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        基于樹(shù)莓派的高清視頻播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2015-10-19 10:55:56顧艷華王闖
        科技視界 2015年29期
        關(guān)鍵詞:樹(shù)莓派物聯(lián)網(wǎng)

        顧艷華+王闖

        【摘 要】樹(shù)莓派卡片電腦是研究物聯(lián)網(wǎng),智能機(jī)器人等領(lǐng)域的天然開(kāi)發(fā)板,基于樹(shù)莓派的高清視頻播放終器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的實(shí)踐參考價(jià)值。介紹了樹(shù)莓派的軟硬件研發(fā)環(huán)境及其發(fā)展,給出了基于樹(shù)莓派設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高清視頻播放器的軟硬件設(shè)計(jì)及移植開(kāi)發(fā)環(huán)境,并基于樹(shù)莓派移植了高清視頻解碼模塊,實(shí)現(xiàn)了基于樹(shù)莓派的高清(720P及1080P)視頻的播放系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)性能卓越,實(shí)用創(chuàng)新性強(qiáng)。

        【關(guān)鍵詞】樹(shù)莓派;高清視頻;視頻播放器;物聯(lián)網(wǎng);H264;AAC

        0 引言

        體積如名片大小的樹(shù)莓派是基于ARM控制器和Linux系統(tǒng)的單板機(jī)電腦,它具有計(jì)算機(jī)主機(jī)的所有功能和接口,如USB,RJ45, SD-IO,HDMI及GPIO接口等,廣泛支持基于Linux 的發(fā)行版和Windows 10的操作系統(tǒng)[1]。樹(shù)莓派體積小巧,具有可擴(kuò)展性強(qiáng),社區(qū)廣泛等優(yōu)勢(shì),它是研究物聯(lián)網(wǎng),智能機(jī)器人等領(lǐng)域的良好的、天然的原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。樹(shù)莓派自2012年首版在英國(guó)發(fā)布至今,深受全球計(jì)算機(jī)愛(ài)好者的熱烈研究,來(lái)自全球的計(jì)算機(jī)軟硬件愛(ài)好者們基于樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)了眾多的創(chuàng)新功能,如機(jī)器人飛行器,家庭自動(dòng)化,天氣預(yù)報(bào)站,超級(jí)電腦,有聲書(shū)籍播放器等等[2]。

        隨著高清視頻資源的日益豐富和用戶對(duì)高清視頻播放需求的越來(lái)越多,高清視頻終端播放器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)面臨著越來(lái)越多的需求和挑戰(zhàn), 如:更小巧便攜、更強(qiáng)的處理能力等。本文基于B型樹(shù)莓派,搭建了基于其上的軟件移植開(kāi)發(fā)環(huán)境,利用其強(qiáng)大的GPU視頻處理能力,開(kāi)發(fā)移植了H264高清視頻解碼模塊,成功實(shí)現(xiàn)了基于其上的720P和1080P高清視頻播放器。

        本文共分為三個(gè)部分:第一部分高清播放器系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì),介紹了樹(shù)莓派的軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境及其演進(jìn),及基于樹(shù)莓派的高清視頻播放器系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計(jì);第二部分詳敘了本系統(tǒng)高清音視頻解碼模塊在樹(shù)莓派環(huán)境中的移植;最后總結(jié)了本系統(tǒng)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

        1 高清播放器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 樹(shù)莓派硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境及演進(jìn)

        2012年英國(guó)樹(shù)莓派基金會(huì)宣布樹(shù)莓派平板電腦正式發(fā)布,第一代樹(shù)莓派分為A型和B型兩款,二者硬件配置略有不同,主要體現(xiàn)在B型有512MB內(nèi)存而A型有512MB內(nèi)存。2015年2月,樹(shù)莓派基金會(huì)宣布推出二代樹(shù)莓派卡片電腦B型,在硬件配置上又進(jìn)一步升級(jí),比如CPU由700MHz的單核心升級(jí)到900MHz的四核心,內(nèi)存由512MB升級(jí)到1GB以及支持更多的外設(shè)擴(kuò)展接口等。

        1.2 樹(shù)莓派軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及演進(jìn)

