基于Intel Xscale和Linux 的視頻模塊設(shè)計

1 引言

隨著計算機進入后PC時代、多媒體技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，融合通信、計算和多媒體功能的各類多媒體終端（如）應(yīng)用正在成為開發(fā)應(yīng)用的新亮點，視頻則是這類應(yīng)用中不可缺少的重要組成部分。多媒體終端，作為嵌入式系統(tǒng)，大多數(shù)應(yīng)用場合是對速度、功耗、體積有嚴格要求的車載、移動通信、手持式設(shè)備等，那么如何設(shè)計一個體積小、實時處理能力強、功耗低、可移植性強的視頻模塊以滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計對速度、功耗和空間的要求和應(yīng)用開發(fā)的需求就成為一個很有意義的課題。

基于XScale 技術(shù)的新型處理器 是英特爾公司推出的為無線通信設(shè)備帶來更高性能和更低能耗的微處理器產(chǎn)品，為多媒體手機、掌上電腦、車載信息通訊系統(tǒng)及其它無線互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品提供了強大動力。本文介紹了基于 處理器和嵌入式 操作系統(tǒng)的無線多媒體移動終端的視頻模塊的設(shè)計與開發(fā)，該視頻模塊具有實時采集、壓縮、解壓、顯示、拍攝和存儲圖像等功能，經(jīng)過壓縮的視頻信號還可以通過 進行傳輸。由于采用了模塊化設(shè)計，該視頻模塊還可以很。容易的移植到別的多媒體終端應(yīng)用中。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計時，視頻模塊的主體部分采用外置形式，與終端平臺的接口采用目前廣泛采用的USB 接口，視頻模塊的硬件原理框圖如圖1 所示。采用這樣的硬件結(jié)構(gòu)，是基于以下的考慮。①較高的傳輸速度，尤其是USB 總線對實時傳輸?shù)牧己弥С挚梢詽M足圖像實時性的要求。②“即插即用”操作，終端平臺可以對攝像頭進行自動檢測和配置，節(jié)省了系統(tǒng)功耗。③攝像頭采用外置形式，節(jié)約了系統(tǒng)的硬件空間，現(xiàn)成USB總線的固件或芯片包含低級并行/串行轉(zhuǎn)換、誤差校驗和數(shù)據(jù)流控制算法等功能，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計工作。④基于USB總線的可擴展性，可方便的進行系統(tǒng)功能擴展，符合嵌入式系統(tǒng)接口串行、高速的發(fā)展方向。⑤可移植性，采用了模塊化設(shè)計和USB 總線進行傳輸，可以很容易的移植到帶有USB 接口的別的嵌入式系統(tǒng)中。

由于數(shù)字攝像頭所采集到的圖像數(shù)據(jù)是沒有經(jīng)過壓縮處理的，數(shù)據(jù)量非常大，不符合USB 總線實時傳輸?shù)囊?。因此在?jīng)過USB總線傳輸以前必須使用視頻壓縮芯片對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，該類芯片的特點是將某一標準的壓縮算法固化在其中, 具有開發(fā)成本低、開發(fā)周期短、運算速度快等優(yōu)點，符合圖像傳輸實時性的要求。經(jīng)過對各種專用視頻壓縮芯片的選擇，采用了公司推出的高性能攝像機到USB 接口芯片，該芯片降低了產(chǎn)品的成本，極大地簡化了單片圖像和USB的接口，可以很容易地構(gòu)成基于USB的視頻子系統(tǒng)。

最大視頻傳輸速度的設(shè)計，使得系統(tǒng)能夠以更加實時的方式獲取大量的視頻信息。片內(nèi)高性能專用壓縮引擎可以達到7:1 的壓縮比，保證了從圖像到終端平臺的快速圖像傳輸。對于QVGA圖像格式，的壓縮引擎支持高達30 幀/秒的傳輸速度，減少了低帶寬應(yīng)用中通常會出現(xiàn)的圖像跳動現(xiàn)象。OV518還具有優(yōu)秀的靜態(tài)圖像捕捉功能，使用起來和數(shù)碼相機一樣方便。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 中USB 連接橋部分所示。由于 的USB 接口只有從控制器，只能作為一個從設(shè)備使用，我們采用公司的為PXA255擴展了兩個USB主接口。是專門用以在嵌入式系統(tǒng)或便攜式設(shè)備中實現(xiàn)USB 協(xié)議的芯片，支持所有的傳輸類型：控制、中斷、批量及同步。該芯片還提供了節(jié)能工作模式以減少功耗，每個下行端口都有獨立的過流檢測輸入引腳和電源供電控制輸出引腳，使系統(tǒng)電源的管理更加靈活。與CPU的接口，是專為 的CPU設(shè)計的，極大的簡化了設(shè)計工作，可以不加修改的移植到別的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中。總之，整個視頻模塊硬件設(shè)計體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計對體積，速度和功耗的要求，既保持了很高的處理速度和很小的集成空間，又降低了系統(tǒng)的功耗。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺

微處理器PXA255 功能強大，系統(tǒng)資源十分豐富，十分需要一個功能強大的操作系統(tǒng)來管理這些資源，經(jīng)過對各種嵌入式操作系統(tǒng)的比較，嵌入式的諸多優(yōu)點非常適合于作為該終端的操作系統(tǒng)：開放的源碼，可移植性強，強大的網(wǎng)絡(luò)功能和對USB 總線及設(shè)備的良好支持。終端平臺采用圖形用戶界面，出于嵌入式系統(tǒng)對實時性和對GUI 的占用資源少、高性能、高可靠性及可配置的考慮，我們選擇了MiniGUI圖形用戶界面支持系統(tǒng)。

3.2 視頻模塊軟件的基本結(jié)構(gòu)

視頻模塊軟件的設(shè)計采取了模塊化的設(shè)計方法，根據(jù)視頻模塊設(shè)計的特點和多媒體終端視頻功能的需求，整個視頻模塊軟件有4 個功能模塊組成：USB 模塊、攝像頭驅(qū)動模塊、解碼模塊、視頻應(yīng)用模塊，完成了采集、解碼、本地顯示、本地用戶控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為了提高圖像采集的實時性和系統(tǒng)性能，在各個模塊的設(shè)計過程中，根據(jù) 操作系統(tǒng)的特點和采用的解壓縮算法的特征，我們對程序和算法進行了優(yōu)化、簡化，以加快計算速度，提高效率。以下將對各個模塊的功能和實現(xiàn)進行介紹。

3.2.1 USB 模塊

該模塊包括USB 總線驅(qū)動程序（）和主控制器驅(qū)動（HCD）。 主要處理USB 協(xié)議中與硬件無關(guān)的部分，對協(xié)議規(guī)定的USB 總線以及USB 設(shè)備共有的操作和性質(zhì)提供支持。HCD 負責(zé)對ISP1160 進行抽象和對USB 的低級支持，ISP1160 的寄存器編程來驅(qū)動ISP1160，為上層的USB 總線驅(qū)動提供軟件接口來控制ISP1160。圖3 給出了USB 模塊的軟件功能結(jié)構(gòu)圖。Linux 操作系統(tǒng)提供有穩(wěn)定的USB 總線驅(qū)動程序，我們只需要編寫HCD 程序。在HCD 的設(shè)計中，我們結(jié)合ISP1160 專為嵌入式設(shè)備設(shè)計的特性對實時傳輸和非實時傳輸進行不同的調(diào)度，增強了對USB 總線實時傳輸?shù)闹С?；結(jié)合Linux對軟中斷的良好支持，采用底半部機制（bottom half）提高中斷處理的實時性。通過這兩項措施有效的提高了視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度，降低了對系統(tǒng)資源的消耗。

3.2.2 攝像頭驅(qū)動模塊

該模塊為攝像頭的USB類型驅(qū)動（ClassDriver）,其主要功能是對視頻應(yīng)用模塊提供符合Linux 的視頻捕獲標準V4L2（ for Linux Two）的接口，通過USB 模快接收圖像數(shù)據(jù)。V4L2 是Linux 平臺上處理和訪問視頻設(shè)備的最新的標準應(yīng)用程序接口，通過該接口，模塊對視頻應(yīng)用模塊提供QVGA(320*240)和VGA(640*480)兩種采集模式的切換，視頻圖像參數(shù)的調(diào)整，彩色和黑白視頻流和靜止圖像的采集功能。該驅(qū)動采用多個幀緩沖存儲空間,并使這些幀存輪流處于接收數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)收到圖像幀事件發(fā)生時，將會觸發(fā)相應(yīng)的機制，實現(xiàn)了圖像幀的異步接收，異步接收機制提高了程序的運行效率。除了實現(xiàn)V4L2 標準常規(guī)的 接口外，還重點實現(xiàn)了mmap（Map into application address ）接口，通過該接口，可以把內(nèi)核空間的設(shè)備內(nèi)存地址空間映射到用戶空間的地址空間，減少了圖像數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)，提高了圖像采集的實時性。

3.2.3 解碼模塊

由于圖像經(jīng)過了壓縮引擎的壓縮，在本地終端進行實時顯示之前必須經(jīng)過解碼模塊的解碼，如果視頻流通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，在本地終端視頻流則不必經(jīng)過該模塊，但是遠程應(yīng)用仍然需要該模塊。目前圖像壓縮技術(shù)主要采用余弦變換（DCT），小波變換（Wavelet）和子帶編碼等技術(shù)，其中余弦變換具有快速算法，易于用軟硬件實現(xiàn)，且壓縮性能接近統(tǒng)計最佳，目前被廣泛采用，這也是壓縮引擎采用的算法。余弦變換用于數(shù)字圖像壓縮編碼時，一般采用二維變換，先將整幅圖像分成8×8 或16×16 宏塊，以宏塊為單位進行二維變換，再對每一宏塊的變換域系數(shù)用Zig － Zag 方式進行Huffman 變長編碼或算術(shù)編碼。在圖像接收端作相反的處理，即先恢復(fù)各宏塊的變換域系數(shù)，再經(jīng)余弦反變換即可恢復(fù)圖像數(shù)據(jù)，其解碼原理和主要步驟如圖4 所示。

