周錦陽 吳 哲 宋 廣

（1.92785部隊 葫蘆島 125200）（2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所 成都 610000）

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，WIFI 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率不斷增加，4G網(wǎng)絡(luò)已遍布全國各地［1］。信息科技的高速發(fā)展，在豐富人們生活的同時，帶來了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。視頻通信技術(shù)不斷走向成熟，隨著IP 網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高，視頻通信進(jìn)入了一個新的發(fā)展和應(yīng)用時期，其在視頻會議、遠(yuǎn)程視頻醫(yī)療、遠(yuǎn)程視頻教育等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用［2～3］。

嵌入式系統(tǒng)作為一種實用、高效的計算機(jī)系統(tǒng)，以其低成本、低能耗、高性能及可配置等優(yōu)點［4］，逐漸成為電子產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的研究發(fā)展方向，其廣泛應(yīng)用于信息通信、工業(yè)控制、交通管理和智能家居等領(lǐng)域［5～6］。

本文以嵌入式ARM 為載體，利用Linux系統(tǒng)的V4L2內(nèi)核驅(qū)動，設(shè)計了一種支持視頻圖像采集、壓縮、傳輸、顯示的移動視頻通信系統(tǒng)。通過系統(tǒng)功能測試，驗證了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性，為進(jìn)一步探索和研究相關(guān)內(nèi)容提供有益參考。

2 總體框架

視頻通信系統(tǒng)組成包括通信節(jié)點、視頻服務(wù)器和有線網(wǎng)絡(luò)等，總體框架如圖1 所示，視頻通信節(jié)點間可通過無線通信實現(xiàn)節(jié)點間點對點的視頻通信，也可依托已有無線局域網(wǎng)或電信網(wǎng)絡(luò)，通過WLAN/4G 基站接入現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)，利用視頻服務(wù)器的路由、轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)節(jié)點間的視頻通信。

圖1 頻通信系統(tǒng)總體框架

3 系統(tǒng)組成

3.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由處理單元、無線通信模塊、視頻采集模塊、LCD和電源模塊等組成。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，節(jié)點實物如圖3所示。

圖2 節(jié)點硬件組成框圖

圖3 節(jié)點硬件實物圖

處理單元主要負(fù)責(zé)視頻信息的視頻的壓縮、處理、傳輸以及自組織網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，其硬件采用深圳天漠科技有限公司的Devkit8500D嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用采用DM3730 處理器，集成了高達(dá)1GHz 的ARM Cortex-A8 內(nèi)核以及高達(dá)800MHz 的具有高級數(shù)字信號處理的DSP 內(nèi)核，支持高清720p 視頻編解碼，并提供了豐富的外設(shè)接口，可以有效滿足開發(fā)需求。

無線通信單元主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)單跳節(jié)點間的無線通信，其硬件采用TOTOLINK-N200UP 大功率無線網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡采用MIMO 技術(shù)，內(nèi)置信號增強芯片，外置1根可拆卸智能天線，支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，無線傳輸速率高達(dá)150Mbps。

視頻采集單元主要負(fù)責(zé)采集節(jié)點周圍視頻圖像信息，進(jìn)行環(huán)境狀態(tài)感知，其硬件采用英蓓特科技有限公司生產(chǎn)的CAM8100-U 數(shù)字?jǐn)z像頭，該攝像頭高達(dá)130W 像素，可支持多種分辨率，該模塊通過高速USB2.0 接口連接到ARM 開發(fā)板，可實現(xiàn)圖像預(yù)覽等功能。

3.2 軟件組成

視頻通信過程中，采集端為視頻傳輸?shù)脑垂?jié)點，實現(xiàn)視頻的采集、壓縮、傳輸和顯示；接收端為視頻傳輸?shù)哪康墓?jié)點，實現(xiàn)視頻的接收和顯示。采集端和接收端相互協(xié)作實現(xiàn)源節(jié)點和目的節(jié)點間的視頻通信。如圖4所示。

圖4 采集端和接收端間的視頻交互流程

采集端和接收端的相關(guān)功能是通過V4L2、libjpeg 和socket 的相關(guān)編程接口函數(shù)實現(xiàn)的。其中，攝像頭對視頻圖像的采集，是通過V4L2 的相關(guān)接口函數(shù)實現(xiàn)的；視頻圖像的壓縮和本地顯示，是通過jpeg 的相關(guān)編程接口實現(xiàn)的；視頻的發(fā)送和接收，是通過socket的接口函數(shù)實現(xiàn)的。

