楊克領

(河南商丘師范學院 計算機與信息技術學院,河南 商丘476000)

全球信息娛樂技術的快速發(fā)展以及現(xiàn)代消費娛樂對車載娛樂的沖擊和滲透，給汽車娛樂業(yè)帶了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。依靠傳統(tǒng)DVD播放機已很難滿足未來高端車系的娛樂需求，因此，集成高端消費娛樂電子產(chǎn)品的先進技術構建車載娛樂系統(tǒng)，以及實現(xiàn)高端便攜設備與車載娛樂系統(tǒng)互連等新型設計理念，將成為車載娛樂系統(tǒng)未來新的發(fā)展趨勢。為此，本研究采用當前先進的硬實時系統(tǒng)QNX為軟件平臺，提出一種新型的車載立體播放系統(tǒng)方案，以實現(xiàn)微型3D影院的車載化。該方案在提升汽車娛樂性的基礎上，對于提高汽車高端品味方面也具有極其重要的意義。

娛樂系統(tǒng)作為區(qū)分所有車系品味高低的重要單元，乘客不僅能體驗到高品質的視覺沖擊感，而且有助于減輕旅途疲勞。目前車載播放系統(tǒng)主要有以下3種模式：(1)完全采用DVD播放機進行音視頻解碼播放；(2)車載終端集成音視頻解碼芯片和存儲卡，實現(xiàn)硬解碼播放；(3)采用便攜設備與車載終端互連實現(xiàn)音視頻播放。傳統(tǒng)低中檔汽車內(nèi)部一般采用第一種模式構建其娛樂系統(tǒng)，由于傳輸?shù)囊粢曨l數(shù)據(jù)量龐大，極易造成視頻幀丟失和播放延時。現(xiàn)代汽車播放系統(tǒng)設計突破傳統(tǒng)模式束縛，引進高性能音視頻解碼芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，使車載娛樂系統(tǒng)發(fā)生了質的飛躍。2007年浙江大學的崔山在車載電腦DVD播放器系統(tǒng)軟件設計中[1]，詳細闡述了傳統(tǒng)車載DVD播放系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀,并提出一種基于WinCE5.0的終端集成型DVD播放控制模塊，雖有效提高了音視頻播放質量，但該系統(tǒng)平臺實時性較差。針對這些不足，2012年QNX軟件系統(tǒng)公司在互連汽車參考計劃一文中[2]，前瞻性地提出便攜設備與車載終端互連的發(fā)展計劃，并為下一代車載娛樂系統(tǒng)設計了各種外圍接口，但該計劃成本龐大，仍處于評估和實驗階段。

綜上，針對車載播放控制單元傳統(tǒng)應用的問題，鑒于及現(xiàn)代應用的混雜現(xiàn)狀，提出基于微型立體影院的智能車載播放系統(tǒng)架構方案，采用分層邏輯和立體渲染模型的設計策略，不僅從系統(tǒng)原型和軟件建模方面進行了規(guī)范化的設計，而且引用成熟的開源庫進行解碼和渲染，有效降低了研發(fā)成本，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

1 系統(tǒng)分層邏輯架構

整個系統(tǒng)方案采用分層邏輯的設計策略，上層負責接口邏輯調度，下層負責接口功能實現(xiàn)。主要由解碼模塊、渲染模塊和人機交互模塊組成，模塊間以消息觸發(fā)方式實現(xiàn)通信邏輯。其核心處理流程如下：

(1)解碼視頻流：調用FFMPEG庫函數(shù)，打開源視頻流文件，根據(jù)頭信息判斷視頻流的有效性。若為可識別視頻流，以時間戳為單位實時讀取包數(shù)據(jù)，并以國際規(guī)范組幀到緩存區(qū)。

(2)渲染圖形幀：以幀為單位，采用 GLES圖形渲染函數(shù)實時繪制左右視頻圖形幀數(shù)據(jù)，并按時間戳顯示圖形到車載終端界面。

(3)播放控制：用戶通過終端播放控制界面，觸發(fā)各功能按鈕指令，實現(xiàn)對整個播放系統(tǒng)的功能控制和狀態(tài)監(jiān)測。

整套播放系統(tǒng)分層邏輯架構原型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)分層架構原型圖

