基于ARM Linux的無線音視頻對講系統(tǒng)設(shè)計
隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化時代的到來,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。同時由于音視頻獨特的感官特性,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)域的一個熱點。鑒于Linux內(nèi)核的開源性,采用其作為操作系統(tǒng),從而使整個系統(tǒng)具有更好的實時性和穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)以ARM11為核心處理器、采用新一代視頻編解碼標準H.264進行編譯碼,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)的性價比。整個系統(tǒng)為無線多媒體音視頻的傳輸提供了一個好的解決方案,可廣泛應(yīng)用在遠程監(jiān)控、視頻電話等各種領(lǐng)域,具有較好的實用價值和推廣應(yīng)用前景。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/263582.htm1系統(tǒng)總體方案設(shè)計
通信雙方系統(tǒng)中音頻和視頻采集模塊負責(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)模塊運行在2.4GHz頻段,符合IEEE 802.11b無線局域網(wǎng)協(xié)議標準。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件設(shè)計以ARM11為核心微處理器,主頻為532 MHz,能夠滿足實時處理的要求,其內(nèi)部集成有256 MB SDRAM、2GB 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準。在飛利浦公司的IIS標準中,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2.4GHz公共頻段的WiFi模塊來實現(xiàn),它遵循IEEE 802.11b/g網(wǎng)絡(luò)標準,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100 m,室外開闊地可達300 m.只需要對ARM-Linux操作系統(tǒng)進行簡單的配置就可以由以太網(wǎng)連接模式轉(zhuǎn)化為雙機通信AD-HOC模式,在系統(tǒng)啟動之后,設(shè)計了基于Qt的窗口設(shè)計,方便切換連接模式。
選用WiFi具有很好的可擴展性,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。同時大多數(shù)手機等終端設(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。它減少了音視頻實時傳輸?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)計音視頻數(shù)據(jù)量較大,不宜采用UDP,因為當(dāng)數(shù)據(jù)量過大或傳輸信號不好時,UDP會嚴重丟包,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,為實現(xiàn)系統(tǒng)功能提供了可靠的保障。
3軟件設(shè)計
軟件分為用戶界面設(shè)計和數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)饶K的設(shè)計。
3.1基于多線程的軟件總體設(shè)計
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。
圖1軟件架構(gòu)
3.2回音消除
系統(tǒng)開始時出現(xiàn)回音和延時問題,延時是由于采集傳輸過程中造成的,所以只能盡量縮短延時,而無法做到即時播放,這也是此系統(tǒng)的缺陷之一?;匾羰怯捎谘訒r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)時鐘確定實際時間,通過調(diào)整音頻播放速度來達到音視頻同步。
首先選擇一個本地系統(tǒng)時鐘參考(LSCR),然后將LSCR發(fā)送到視頻解碼器和音頻解碼器,由這兩個解碼器根據(jù)各幀的PTS值對照本地系統(tǒng)時鐘,參考產(chǎn)生各幀準確的顯示或回放的時間。也就是說,生成輸出數(shù)據(jù)流時依據(jù)本地參考時鐘上的時間給每個數(shù)據(jù)塊都打上時間戳(一般包括開始時間和結(jié)束時間)。在播放時,讀取數(shù)據(jù)塊上的時間戳,同時根據(jù)本地系統(tǒng)時鐘參考上的時間來安排播放。
整個系統(tǒng)的音視頻同步數(shù)據(jù)流程如圖2所示。
圖2音視頻同步數(shù)據(jù)流程
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。
由于處理器的高速處理和高效率視頻硬件H.264解壓縮,使得整個系統(tǒng)實時性基本達到要求。嵌入式音視頻管理模塊實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的統(tǒng)籌控制和實時處理,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、環(huán)境適應(yīng)能力強,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。
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