【導(dǎo)讀】隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的到來，寬帶無線網(wǎng)絡(luò)給音視頻等大數(shù)據(jù)量傳輸業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了發(fā)展的平臺(tái)。對于音視頻的感官特性方面的更新，也隨著市場應(yīng)用的更迭變得尤為迫切。無線多媒體成為通信領(lǐng)域的焦點(diǎn)，起源于無線多媒體是移動(dòng)通信與多媒體的結(jié)合體。本文中的設(shè)計(jì)方案采用Linux操作系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)更具有穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)把ARM11作為核心處理器，編譯碼則采用新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸音視頻。設(shè)計(jì)中還采用了性價(jià)比較高的S3C6410微處理器內(nèi)部集成的多媒體編解碼器。此次設(shè)計(jì)可以在視頻電話和遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域推廣。
一、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(hào)，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)。
二、硬件設(shè)計(jì)
1、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(tái)。
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(dòng)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(jí)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(dòng)通信提供了一種新的音視頻通信方式。
WiFi的驅(qū)動(dòng)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(hào)不好時(shí)，UDP會(huì)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、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(dòng)程序，便于使用和調(diào)試。
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三、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)。
1、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。
圖1：整個(gè)系統(tǒng)的音視頻同步數(shù)據(jù)流程
2、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(hào)量處理線程間優(yōu)先級(jí)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2：系統(tǒng)軟件架構(gòu)
3、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。
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(hào)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)。
4、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。回音是由于延時(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。
結(jié)語：現(xiàn)如今的電子市場，嵌入式無線終端的視頻監(jiān)控產(chǎn)品以其環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、無需布線、性能穩(wěn)通信便利、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢占據(jù)市場的有利位置。本次設(shè)計(jì)是基于ARM Linux的無線音視頻通信手持式終端，體積小所以攜帶方便。系統(tǒng)采用鋰電池經(jīng)過開關(guān)電源芯片降壓的方式進(jìn)行供電。直流穩(wěn)壓效率大大提高。在市場中有著廣泛的應(yīng)用前景。
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