基于XScaIe處理器的視頻通信系統(tǒng)

引 言
隨著后PC時代的到來及Internet網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于被局限在PC平臺上的視頻通信，可以隨時隨地通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻通信的移動設(shè)備有著很大的社會需求。眾所周知，視頻是一種流特性業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)量很大；另外實時視頻通信要求對視頻圖像進(jìn)行高效率、高比例的壓縮，計算復(fù)雜度非常高。如果直接采用現(xiàn)有的Pc上的算法，嵌入式設(shè)備有限的電池能源和運(yùn)算能力難以滿足進(jìn)行實時視頻通信的需求，因此需要依據(jù)嵌入式設(shè)備的特點對算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而降低運(yùn)算的復(fù)雜度。基于xscale處理器的視頻通信原型系統(tǒng)，初步滿足了移動視頻通信的要求，本文將具體介紹該系統(tǒng)的實現(xiàn)、優(yōu)化方法和實驗結(jié)果。

1 系統(tǒng)配置
硬件方面，本系統(tǒng)采用Intel公司的sitsang Board(基于XScale PXA255處理器)作為硬件平臺，使用以O(shè)V51l為接口芯片的USB Camera作為圖像采集設(shè)備，Symbol公司的Spectrum24 WiFi CF Card作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。系統(tǒng)的砸件結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

軟件方面，操作系統(tǒng)采用Linux-2.4.19-rmk7版本的嵌入式Linux內(nèi)核，圖形界面環(huán)境采用MiniGUI1.3.3.網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用802.11b。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 功能模塊設(shè)計
本系統(tǒng)終端需要具備以下功能：根據(jù)用戶需求，①只顯示本地圖像；②只顯示遠(yuǎn)程圖像；③同時顯示本地圖像和遠(yuǎn)程圖像。為實現(xiàn)功能選擇的任意性，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計，軟件模塊框圖如圖2所示。

①圖像采集模塊。調(diào)用Vide04Linux模塊的API函數(shù)進(jìn)行編寫，為系統(tǒng)采集YUV格式的本地實時圖像數(shù)據(jù)。
②圖像顯示模塊?；贛iniGUI 1.3.3圖形庫編寫．并采用MiniGUI中的YUVOverlav技術(shù)直接對YUV圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
③圖像編碼模塊。采用H.263編碼標(biāo)準(zhǔn)，對本地圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。
④圖像解碼模塊。采用H.263解碼標(biāo)準(zhǔn)，對遠(yuǎn)程圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。該模塊與圖像解碼模塊共同構(gòu)成本系統(tǒng)的核心。
⑤無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊。采用802．11b協(xié)議，引入了RTP協(xié)議的打包機(jī)制，實現(xiàn)了基于UDP傳輸機(jī)制的發(fā)送模塊和接收模塊。

2.2軟件設(shè)計流程
系統(tǒng)中本地顯示、遠(yuǎn)程顯示、發(fā)送和接收需要并發(fā)執(zhí)行，故系統(tǒng)采用多線程編程技術(shù)。本系統(tǒng)共創(chuàng)建采集、顯示、編碼、解碼、發(fā)送和接收6個線程，如圖3所示。其中，合理有效的線程間的通信與互斥機(jī)制是保證程序能夠順利高效執(zhí)行的關(guān)鍵。

3 系統(tǒng)性能優(yōu)化
嵌入式設(shè)備計算能力受限問題以及功耗問題的存在，使得在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)實時視頻通信更具挑戰(zhàn)性。這就需要依據(jù)嵌入式設(shè)備的特點，充分利用計算資源，設(shè)計更合理的軟件架構(gòu)，并采用計算復(fù)雜度更小的算法對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。下面具體介紹本系統(tǒng)中的優(yōu)化策略。

3.1 軟件框架級優(yōu)化
在多線程機(jī)制中，各個線程之間通過“時間片”機(jī)制分時復(fù)用CPU資源。如果不進(jìn)行優(yōu)化，則無法保證得到時間片的線程處于有效執(zhí)行狀態(tài)，而需要CPU資源的線程能很快得到時間片。