        第一代樹(shù)莓派基于Linux系統(tǒng),典型的如Raspbian,ARCH Linux ARM等。隨著樹(shù)莓派社區(qū)的壯大, 樹(shù)莓派已被越來(lái)越多的操作系統(tǒng)支持。據(jù)2015年2月報(bào)告顯示,Windows 10 和 Android平臺(tái)已證實(shí)支持樹(shù)莓派,其它典型的如FreeBSD,WebOS,Debian Linux等操作系統(tǒng)均已支持樹(shù)莓派。完整的支持樹(shù)莓派的操作系統(tǒng)列表參見(jiàn)[3]。

        樹(shù)莓派基于ARM系列CPU系統(tǒng),應(yīng)用軟件可移植環(huán)境強(qiáng),GNU/Linux工具鏈已經(jīng)較好的支持樹(shù)莓派系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)移植。成熟的支持樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)的編程語(yǔ)言有:C及C++,Python,Java,Golang等語(yǔ)言。典型的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境有KDevelop, Bluej IDE, Eclipse及Visual Studio等。

        基于樹(shù)莓派的高清視頻播放器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境如下:

        1)操作系統(tǒng): Raspbian OS

        2)編譯及調(diào)試器: GCC, G++及GDB

        3)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境: Eclipse IDE for C/C++

        1.3 樹(shù)莓派高清視頻播放器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        基于樹(shù)莓派的高清視頻播放器系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)為三個(gè)模塊: 高清音視頻數(shù)據(jù)輸入模塊, 音視頻數(shù)據(jù)解碼模塊及音視頻輸出渲染模塊。系統(tǒng)架構(gòu)邏輯模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

        音視頻數(shù)據(jù)輸入模塊(I)-典型的音視頻數(shù)據(jù)支持H264編碼視頻數(shù)據(jù)及FAAC編碼音頻數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)封裝格式支持mp4及MPEG Transport Stream (TS)格式[4];數(shù)據(jù)源讀取可支持本地MP4封裝格式,及支持從網(wǎng)絡(luò)端讀取TS封裝格式;輸入模塊(I)與OMXPlayer播放器模塊(P)間采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型,設(shè)計(jì)并發(fā)隊(duì)列Queue(Q)作為二者之間數(shù)據(jù)通信模型;視頻解碼模塊(V)與音頻解碼模塊(A)為消費(fèi)者。功能上數(shù)據(jù)輸入模塊解封裝音視頻數(shù)據(jù)包,并標(biāo)記時(shí)間戳T,后分別放入并發(fā)隊(duì)列Q。

        OMXPlayer播放器模塊(P)-基于開(kāi)源OMXPlayer模型移植,分別采用基于FFmpeg向樹(shù)莓派移植的高清視頻解碼模塊(V)和基于FAAC向樹(shù)莓派移植的音頻解碼模塊(A)。功能上播放器模塊讀取并發(fā)隊(duì)列音視頻數(shù)據(jù),分別解碼后輸出給音視頻輸出模塊(O)。

        音視頻輸出模塊(O)-基于輸入模塊標(biāo)記時(shí)間戳T,向HDMI接口寫(xiě)輸出音視頻數(shù)據(jù)。

        關(guān)鍵技術(shù)音視頻同步算法-基于以上模塊設(shè)計(jì),以下算法被設(shè)計(jì)為解決數(shù)據(jù)輸出時(shí)音視頻同步問(wèn)題,經(jīng)過(guò)此算法處理的音視頻數(shù)據(jù)為時(shí)間同步數(shù)據(jù),作為音視頻解碼模塊和輸出模塊的輸入實(shí)現(xiàn)音視頻同步。

        音視頻同步算法:

        Step 1:(I)模塊讀取ts時(shí)長(zhǎng)TS或MP4封裝數(shù)據(jù),去除頭部封裝信息并獲取視頻幀率F

        Step 2:獲取當(dāng)期系統(tǒng)時(shí)間T

        線程1: 處理音頻數(shù)據(jù)

        Step 3:將當(dāng)前ts時(shí)長(zhǎng)音頻數(shù)據(jù)標(biāo)簽為時(shí)間T,并將數(shù)據(jù)放入Q

        線程2: 處理視頻數(shù)據(jù)

