夏小波，包建榮

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

目前國內(nèi)外已有的部分礦用多媒體通信系統(tǒng)存在著壓縮質(zhì)量不好、對光照度適應(yīng)范圍小不能反映礦下全黑環(huán)境0Lux、功耗和體積大、大部分為有線配置等問題［1、2］。為協(xié)助解決這些問題，本文提出了基于成本低廉的ARM11-S3C6410模塊與WIFI模塊、采用H.264高效編解碼技術(shù)、適應(yīng)井下全黑環(huán)境的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案［3］。

1 系統(tǒng)方案及硬件結(jié)構(gòu)

方案采用模塊化設(shè)計，研究主要包括以下幾項內(nèi)容:礦用應(yīng)急視頻采集終端系統(tǒng)視頻采集模塊設(shè)計;無線傳輸協(xié)議與無線通訊模塊設(shè)計;礦用應(yīng)急視頻采集終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計。此外，還包含了現(xiàn)場實驗，以驗證方案的可靠性。方案研究過程與應(yīng)用如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計及應(yīng)用圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要分為:最小系統(tǒng)、電源單元、音視頻單元及無線通信單元4部分。其中，方案以S3C6410處理器為核心［4］。采用大容量DDR SDRAM和NAND Flash作為外部存儲器。還配以大容量TF卡作為輔助存儲器，用以存儲大量視頻數(shù)據(jù)。視頻單元主要完成全黑環(huán)境(0Lux)下視頻數(shù)據(jù)采集，并通過Camera接口將數(shù)據(jù)傳送給最小系統(tǒng)。經(jīng)處理器內(nèi)部H.264編解碼器處理后，通過640×480分辨率的TFT-LCD高清屏顯示;音頻單元主要完成音頻數(shù)據(jù)的輸入、輸出和編解碼處理功能。將受話器輸入的音頻數(shù)據(jù)編碼處理后的發(fā)送給最小單元，再由最小單元將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼后通過送話器輸出;電源單元主要用于為各部分提供所需電源;無線通信單元完成視音頻數(shù)據(jù)的無線傳輸，采用了WM-G-MR-09無線模塊。其支持802.11b/g無線網(wǎng)絡(luò)模式，核心芯片為Marvell公司的88W8686。此外，系統(tǒng)提供了mini-USB接口，以方便后續(xù)軟件配置與升級。最后，得系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

另外，為了保證電路設(shè)計符合煤礦井下安全要求，防止電流引爆瓦斯，系統(tǒng)電源部分將分別采取防靜電保護和過壓保護等措施，防止出現(xiàn)電火花等現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

因系統(tǒng)方案功能復(fù)雜，故采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在ARM11-S3C6410處理器上實現(xiàn)視頻采集終端的軟件功能。因方案采用的ARM處理器已具有H.264的編解碼功能［5］。故方案主要針對無線WIFI傳輸流程及保證視頻實時傳輸?shù)腞TP實現(xiàn)開展研究。

視頻前端WIFI視頻監(jiān)控模塊的軟件結(jié)構(gòu)如下:ARM軟件程序采用視頻編碼框架來整合H.264編碼庫的多媒體處理硬核。在進入S3C6410調(diào)度程序之前，程序需初始化多個要使用的模塊。包括:(1)S3C6410和系統(tǒng)板的初始化;(2)視頻編碼模塊初始化;(3)建立捕獲通道。在完成初始化工作之后，系統(tǒng)進入S3C6410調(diào)度程序管理下的4個線程和1個通道。進程不斷地完成從底層視頻驅(qū)動獲取視頻信號，將視頻信號進行H.264編碼，再通過網(wǎng)絡(luò)傳給遠程用戶進行顯示，即前端WIFI視頻監(jiān)控模塊總體流程圖如圖3所示，遠程監(jiān)控中心的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個系統(tǒng)以DirectShow技術(shù)為基礎(chǔ)。DirectShow為Windows平臺處理各種格式媒體文件的回放、音視頻采集等高性能要求的多媒體應(yīng)用提供了完整的解決方案。在其基礎(chǔ)上，應(yīng)用程序按要求建立起相應(yīng)的過濾圖，通過它來控制整個的數(shù)據(jù)處理過程。DirectShow能在過濾圖運行時接收各種事件，并通過消息方式發(fā)送到應(yīng)用程序，實現(xiàn)了應(yīng)用程序與DirectShow之間的交互，實現(xiàn)了實時播放。