該模塊是提高實時性的關(guān)鍵所在，為提高實時性，我們對代碼進行了有效的優(yōu)化，主要措施有：針對Xscale微處理器的特點，合理安排程序流程，盡量做到并行處理，提高程序運行效率；采用適合整數(shù)運算的快速反余弦變換算法，變換中只用加法和移位，減少了乘法運算量，提高了運算效率；采用基于查表的快速Huffman 解碼算法，以減少運算量，提高計算速度。通過這些措施既減少了內(nèi)存的開銷，也加快了解碼的速度，取得了滿意的效果。

3.2.4 視頻應(yīng)用模塊

視頻應(yīng)用模塊包括兩部分：本地應(yīng)用子模塊完成視頻圖像的實時顯示，本地用戶控制和圖像的存儲等功能；網(wǎng)絡(luò)傳輸子模塊完成基于RTP 的壓縮后的視頻流數(shù)據(jù)傳輸，遠程控制等功能。借助于Linux 操作系統(tǒng)對多線程機制的良好支持，主線程專門負責(zé)消息的響應(yīng)，使程序能夠即時響應(yīng)用戶通過或鍵盤輸入的命令或事件，輔助線程用于完成圖像的實時顯示、存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缺容^費時的工作，這樣就不至于影響主線程的運行，保證在做圖像解碼顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，能夠即時響應(yīng)用戶的輸入。不同的線程完成不同的任務(wù)，提高了程序的模塊化，便于維護和擴展，充分利用了系統(tǒng)資源，有利于提高應(yīng)用程序的實時性。由于對視頻輸出設(shè)備，RGB空間格式更加直接高效，而解碼?？斓妮敵鰹閅UV顏色空間子格式，所以在視頻圖像的回顯之前必須進行顏色空間的轉(zhuǎn)換。該模塊圖形界面的實現(xiàn)是通過調(diào)用MiniGUI 提供的API 函數(shù)來實現(xiàn)的，MiniGUI 提供了比較豐富的類Win32API 函數(shù)，給我們開發(fā)圖形界面帶來了很大的方便。

4 視頻模塊性能及測試效果

視頻模塊經(jīng)過終端測試，性能結(jié)果如表1 所示。通過結(jié)果可以看出，采集的經(jīng)過壓縮的視頻圖像幀速和經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸后基于PC顯示的幀速都達到了理想水平，但視頻圖像在終端上顯示時，由于嵌入式系統(tǒng)處理能力較PC 機弱，解碼模塊和顯示模塊雖然經(jīng)過了優(yōu)化，但仍然占有一定的時間，使速度下降了很多。但該速度相對于嵌入式系統(tǒng)來說，也達到了實用的地步，并且不影響終端基于網(wǎng)絡(luò)的視頻應(yīng)用，隨著嵌入式微處理器處理能力的逐漸增強，這個問題也一定能得到很好的解決。比如，集成英特爾無線MMX 技術(shù)的處理速度更快的英特爾PXA27x 處理器家族新增了一系列新技術(shù)以提供額外的性能來支持高級視頻。

終端視頻模塊采集的圖像經(jīng)過壓縮、解壓縮后具有較高的質(zhì)量，基于PC 和終端顯示并未見明顯區(qū)別，圖像效果及用戶界面窗口如圖5 所示。

5 結(jié)論

本文針對基于 Xscale 和嵌入式Linux 的多媒體終端對視頻應(yīng)用的需求，從實時性、功耗和體積等著手，提供了一種多媒體終端圖像實時連續(xù)采集、顯示管理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆桨?，并且在實際中得到了驗證。由于采用了模塊化設(shè)計和設(shè)計的靈活性，只需稍加修改就還可以很容易的移植到別的嵌入式系統(tǒng)多媒體應(yīng)用中。我們可以在該終端平臺上方便地進行一些基于視頻模塊的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)，我們認為有價值的進一步開發(fā)與研究方向包括： 作為嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端滿足不同方面的需要，例如遠程數(shù)字, 交互式醫(yī)療，交互式可視多媒體遠程教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)電臺、視頻點播等。較PC機實現(xiàn)的系統(tǒng)有具有體積小、成本低和穩(wěn)定性高的特點，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的手持式多媒體視頻網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)。當(dāng)今世界已經(jīng)進入了 時代, 嵌入式系統(tǒng)接入 已成為網(wǎng)絡(luò)接入重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施。因此, 具有視頻模塊的嵌入式系統(tǒng)在交互式多媒體、嵌入式系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有很強的應(yīng)用背景和市場前景。