4 功能設(shè)計

4.1 視頻采集

視頻圖像采集是通過USB 攝像頭完成的［7］。在嵌入式Linux系統(tǒng)中可以通過讀寫設(shè)備文件的方式訪問和控制USB 攝像頭，同時V4L2 模塊為USB攝像頭提供編程接口，通過編程接口函數(shù)，實現(xiàn)視頻圖像的采集?；赨SB 攝像頭的視頻圖像采集流程如圖5所示。

圖5 視頻采集流程

1）開啟USB攝像頭

USB 攝像頭作為嵌入式Linux 系統(tǒng)的視頻外設(shè)，會在內(nèi)核中自動生成設(shè)備文件名（/dev/video2），并添加到內(nèi)核注冊表中［8］，系統(tǒng)通過函數(shù)調(diào)用開啟USB攝像頭。

2）獲取攝像頭的設(shè)備信息

獲取攝像頭的設(shè)備信息主要是獲取攝像頭的驅(qū)動名、設(shè)備名、設(shè)備在系統(tǒng)中的位置、驅(qū)動版本號等信息。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，V4L2模塊提供結(jié)構(gòu)體“struct v4l2_capability”存放設(shè)備信息。內(nèi)核根據(jù)獲取的攝像頭信息，判斷該設(shè)備是否是V4L2 的視頻采集設(shè)備。

3）設(shè)置采集圖像的參數(shù)

視頻圖像采集之前，需要對視頻圖像的采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括圖像的大小、格式和來源。在嵌入式Linux 系統(tǒng)中，V4L2 模塊提供結(jié)構(gòu)體“struct v4l2_format”存放所設(shè)置參數(shù)。設(shè)置的參數(shù)包括視頻的來源（V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE），視頻的高度（480）、寬度（320）以及視頻的格式（V4L2_PIX_FMT_YUYV）。

4）內(nèi)存映射

視頻采集后存儲在內(nèi)核空間，然而應(yīng)用程序不能直接訪問內(nèi)核空間，需要建立內(nèi)核空間和用戶空間的聯(lián)系，以便應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)核空間的視頻數(shù)據(jù)。由于內(nèi)存映射具有速度快、占用內(nèi)存空間小，操作簡單等優(yōu)點，因此本章所設(shè)計的系統(tǒng)采用內(nèi)存映射的方法，建立內(nèi)核空間和用戶空間的地址對應(yīng)關(guān)系，將圖像數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間映射到用戶空間中。

5）視頻數(shù)據(jù)采集

視頻采集后是以先進(jìn)先出（First in first out，F(xiàn)IFO）存儲在緩存中的。當(dāng)應(yīng)用程序讀取緩存中的視頻數(shù)據(jù)時，視頻數(shù)據(jù)按照先進(jìn)先出的順序從緩存發(fā)出，之后該緩沖區(qū)重新獲取圖像數(shù)據(jù)。

6）取消內(nèi)存映射和關(guān)閉攝像頭

解除內(nèi)存映射，釋放內(nèi)存，調(diào)用函數(shù)關(guān)閉設(shè)備，通知程序停止視頻采集。

4.2 視頻壓縮

對視頻圖像的壓縮，是從時間、空間兩方面去除圖像的冗余信息的。常用的圖像壓縮方式有無損壓縮和有損壓縮兩種［9］。無損壓縮是指，只去除圖像冗余信息的壓縮，圖像質(zhì)量在壓縮前后基本保持不變，無明顯的失真。有損壓縮是指去除圖像的冗余信息和不相干信息的壓縮，壓縮前后存在一定差異，但是不影響觀看效果［10］。無損壓縮的特點是壓縮后圖像質(zhì)量髙，然而壓縮率很低，不能有效降低圖像所占存儲空間的大小。有損壓縮的特點是壓縮率髙，壓縮后的圖像占用的存儲空間較小，會有一定程度的失真但是不影響圖像的視覺效果。由于無線信道資源的有限性，為實現(xiàn)視頻的有效傳輸，采用有損壓縮的方式對視頻圖像進(jìn)行壓縮。YUV的jpeg壓縮流程如圖6所示。

圖6 YUV壓縮JPEG流程

1）初始化壓縮對象，申請存儲空間

USB 攝像頭采集的視頻格式為YUYV，對采集的YUYV 格式的視頻進(jìn)行初始化，并向內(nèi)存申請一段用于存儲jpeg圖片的空間。

2）設(shè)置壓縮參數(shù)，開始壓縮

視頻的有損壓縮是依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行的，將壓縮參數(shù)設(shè)置為80%的壓縮率，壓縮后的jpeg圖片像素為320×480。設(shè)置完壓縮參數(shù)后，開始對YUYV格式的視頻圖像進(jìn)行壓縮。