為了將編碼數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)浇邮斩?，就必須采用傳輸協(xié)議進行封裝［6］。因此，方案還引入RTP協(xié)議對編碼視頻數(shù)據(jù)進行封裝。RTP主要是為音頻、視頻等實時數(shù)據(jù)傳輸而提出的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，RFC3984中詳細說明了RTP傳輸音頻和視頻的數(shù)據(jù)包格式。RTP由RTP和RTCP兩部分組成。其中，RTP用來傳送實時性要求較高的數(shù)據(jù)，而RTCP用來監(jiān)控服務(wù)質(zhì)量和提供其他控制類的相關(guān)信息。RTP數(shù)據(jù)包由12字節(jié)固定的RTP頭和不定長載荷組成。載荷為壓縮編碼后的視頻或者音頻數(shù)據(jù)。RTP與UDP協(xié)議共同完成運輸層功能。在傳輸RTP數(shù)據(jù)包時，可將一幀數(shù)據(jù)分割成幾個包，且這些包具有相同時間戳。接收端可根據(jù)時間戳，將亂序接收到視頻數(shù)據(jù)幀，串聯(lián)成合理順序的視頻流，在遠程機上實現(xiàn)井下影像的實時播放。由上可得整個編碼系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。在方案中，H.264視頻數(shù)據(jù)首先經(jīng)RTP進行封裝，打包成適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包再進行傳輸。在使用IP/UDP/RTP的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)時，包括至少20個字節(jié)的IP頭，8字節(jié)的UDP頭以及12字節(jié)的RTP頭。故頭信息至少要占40個字節(jié)，且RTP載荷的最大尺寸定義為1 388個字節(jié)，可包含多個視頻數(shù)據(jù)幀。

如沒有在應(yīng)用層數(shù)據(jù)裝載進RTP包之前進行載荷分割，將產(chǎn)生大于最大傳輸單元的包。即在IP層其后第一個包成功接收而后續(xù)的包丟失，由于只有第一個包中包含完整RTP頭信息，而RTP頭無關(guān)于載荷長度的標(biāo)識。因此，判斷不出RTP包是否有分割丟失，只能認為完整接收了，且在IP層的分割無法在應(yīng)用層實現(xiàn)保護從而降低了非平等包含方案的效果。故考慮將1個NAL單元分割，使用多個RTP分組進行傳輸。根據(jù)IP層最大傳輸單元的大小，對大尺寸的NAL單元必須要進行分割。具體可設(shè)NAL單元的尺寸小于1 388字節(jié)。一個NAL單元采用分割分組后，每個RTP分組序列號依次遞增1，及RTP時間戳相同且惟一。

圖5 編碼線性流程圖

3 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

系統(tǒng)包括便攜式礦用應(yīng)急視頻采集終端、無線接入點和服務(wù)顯示器構(gòu)成［7］。便攜式視頻采集終端完成外部環(huán)境的視頻數(shù)據(jù)采集，通過Camera接口將數(shù)據(jù)傳給最小系統(tǒng)，經(jīng)內(nèi)部處理器的H.264編解碼器處理后，將視頻數(shù)據(jù)進行RTP封裝和UDP打包，再交由其內(nèi)置的無線通信單元傳送到分布式無線接入點AP和遠程監(jiān)控中心。在較黑模擬煤礦環(huán)境下，對整個系統(tǒng)進行測試。其中，視頻采用所設(shè)計的視頻采集終端獲取;無線傳輸采用WIFI模塊，并借助無線AP發(fā)送到視頻服務(wù)器完成數(shù)據(jù)獲取［6］。此外，還利用開源視頻軟件VLC進行視頻圖像測試播放與參數(shù)驗證。最后，得測試效果如圖6所示。經(jīng)相關(guān)測試，得到煤礦應(yīng)急無線視頻傳輸?shù)膮?shù)驗證如表1所示:

圖6 VLC播放軟件接收到的視頻截圖

表1 煤礦應(yīng)急無線視頻傳輸?shù)膮?shù)驗證表

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了低成本煤礦應(yīng)急無線視頻傳輸系統(tǒng)方案。它采用了低成本ARM11、WIFI等模塊(成本低于1 000元)實現(xiàn)，相對于業(yè)界常見的Ti公司6 000系列DSP平臺，方案成本將降低5 000元左右［8］。經(jīng)測試，該方案除了滿足井下防爆電氣性能指標(biāo)外，還可完成普通和全黑環(huán)境下的圖像采集，處理終端具有高清圖像質(zhì)量(D1質(zhì)量)、便攜式、實現(xiàn)視頻及音頻數(shù)據(jù)的無線傳輸、適用井下全黑環(huán)境(0Lux)、且可實現(xiàn)視頻的高清顯示與處理功能。

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