另外，該播放控制系統(tǒng)設計了專門的消息處理機制來協(xié)同播放控制指令和內(nèi)部消息，以保證系統(tǒng)消息的實時處理和用戶指令的快速響應。消息處理機制如圖2所示。

由于車載播放控制單元對軟件系統(tǒng)平臺的實時性和可靠性有較高的要求，本方案選用實時性在微秒級的QNX軟件系統(tǒng)平臺，其調度策略采用高優(yōu)先級搶占模式，確保任何時刻占用CPU都是優(yōu)先級最高的任務。同時，所有運行于該系統(tǒng)的進程都采用內(nèi)存空間保護策略，獨立于其他進程單獨執(zhí)行，進而保證一個進程的崩潰不會影響其他空間執(zhí)行的進程?？梢?，選用的軟件系統(tǒng)平臺不僅以微秒級的延遲提高了視頻圖形幀渲染的實時性，而且充分利用現(xiàn)代新型技術來保證其內(nèi)核的穩(wěn)定性和安全性。

圖2 消息處理機制

綜合以上幾方向，該播放控制系統(tǒng)方案不僅從軟件平臺上保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性，而且采用分層邏輯和渲染模型構建系統(tǒng)原型，有效提升了整個系統(tǒng)的模塊獨立性。

2 系統(tǒng)功能模塊

針對當前車載播放控制系統(tǒng)高昂的開發(fā)成本和較長的開發(fā)周期，本系統(tǒng)選用當前成熟的FFMPEG開源庫作為視頻源的解碼模塊，采用底層圖形渲染庫GLES完成視頻圖形幀的高效渲染。

2.1 視頻源解碼模塊

視頻源解碼模塊作為整個播放控制系統(tǒng)的核心處理單元，主要負責解析已編碼壓縮的視頻源文件。解碼后的包數(shù)據(jù)以幀為單位保存到緩存區(qū)，供后端圖形渲染模型實時提取繪制。其核心處理流程如下：

(1)注冊所有容器格式和編解碼器類型;(2)打開視頻流源文件;(3)從文件中提取流信息;(4)窮舉所有流，查找其中的視頻流類型;(5)查找視頻流對應的解碼器;(6)打開編解碼器，并為解碼幀分配內(nèi)存;(7)從碼流中循環(huán)提取幀數(shù)據(jù);(8)判斷圖形幀類型，并送入視頻解碼器;(9)解碼完后，釋放解碼器;(10)關閉視頻流源文件。

整個視頻流解碼邏輯的偽代碼如下：

可見，系統(tǒng)視頻解碼邏輯裁剪了大部分冗余處理流程，有效避免了因解碼繁雜而造成的延時和丟幀現(xiàn)象，真正做到了解碼幀率可控的目的。另外，在設計早期即可通過幀率測試器充分論證圖形渲染效率的高低，為快速研發(fā)高性能車載視頻解碼器提供有力的技術保障。

2.2 視頻圖形渲染模型

系統(tǒng)設計基于GLES2.0的立體渲染模型對視頻圖形幀進行實時渲染,主要功能邏輯模塊包括紋理處理、圖形渲染和視域設置，以完成圖形數(shù)據(jù)的預處理、視頻幀的渲染和圖形顯示域的設定。其核心處理流程如下：

(1)開啟圖形渲染專用線程，并行渲染解碼圖形幀數(shù)據(jù);

(2)初始化圖形庫相關參數(shù)并獲取渲染參數(shù);

(3)不斷向立體渲染模型輸入圖形幀數(shù)據(jù)，完成圖形的實時繪制;

(4)收到結束指令后，退出渲染模型;

(5)釋放已申請的所有內(nèi)存資源。

由于3D立體視頻源包括多碼流圖形幀數(shù)據(jù)，渲染模型根據(jù)源碼流頭信息確定分配的渲染模型個數(shù)，每個模型以輸入的渲染參數(shù)組織圖形數(shù)據(jù)，以同步的方式進行輪詢實時渲染，進而滿足3D眼鏡對多碼流視頻源的同步實時聚焦，單個模型邏輯結構如圖3所示。

