無線視頻傳輸系統的設計

摘 要：給出了一種無線視頻傳輸系統的設計方法。發送部分的設計是基于TI開放式多媒體應用平臺(OMAP)，接收部分由普通PC控制。將采集到的圖像數據按MPEG[CD*2]4或MJPEG標準進行編碼，得到的碼流通過藍牙進行傳輸。對于MPEG[CD*2]4碼流，幀率可以達到30 f/s，傳輸距離可以達到100 m。對于MJPEG碼流，可以得到高質量的圖片。當接收部分只接收數據而不進行解碼時，80 m內的穩定的傳輸速率可達到11 Mb/s。

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關鍵詞：藍牙；無線傳輸；MPEG-4；MJPEG

中圖分類號：TN9198 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0101803

Design of Wireless Video Transmission System

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WANG Yingli，ZHUANG Yiqi，TANG Hualian，LI Cong

(School of Microelectronics，Xidian University，Xi′an，710071，China)

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Abstract：This paper presents the design of a wireless video transmission system.The transmitting part is designed on the basis of TI′s Open Multimedia Application Platform(OMAP).The receiving part is controlled by common PC.The video data we collected is encoded by the MPEG[CD*2]4 or MJPEG standard，and the encoded bitstream is transferred by Bluetooth.For the MPEG[CD*2]4 bitstream，the frame rate can reach 30 f/s and the transmission distance can reach 100 meters.For the MJPEG bitstream，the picture with high quality is received.When the receiving part receives data only and doesn′t decode the data，the stable transmission speed can reach 1.1Mb/s in 80 meters.

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Keywords：bluetooth;wireless transmission;MPEG[CD*2]4;MJPEG

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1 引 言

隨著無線通信技術和視頻壓縮技術的迅速發展，使得無線視頻傳輸成為人們研究的熱點。目前的短距離無線通訊技術有藍牙、紅外、IEEE 802.11無線局域網技術、HomeRF家用無線局域網技術、Zigbee技術和UWB技術等。與其他技術相比，藍牙具有成本低、功耗低、體積小和應用范圍廣泛等特點^[1]，但其帶寬有限，而視頻信息的數據量十分驚人，要實現無線視頻傳輸，必須對視頻信息進行壓縮編碼。現有的視頻壓縮標準如MPEG[CD*2]4，H.263和H.264等都可以滿足無線實時視頻傳輸系統的要求。

基于以上考慮，本文設計了一個無線視頻傳輸系統，說明了該系統的硬件架構和軟件設計，并進行了實驗測試和數據分析。

2 硬件架構

系統硬件的實現方案為：發送端由攝像機，專用視頻編碼芯片、OMAP5910和藍牙模塊CLASS1(BC04)等部分組成。該藍牙模塊，發射功率約為100 mW(20 dBm)，支持藍牙2.0+EDR協議，最高傳輸速率為3 Mb/s，傳輸距離可達100 m，天線是普通的微帶天線。

視頻編碼部分使用專用視頻編碼芯片。該芯片通過USB口供電和傳輸數據，輸出的視頻碼流可以是MPEG[CD*2]1，MPEG[CD*2]2，MPEG[CD*2]4，MJPG或者H.263格式，輸出圖像的分辨率范圍為64×64～720×576，而且可以根據具體需要修改相應寄存器和編碼參數的設置。

對于TI OMAP5910 SoC，其主要作用是運行嵌入式Linux操作系統，配置專用視頻編碼芯片上的控制寄存器，初始化藍牙模塊，運行和藍牙協議棧相關的應用程序。該SoC有32 MB的SDRAM以及4 MB的FLASH。SDRAM用來運行操作系統，應用程序以及文件系統，FLASH用來存儲內核鏡像文件和文件系統。OMAP5910 SoC中的ARM925MPU可滿足控制和接口方面的處理需要^[2]。