3）結(jié)束壓縮，釋放jpeg圖片。

4.3 視頻傳輸

視頻傳輸采用基于UDP 的socket 視頻通信。socket［11］作為Unix/Linux 系統(tǒng)下實現(xiàn)TCP/IP 通信的接口，是一種用于描述IP 端口和地址的進(jìn)程通信機(jī)制。如圖7 所示，服務(wù)端初始化socket 創(chuàng)建套接字，調(diào)用bind（）綁定服務(wù)端端口號；客服端初始化socket創(chuàng)建套接字，并調(diào)用sendto（）發(fā)送請求，建立和服務(wù)端的連接。

圖7 UDP的socket通信流程

1）創(chuàng)建UDP套接字

創(chuàng)建UDP 套接字，建立socket 通信。socket（）函數(shù)在系統(tǒng)中注冊一個未綁定的套接字，通知系統(tǒng)建立一個通信端點。

2）設(shè)置IP地址和綁定端口號

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用IPV4，綁定服務(wù)端和接收端的IP 地址，指定端口號，服務(wù)端調(diào)用函數(shù)bind（）綁定端口號。

3）服務(wù)端接收客戶端的“Hello”數(shù)據(jù)

服務(wù)端調(diào)用函數(shù)recvfrom（），接受來自客戶端的數(shù)據(jù)請求“Hello”，建立和客戶端的連接。

4）向客戶端發(fā)送圖像數(shù)據(jù)

服務(wù)端調(diào)用函數(shù)sendto（），向客戶端發(fā)送視頻圖像，將發(fā)送緩存區(qū)的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到指定客戶端的地址空間。

5）關(guān)閉套接字，切斷服務(wù)端和客戶端之間的連接

調(diào)用函數(shù)closesocket（）關(guān)閉套接字，調(diào)用函數(shù)close（）切斷服務(wù)端和客戶端的連接。

4.4 視頻顯示

視頻顯示采用基于FrameBuffer的圖象顯示［12］。FrameBuffer 是運行在Linux 上的優(yōu)秀圖形接口，為所有的硬件提供編程接口，具有硬件無關(guān)性，可直接對顯存操作，實現(xiàn)視頻的顯示?；贔rameBuffer視頻顯示的流程如圖8所示。

圖8 視頻顯示流程

1）初始化framebuffer

打開設(shè)備FrameBuffer，在嵌入式Linux 系統(tǒng)中，F(xiàn)rameBuffer 所對應(yīng)的設(shè)備文件為“/dev/fb0”，調(diào)用函數(shù)開啟。

2）獲取FrameBuffer的固定信息

獲取設(shè)備FrameBuffer 的固定信息主要是獲取屏幕緩沖區(qū)的物理地址和屏幕的寬度等的固定信息。

3）獲取FrameBuffer的可變信息

獲取設(shè)備FrameBuffer 的可變信息主要是獲取屏幕的分辨率、顏色深度等可變信息。

4）內(nèi)存映射

屏幕緩沖區(qū)到用戶地址空間的映射是通過函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)的。

5）視頻顯示

視頻圖像的顯示是通過函數(shù)“jpeg_read_scanliness（）”、“jpeg_to_frambuffer（）”和“jpeg_finish_decompress（）”實現(xiàn)的。

5 功能測試

本文針對視頻通信系統(tǒng)，進(jìn)行了平臺間點對點的無線視頻通信測試。兩個視頻通信節(jié)點通過無線網(wǎng)卡實現(xiàn)節(jié)點間的互聯(lián)互通，視頻采集端將數(shù)字?jǐn)z像頭采集的視頻數(shù)據(jù)無線傳輸給視頻接收端，實現(xiàn)視頻信息的異地實時、動態(tài)顯示。視頻采集端視頻采集如圖9（a）所示，視頻接收端視頻顯示如圖9（b）所示。

圖9 視頻通信測試圖

6 結(jié)語

本文采用嵌入式ARM 系統(tǒng)，結(jié)合WIFI 無線通信和數(shù)字?jǐn)z像頭視頻感知，設(shè)計并實現(xiàn)了一種支持視頻圖像采集、傳輸、顯示的移動視頻通信系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，移動自組織通信系統(tǒng)功能實用可靠、性能良好。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和視頻通信的廣泛應(yīng)用，未來還需要對嵌入式Linux 系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)一步研究，使之更廣泛應(yīng)用于人們的生活和工作。