本系統(tǒng)中6個線程之間存在明顯的依賴性。若編碼線程不完成，則發(fā)送線程不會有數(shù)據(jù)源,若線程切換時間片為200 ms,則在發(fā)送線程的200 ms中，CPU一直處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此對整個系統(tǒng)而言，如果不加任何優(yōu)化處理．CPU只有30％左右的時間處于有效執(zhí)行狀態(tài)。本系統(tǒng)的優(yōu)化策略采用系統(tǒng)調(diào)用usleep()函數(shù)使處于無效狀態(tài)的線程盡快釋放CPU資源，實現(xiàn)方法如下：
while(1){
if(該線程標(biāo)志位被觸發(fā)){
……

usleeD(1000)
}

通過在代碼的適當(dāng)位置插入usleep()函數(shù)調(diào)用，CPU的利用率從30％左右提高到了96％以上，從而大大提高了計算資源的有效利用率，提高了整個系統(tǒng)的性能。

3.2算法級優(yōu)化
本系統(tǒng)的核心部分由編碼模塊和解碼模塊構(gòu)成。其中編碼模塊的復(fù)雜度要遠(yuǎn)大于解碼模塊的復(fù)雜度，成為整個系統(tǒng)的瓶頸。本文主要介紹編碼模塊的優(yōu)化策略。

本系統(tǒng)采用tmn-1.7作為編碼模塊的藍(lán)本。tmn-1.7遵循標(biāo)準(zhǔn)的H.263編解碼標(biāo)準(zhǔn)，所以并沒有考慮嵌入式設(shè)備的運(yùn)算特性。其中對本系統(tǒng)影響最明顯的是離散余弦變換算法(DCT)以及運(yùn)動補(bǔ)償算法(ME)。下面針對這兩個算法提出優(yōu)化方法。

3.2.1離散余弦變換算法
DCT算法把圖像由像素域轉(zhuǎn)換到頻率域后，圖像的大部分能量集中到直流系數(shù)分量以及低頻交流系數(shù)分量上，從而更有利于去除空間冗余信息。

DCT變換的原理是：通過線性變換x=Hx將N維向量x變換為變換系數(shù)向量x，其中變換核H為：

其中變換核中的元素H(k，n)是無理數(shù)。這對大多數(shù)沒有浮點協(xié)處理器的嵌入式設(shè)備實現(xiàn)實時視頻通信是很大的瓶頸，因此提出將浮點數(shù)DCT變換算法改寫成整數(shù)DCT變換算法的方案。

為實現(xiàn)這一方案，最關(guān)鍵的問題就是生成一個滿足變換核的正交性要求，并且只包含整數(shù)系數(shù)的變換矩陣。其基本思路是將無理數(shù)擴(kuò)大再取整，即：
Q(k,n)=round(aH(k，n)) (2)
下面依據(jù)本系統(tǒng)所采用的方法，介紹整數(shù)DCT算法。
首先，介紹本系統(tǒng)該算法中的數(shù)據(jù)表示：
int*dataptr――指向臨時存放DCT系數(shù)的內(nèi)存空間指針：
int*blkptr――指向存放原始塊數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間指針；
int*coeffptr――指向存放最終DCT系數(shù)的內(nèi)存空間指針。

然后，對相關(guān)系數(shù)以及常數(shù)進(jìn)行放縮。在對88的塊進(jìn)行DCT變換時，采用先進(jìn)行行變換，再進(jìn)行列變換的方法。下面以獲取一個DCT系數(shù)的過程為例說明。
#define CONST__BlTS 13
#deflne PASS BITS 2
#define F1x_0_541196100 ((int) 4433) /*O.541196100
CONST_BITS*/

到此行變換結(jié)束。結(jié)合公式(1)可以看出，經(jīng)過行變換后比原始的DcT變換放大22倍；同理，再經(jīng)過列變換后，系數(shù)又增大2、／2倍，即經(jīng)過行列變換后共放大到8倍。在算法最后，將按比例還原：
block[i]=(short int)(data[i]>>3)；

再通過zigzag掃描矩陣，將系數(shù)填充到coeff矩陣中：
*(coeff+zigzag[i][j])=*(bLock+i*8+j)；

在整數(shù)DCT算法中，通過比例放縮消除了浮點數(shù)運(yùn)算，并且大多數(shù)乘除運(yùn)算均采用移位方式處理，更符合CPU的運(yùn)算特點，從而大幅度提高了運(yùn)算效率和壓縮速度。

3.2.2 運(yùn)動補(bǔ)償算法
運(yùn)動補(bǔ)償算法用于去除相鄰圖像之間的時間冗余信息。該算法中，最佳匹配塊搜索算法運(yùn)算量占絕大部分。tmn-1.7編碼器采用螺旋式全搜索算法，雖然準(zhǔn)確度較高，但速度很慢。為了適應(yīng)實時視頻通信以及嵌入式設(shè)備運(yùn)算能力較低的要求，本系統(tǒng)采用二維對數(shù)下降法。