接收端由藍牙模塊CLASS1(BC04)，PC主機和顯示器組成，系統構架如圖1所示。

工作過程為攝像機將外界圖像轉換為視頻信號，將視頻信號傳遞給專用視頻編碼芯片得到標準的MPEG[CD*2]4，MJPEG等格式的碼流，然后再將編碼后的碼流存儲到OMAP5910的SDRAM中，最后通過藍牙模塊CLASS1(BC04)發送出去。接收過程為發送的逆過程，通過藍牙模塊CLASS1(BC04)接收到碼流數據，PC主機部分再進行存儲、解碼等處理，最終將解碼后的圖像送到顯示器進行顯示。

3 軟件設計

3.1 藍牙協議的軟件實現

和許多通信系統一樣，藍牙的通信協議也采用層次式結構。藍牙協議可以分為4層^[3]，即核心協議層、電纜替代協議層、電話控制協議層和可選協議層。藍牙的核心協議包括基帶協議(Baseband)、鏈路管理協議(LMP)、邏輯鏈路控制與適應協議(L2CAP)以及業務搜尋協議(SDP)四部分；電纜替代協議層包括基于TS 07.10的RFCOMM協議；電話控制協議層包括TCS二進制、AT命令集；可選協議根據不同的應用可以包括很多，例如PPP，UDP/TCP/IP，OBEX，WAP，vCard，vCal，IrMC以及WAE等。

除上述協議層外，規范還定義了主機控制器接口HCI(HostControl Interface)，他為基帶控制器、鏈路管理器、硬件狀態和控制寄存器提供命令接口。以HCI作為分界線，將藍牙協議分為底層和應用層。通過HCI來實現底層和應用層的連接。

藍牙通信的具體實現方案有多種，既可以全部由硬件芯片來實現，也可以采用硬件和軟件結合的方法。本系統采用硬件和軟件相結合的方法，其中基帶和鏈路管理由藍牙模塊CLASS1(BC04)實現，并通過HCI交互;L2CAP和SDP等采用軟件實現。藍牙軟件協議棧在系統中的實現如圖2所示。藍牙視頻碼流的發送是當發送端和接收端建立ACL鏈接后，通過SPP(Serial Port Profile)層應用框架進行傳輸。

3.2 發送端的軟件設計

發送端的軟件包括嵌入式Linux操作系統，藍牙軟件和其他應用程序。根據發送端的硬件架構和數據流動方向設計的軟件流程圖如圖3所示。發送端首先將FLASH中的內核鏡像文件解壓到SDRAM中，并運行操作系統，然后初始化藍牙模塊和配置專用編碼芯片，當和接收端建立好ACL鏈路后，發送端分為兩個進程，一個用于采集數據和編碼，另一個用于碼流的轉存和發送，整個系統開始工作。應用程序主要是配置專用視頻編碼芯片來實現不同的視頻編碼模式，參數的設置必須和藍牙的傳輸速率匹配，圖像傳輸的實時性才能得到保證。

3.3 接收端的軟件設計

接收端的軟件包括MPEG[CD*2]4解碼程序，MJPEG(運動的JPEG圖像，即一張張的JPEG圖像的連續播放)解碼程序和藍牙協議棧等相關程序。接收端的簡易流程圖如圖4所示。接收端首先初始化藍牙模塊，根據發送端藍牙模塊的地址與發送端建立ACL鏈路，然后向發送端發送消息，接收碼流數據，并解碼和顯示，整個通信系統建立起來。

通過多線程技術實現了藍牙接收數據和視頻解碼的同步運行，主程序包括藍牙接收數據線程和解碼(包括視頻顯示)線程。由于在Linux系統中一個進程中的線程之間可以共享一些全局變量，這樣通過設計全局的緩存就可以實現解碼線程和藍牙數據接收線程之間數據的交換。由于解碼器的速度大于藍牙接收數據的速度，可以在解碼函數中增加一些必要的等待語句(主要是等待碼流數據)，來實現兩個線程之間的同步。接收端的線程如圖5所示，在創建解碼線程前，先進行視頻模式的選擇，根據不同的視頻模式，創建解碼線程時調用不同的解碼函數。

4 實驗結果和分析

系統傳輸速率的測試，當發送端不停地發送數據，而接收端只進行數據的接收、速率統計，而不進行解碼時，特定位置上的傳輸速率如表1所示，整個測試過程是在空曠地進行的，取多次數據的平均值，通信距離可以達到110 m，增大藍牙模塊的發射功率和天線的增益可以進一步提高藍牙的傳輸距離。

