù) RTP 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的幀長(zhǎng)度進(jìn)行分片，分片后的視頻數(shù)據(jù)添加載荷頭FU-A 打包，添加RTP 包頭并向客戶端發(fā)送一幀視頻數(shù)據(jù)。之后系統(tǒng)重新讀取一幀視頻數(shù)據(jù)再進(jìn)行MFC 編碼。

為了方便描述沒有顯示編碼過程的退出機(jī)制，實(shí)際程序中根據(jù)具體需求以合適的方式退出編碼，釋放句柄，解除映射。

2.3 無線傳輸

編碼后的視頻以 RTP 協(xié)議在局域網(wǎng)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的視頻傳輸，發(fā)送端利用WiFi 網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)軟接入點(diǎn)的功能。因此多個(gè)接收端可以同時(shí)連接到發(fā)送端的接入點(diǎn)，從而訪問RTP 服務(wù)獲得視頻數(shù)據(jù)。對(duì)于多個(gè)發(fā)送端對(duì)一個(gè)接收端的情況，可以設(shè)定接收端為WiFi 接入點(diǎn)，發(fā)送端連接到接收端再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是在應(yīng)用中各發(fā)送端只能以時(shí)分復(fù)用的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。

2.4 視頻解碼

解碼器對(duì)發(fā)送來的H.264 等壓縮格式的視頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，通過采用相應(yīng)的解壓縮算法還原視頻的高清晰度， 轉(zhuǎn)化為可播放的非壓縮視頻流格式。FFMPEG 是一個(gè)集音視頻編解碼在內(nèi)的多種功能為一體的開源解決方案，支持H.264 在內(nèi)的 40 多種編碼和 70 多種解碼[5]。解碼端利用FFMPEG 庫(kù)解碼，主要涉及l(fā)ibavcodec 庫(kù)、libswscale 庫(kù)和libavformat 庫(kù)[6]。視頻數(shù)據(jù)流解碼流程 ：由 ByteIOContext 表示的廣義輸入文件，在 AVStream 提供的特定文件容器流信息的指引下， 用AVInputFormat 接口的 read_packet() 函數(shù)讀取完整的一幀數(shù)據(jù)，分別放到音頻或視頻 PacketQueue 隊(duì)列中，這部分功能由獨(dú)立的解碼線程完成。對(duì)于視頻數(shù)據(jù)，視頻處理線程不停從視頻 PacketQueue 隊(duì)列中取出視頻幀，調(diào)用AVCodec 接口的decode() 函數(shù)解碼視頻幀，在適當(dāng)延時(shí)后做顏色空間轉(zhuǎn)化并調(diào)用顯示輸出函數(shù)庫(kù)顯示出來。

3 功能測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和效果，本節(jié)搭建一發(fā)一收的演示系統(tǒng)，其實(shí)物圖如圖 3 所示。

發(fā)送端由ADV7611 的視頻前端測(cè)試板接收筆記本電腦輸出的HDMI 視頻流，然后通過ITU-R.BT601 標(biāo)準(zhǔn)接口將轉(zhuǎn)碼得到的YCbCr 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊5PV210 開發(fā)板進(jìn)行硬件編碼。發(fā)送端 S5PV210 開發(fā)板配置了 WiFi 的軟接入點(diǎn)，并與接收端建立無線連接，同時(shí)開啟視頻 RTP 傳輸服務(wù)，支持編碼后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)。

接收端硬件只需提供WiFi網(wǎng)卡和HDMI 視頻輸出接口。接收端處理器通過網(wǎng)卡連接到發(fā)送端接入點(diǎn)，然后由RTP 客戶端軟件獲取發(fā)送端的視頻數(shù)據(jù)，將視頻數(shù)據(jù)解碼后由HDMI接口輸出。

由圖 3 可知，筆記本電腦直接復(fù)制屏幕并輸出到HDMI 接口；HDMI 接口的視頻流輸入發(fā)送端 S5PV210 開發(fā)板； S5PV210 開發(fā)板將視頻壓縮編碼后通過無線連接發(fā)送給接收端；接收端將視頻解碼輸出到 HDMI 接口，并最終輸出到顯示器顯示。

圖 3 無線視頻傳輸系統(tǒng)

4結(jié) 語

本文針對(duì)HDMI 視頻流給出了一種無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案將傳輸系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端兩個(gè)獨(dú)立模塊，可以靈活配置為一發(fā)一收、一發(fā)多收、多發(fā)一收等應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)采用硬件編碼的方式實(shí)現(xiàn)了在無線傳輸條件下的視頻清晰度和視頻傳輸延時(shí)的優(yōu)化。針對(duì)該方案，可以從進(jìn)一步提高視頻清晰度著手，因?yàn)镾5PV210 的硬件編碼模塊在1 080P 的輸入分辨率時(shí)最高支持的幀率為 30 fps，而很多高清視頻源可達(dá) 50/60 fps。因此可以在幀率提高方面進(jìn)行研究， 或?qū)Ω叻直媛嗜?2 160 P 的視頻處理進(jìn)行研究。