圖3 立體渲染邏輯模型

從渲染邏輯模型可見，該設計理念以模塊的獨立性和復用性為基礎，實時獲取當前播放器的各項參數(shù)信息，并根據(jù)當前系統(tǒng)屬性，傳遞最新參數(shù)到渲染容器，以保證用戶和系統(tǒng)消息的快速響應，并提高渲染容器對龐大圖形數(shù)據(jù)的處理效率。

渲染模塊以GLES2.0為基礎，融入實時邏輯設計理念，封裝了一個高效的立體渲染模型，把復雜的計算過程分解到GPU中，顯著提高了模塊的實時性和復用性。

3 實驗結果及評價

本系統(tǒng)采用飛思卡爾車規(guī)級新型處理器i.MX6Q系列作為硬件平臺，該芯片技術參數(shù)為：1 GHz CPU主頻，1 GB×32 DDR3(400 MHz)，32 MB 16 bit 并行 NOR Flash,可擴充的NAND Flash接口，LVDS數(shù)字圖形輸出接口,并集成了基于GLES2.0的GPU圖形硬加速處理單元。軟件平臺選用加拿大哈曼公司開發(fā)的QNX硬實時操作系統(tǒng)，并利用其最新的IDE6.5嵌入式開發(fā)套件進行邏輯設計和代碼測試。

實驗采用德爾福集團公司某車型提供的車載信息娛樂終端系統(tǒng)，集成了所研究的立體播放控制單元。立體播放控制單元作為整個娛樂系統(tǒng)終端的一個節(jié)點，乘客可通過佩戴特定立體眼鏡實現(xiàn)對3D視頻的欣賞。輸入的多碼流視頻源經(jīng)立體播放控制單元解碼、渲染、顯示等處理邏輯后，左右眼畫面同步疊加輸出。經(jīng)立體眼鏡過濾，左眼只能看到左放映畫面，右眼只能看到右放映畫面，這些畫面經(jīng)大腦綜合后，即可產(chǎn)生立體視覺。其界面顯示效果如圖4所示。

圖4 3D左右視頻播放效果圖

表1 2D與3D播放模塊性能指標對比

本研究針對2D和3D兩類車載視頻播放單元進行實驗對比及社會調查分析，實驗結果如表1所示。當其他條件完全相同時，3D模塊播放幀率略低于2D模塊，但在人的視感范圍內(nèi)，畫面質量幾乎不受影響；在CPU占用率方面，3D模塊近似于2D模塊，對整個系統(tǒng)的負載不造成任何影響。另外，社會抽樣調查結果顯示，人們普遍青睞于3D的超炫視覺體驗，在條件許可的情況下，近80%的人更愿意配備3D播放控制單元。因此，所做研究和實驗不僅大膽改變傳統(tǒng)設計理念，而且以先進的立體科技為依托，為未來車載娛樂的發(fā)展提供了重要參考依據(jù)。

在現(xiàn)代車載娛樂系統(tǒng)向立體化、集成化、智能化快速轉型的背景下，以探索現(xiàn)代高端汽車娛樂系統(tǒng)的高品質、高科技和人性化為研究目標，設計了一套以微型立體影院為基礎的智能車載3D播放系統(tǒng)。采用以實時性和安全性著稱的QNX系統(tǒng)為軟件運行平臺，提出分層邏輯方案構建系統(tǒng)原型；引入FFMPEG解碼庫對多碼流視頻源進行同步實時解碼；設計基于GLES2.0的多碼流渲染模型，實現(xiàn)圖形幀的實時渲染和顯示。下一步工作是豐富立體顯示模式，滿足更多3D片源格式。

[1]崔山.車載電腦DVD播放器系統(tǒng)軟件設計[D].杭州∶浙江大學,2007.

[2]QNX軟件系統(tǒng)公司.QNX互連汽車參考(CAR)計劃[EB/OL].[2012-06].http∶//www.qnx.com.