二維對數(shù)下降法的原理是，通過快速搜索跟蹤最小MAD點，如圖4所示。以運(yùn)動矢量(O，O)點為起始點，以十字形分布的5個點構(gòu)成每次搜索的點群。如果最小MAD點出現(xiàn)在十字點群的邊緣，則下次搜索以該點為中心，步長不變；如果最小MAD點出現(xiàn)在十字點群的中心，則下次搜索仍以該點為中心，但步長減半；如果新的十字形搜索中心出現(xiàn)在搜索窗邊緣，則步長減半。如此循環(huán)，直到步長為1，則最小MAD點即為最佳匹配點。

本系統(tǒng)中對二維對數(shù)下降法的實現(xiàn)如下：
whlie(步長step>=1){
for(當(dāng)前搜索十字點群中的每個點){
sad=SAD_Macroblock(當(dāng)前搜索塊的指針)；/*獲得SAD值*/if(sadMin_FRAME){/*如果小于當(dāng)前最小SAD值，記錄當(dāng)前信
息*/
}
}
if(最小MAD點是當(dāng)前搜索中心){
step=stet)/2;//更新搜索步徑
}
}

該算法大幅度減少了運(yùn)動搜索的搜索次數(shù)，從而大大降低了運(yùn)算量，提高了幀問編碼的速率。

4 系統(tǒng)性能分析
下面對實時采集的QCIF圖像序列進(jìn)行測試和分析。測試環(huán)境為Intel Sitsang硬件平臺。此硬件平臺采用PXA255處理器，主頻400 MHz；64 MB SDRAM;操作系統(tǒng)采用Embeded Linux一2.4.19-rmk7。

實時視頻通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)為幀率、圖像壓縮比和信噪比。影響這三個因素的主要模塊為采集、編碼、解碼以及接收和發(fā)送模塊。以下針對各模塊進(jìn)行性能分析。

4.1模塊性能分析
(1)采集模塊
Sitsang板上的USB接口為USBl.1類型。由表1可知，采集數(shù)據(jù)的速率基本達(dá)到了USBI.1協(xié)議的12 Mbps傳輸能力的上限，因此，采集圖像的速度完全取決于圖像格式及圖像大小。為了保證圖像實時性，采用YUV420176144方案。

(2)編碼模塊
編碼模塊經(jīng)過改寫和優(yōu)化，編碼速度得到很大提高，基本可以滿足實時視頻傳輸?shù)乃俣纫螅唧w數(shù)據(jù)如表2所列。在當(dāng)前壓縮速率的情況下，還能夠獲得理想的壓縮比和信噪比，從而保證實時視頻通信的質(zhì)量，如表3所列。

(3)解碼模塊
經(jīng)過對原有程序的裁減和改寫，解碼速度可以達(dá)到84 fps。

(4)發(fā)送與接收模塊
本系統(tǒng)采用WiFi CF Card作為網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，采用802.11b協(xié)議，引入了RTP協(xié)議的打包機(jī)制，實現(xiàn)了基于UDP傳輸機(jī)制的發(fā)送模塊和接收模塊。802.11b帶寬達(dá)11Mbps，在表3的壓縮比情況下，可傳輸幀率>1000fps，完全滿足實時視頻傳輸?shù)囊蟆?BR>
4.2系統(tǒng)性能分析
經(jīng)過模塊優(yōu)化和系統(tǒng)整合，原型系統(tǒng)在Sitsang板上同時顯示本地圖像和遠(yuǎn)程圖像可達(dá)8幀/s，基本達(dá)到了實時視頻要求。因為在系統(tǒng)框架設(shè)計中采用了采集線程一本地顯示線程一編碼線程發(fā)送線程互相抑制的機(jī)制，從而基本實現(xiàn)了本地端圖像和遠(yuǎn)程端圖像的同步。

結(jié)語
本文所設(shè)計的“基于嵌入式設(shè)備的視頻通信原型系統(tǒng)”雖然只是一個雛形，但卻完全實現(xiàn)了實時視頻通信的功能，并為在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)實時視頻通信提供了可行的框架和思路。該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，為在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)視頻會議以及可視電話系統(tǒng)提供了有價值的參考。