通過表1可以看到，80 m范圍內傳輸速率都比較穩定，在11 Mb/s左右。隨著距離的增加，傳輸速率在80 m后下降比較快。在距離100 m時傳輸速率也能達到803 kb/s。但是藍牙模塊CLASS1(BC04)理論上能達到3 Mb/s的傳輸速率，實際上在80 m內的最高傳輸速率為12 Mb/s左右。在傳輸速率方面，研究發現藍牙傳輸的每一包的數據量的大小對速率影響比較大。當每一包的數據量的大小為1 510×8 b時傳輸速率不到1 Mb/s。當每一包的數據量的大小為3 040×8 b時，傳輸速率最高可以達到12 Mb/s左右。

最終通過配置專用視頻編碼芯片實現了三種模式的實時視頻傳輸：模式1：采用MPEG[CD*2]4編碼，圖像分辨率為352×288，傳輸的速率為512 kb/s，幀率為30 f/s；模式2：采用MPEG[CD*2]4編碼，圖像分辨率為496×384，傳輸的速率為768 kb/s，幀率為30 f/s；模式3：采用MJPEG編碼，圖像分辨率為640×480，幀率為2 f/s，此種模式的傳輸速率主要受信道影響，不用配置。在發送端與接收端距離為20 m時進行測試，主觀圖像質量非常好，三種視頻模式下的實驗結果如表2所示。

對于模式1和模式2，延遲時間都在100 ms以內，基本上滿足實時性的要求。模式3的傳輸數據量比較大，圖像質量比較高，但幀率比較低，延遲較大。

當發送端與接收端距離為100 m時，進行測試，得到的實驗數據如表3所示。此時模式1和模式2圖像質量也比較好，實時性也很好。但模式3丟包嚴重，圖像質量比較差，與其傳輸的數據量太大有關。

關于圖像質量方面，由于無線信道是一種時變信道，存在多徑衰落，位差錯率很高;壓縮后的視頻流是可變速率的，在網絡擁塞或數據突發時，丟包嚴重;當前廣泛應用

的低碼率視頻應用中的視頻壓縮標準，如H.263/H.26L/H.264、MPEG[CD*2]2/4等，使用預測編碼和可變長度編碼去減少幀間的時間和統計冗余，這些措施可增大壓縮率，但會造成視頻信號受傳輸錯誤的影響^[4]。

對于模式1和模式2，碼流格式為MPEG[CD*2]4，由I幀(intra[CD*2]frame)和P幀(inter[CD*2]frame)構成。I幀是獨立編碼的，沒有采用任何參考幀，可獨立解碼，每隔一定時間出現一次;P幀是當前幀和前面的P幀或I幀的差值編碼構成的。如果編碼時全是I幀，很少會出現圖像花的情況，但由于I幀的數據量比P幀的數據量大，傳輸的幀率不會太高，但P幀數量如果太多，盡管幀率可以提高，但P幀使用預測編碼，一旦出現丟包現象，圖像質量會嚴重變壞，直到I幀才可以恢復。經過測試兩個I幀之間有5個P幀可以得到最佳的圖像質量和很高的幀率。對于模式3，碼流格式為MJPEG格式，可以認為每一幀都為I幀，傳輸的數據量較大，但圖像質量比較高。

5 結 語

本文對無線視頻傳輸系統的硬件架構和軟件設計都進行了詳細地說明，實現了三種視頻模式，前兩種模式使用MPEG[CD*2]4編碼，延遲只有100 ms，實時性達到了要求，傳輸距離可以達到100 m，幀率能達到30 f/s。模式3使用MJPEG編碼，圖像質量比較高，幀率可以進一步提高。本文還探討了影響圖像質量和傳輸速率等因素，當接收端不進行解碼時的最高傳輸速率為12 Mb/s。本系統成本低、圖像質量高，可以應用到視頻監控，多媒體娛樂等許多領域。

參 考 文 獻

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”