        Step 4: 記錄當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間t1

        Step 5: 讀取ts/F時(shí)長(zhǎng)視頻幀,標(biāo)簽為時(shí)間T,并將數(shù)據(jù)放入Q

        Step 6:記錄當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間t2 及 時(shí)間消耗 SumT= t2-t1

        Step 7:IF SumT>=ts轉(zhuǎn)到Step1

        否則轉(zhuǎn)到Step4

        2 高清音視頻解碼模塊移植

        基于開(kāi)源OMXPlayer播放器模型,基于樹(shù)莓派的高清視頻播放器移植了音、視頻解碼模塊到樹(shù)莓派系統(tǒng)中,此移植關(guān)鍵在于充分利用樹(shù)莓派GPU多媒體處理指令及技術(shù)。

        2.1 H.264視頻解碼模塊移植

        H.264/MPEG-4 AVC[5]是一種面向塊的基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幗獯a器標(biāo)準(zhǔn)。由ITU-T視頻編碼專家組與ISO/IEC聯(lián)合工作組開(kāi)發(fā),它也被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)流媒體數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)軟件以及各種高清晰度電視陸地廣播系統(tǒng)中。

        高清視頻解碼模塊基于開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)FFmpeg及X264庫(kù)移植,面向樹(shù)莓派的移植主要解決了FFmpeg及X264程序庫(kù)在樹(shù)莓派ARM平臺(tái)的編譯鏈接問(wèn)題, 其關(guān)鍵語(yǔ)法如下:

        2.2 ACC音頻解碼模塊移植

        高級(jí)音頻編碼AAC(Advanced Audio Coding)基于MPEG-2的音頻編碼技術(shù)是一種取代MP3的高壓縮比的音頻壓縮算法。AAC壓縮比通常為18:1,遠(yuǎn)勝mp3;在音質(zhì)方面,由于采用多聲道,更高的采樣率和采樣精度,以及使用低復(fù)雜性的描述方式,使其比幾乎所有的傳統(tǒng)編碼方式在同規(guī)格的情況下更勝一籌。

        AAC音頻解碼模塊基于FAAC開(kāi)源音頻解碼標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)向樹(shù)莓派移植。移植過(guò)程分為兩步,第一步需先交叉編譯FAAC庫(kù);第二部需再次交叉編譯FFmpeg,同時(shí)激活X264及FAAC模塊。其關(guān)鍵語(yǔ)法如下:

        3 總結(jié)

        3.1 系統(tǒng)測(cè)試性能參數(shù)

        將B型樹(shù)莓派,連接顯示器、鍵盤(pán),鼠標(biāo),移動(dòng)硬盤(pán)等外部設(shè)備,然后在樹(shù)莓派上運(yùn)行編譯后的高清視頻播放器OMXPlayer,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的高清視頻播放器用戶接口如下:

        經(jīng)測(cè)試,基于樹(shù)莓派的高清視頻播放器,性能良好,具有以下測(cè)試參數(shù)。

        3.2 結(jié)束語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)的高清視頻播放器,該原型系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試,性能卓越,體積小,可攜帶性強(qiáng)。本系統(tǒng)中運(yùn)用的設(shè)計(jì)方案和基于樹(shù)莓派的軟硬件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)為進(jìn)一步研究基于樹(shù)莓派的其他應(yīng)用具有一定的實(shí)踐參考意義。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]李明,譯.Linux+樹(shù)莓派玩轉(zhuǎn)智能家居(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2014,6.

        [2]Peter Membrey David Hows.樹(shù)莓派學(xué)習(xí)指南-(基于Linux)[M].北京:人民郵電出版社,2014,4.

        [3]Brendan Horan. RaspberryPi樹(shù)莓派實(shí)作應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2014,5.

        [4]董杰,辛吉濤,連捷.基于Android系統(tǒng)的H.264視頻直播技術(shù)研究.電視技術(shù),2015(2).

        [5]蔡麗艷.基于H.264嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[M].南京郵電大學(xué),2013.

        [責(zé)任編輯:鄧麗麗]

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