基于達(dá)芬奇技術(shù)的視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常國(guó)柱，何 維，田增山，譚宇玲

（重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

1 引言

視頻傳輸是一種應(yīng)用非常廣泛的系統(tǒng)，它綜合利用了視頻、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻傳輸系統(tǒng)因其信息全面性和適時(shí)性的特點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)得到很廣泛的應(yīng)用，并且市場(chǎng)潛力巨大。

但是由于第2代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流暢的動(dòng)態(tài)視頻傳輸效果。隨著第3代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，傳輸帶寬已經(jīng)有了很大的改善。從理論上講，CDMA20001x網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)上行最大1.8Mbit/s、下行最大3.1Mbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其完全可以實(shí)現(xiàn)清晰流暢的視頻傳輸效果[1]。筆者設(shè)計(jì)時(shí)采用了第3代移動(dòng)通信模塊MC8630A，可有效地解決第2代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在視頻傳輸中帶寬不足的問(wèn)題。

2 視頻傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要功能模塊分為CPU、智能電源管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和攝像頭等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在圖1中，CPU選用的是采用達(dá)芬奇技術(shù)的具有ARM+DSP雙核的OMAP3530芯片。DSP核負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的處理，由其完成視頻壓縮算法，在本系統(tǒng)中采用的是H.264算法[2]；ARM核完成系統(tǒng)的控制功能和整體調(diào)度。由于獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得其具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，DSP子系統(tǒng)中C64X+新型DSP內(nèi)核的引入極大地提升了它的運(yùn)算能力，從而提高了視頻編解碼的速度。達(dá)芬奇技術(shù)的雙核結(jié)構(gòu)中引入了ARM處理器、相應(yīng)的配套操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序以及軟件方面的參考結(jié)構(gòu)，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制功能。而且針對(duì)DSP與ARM的雙核結(jié)構(gòu)，達(dá)芬奇技術(shù)設(shè)計(jì)了2個(gè)處理核之間通信接口的解決方案，保證2個(gè)處理器的協(xié)同工作。在保持DSP強(qiáng)大計(jì)算能力的基礎(chǔ)上，使芯片能適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要[3]。

TPS65930是TI公司設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)針對(duì)OMAP3530的電源管理芯片。CDMA20001x無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用的是中興通訊開(kāi)發(fā)的MC8630A無(wú)線通信模塊。

MIC2551A芯片是USB單片收發(fā)器，對(duì)OMAP3530和CDMA20001x之間的USB信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接，通過(guò)它給TDM330提供驅(qū)動(dòng)能力和電平轉(zhuǎn)換，而且可根據(jù)CPU忙閑狀態(tài)來(lái)操控信號(hào)傳輸速度，最大限度地提高CPU的使用效率，完成USB通信[4]。

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

達(dá)芬奇參考軟件框架分為應(yīng)用層、信號(hào)處理層和外設(shè)驅(qū)動(dòng)3部分，如圖2所示。

在系統(tǒng)的用戶空間可以添加自己的程序，通過(guò)Codecs Engine 的 VISA（Video，Image，Speech，Audio） API來(lái)調(diào)用DSP端的算法，通過(guò)EPSI（Easy Peripheral Software Interface）API來(lái)訪問(wèn)和操作DaVinci的外設(shè)；信號(hào)處理層通常運(yùn)行在DSP上，負(fù)責(zé)信號(hào)處理、音視頻編解碼算法、Codecs Engine、DSP的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM通信的模塊；驅(qū)動(dòng)層是外設(shè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序[5]。具體實(shí)現(xiàn)分以下3個(gè)步驟完成[6]：算法封裝、算法打包和算法調(diào)用。

3.1 算法封裝

達(dá)芬奇技術(shù)的算法封裝需要支持XDAIS（eXpressDSP Algorithm Interface Standard） 和 XDM（eXpressDSP Digital Media）。XDAIS和XDM繼承了TI DSP在單個(gè)處理器上執(zhí)行各種媒體功能的能力，通過(guò)執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)和eXpressDSP保持一致。

XDM 標(biāo)準(zhǔn)定義了control（）和 process（）這 2 個(gè)API（Application Programming Interface）。control（）提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法，它控制算法實(shí)例，實(shí)時(shí)地從算法中接收狀態(tài)信息。process（）則是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的API。

除了為多媒體Codecs定義標(biāo)準(zhǔn)化的API外，XDM也標(biāo)準(zhǔn)化了從應(yīng)用程序傳到這些API的基本參數(shù)。應(yīng)用程序可以通過(guò)擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義額外的參數(shù)。XDM是XDAIS的擴(kuò)展，它們一起組成了應(yīng)用程序和Codecs組件的接口。XDM把應(yīng)用程序和Codecs組件隔離開(kāi)來(lái)，不必隨著Codecs的改變而改變。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)視頻編碼器通用接口IVIDENC，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體IVIDENC_Fxns如下：

IVIDENC_Fxns VIDENC_X264={

{IALG_Fxns}，

VIDENC_X264_process,

VIDENC_X264_control};

其中 VIDENC_X264_process，VIDENC_X264_control，IALG_Fxns實(shí)現(xiàn)了IALG的接口以及算法和框架的交互。

3.2 算法打包

3.2.1 編解碼服務(wù)器的配置

編解碼服務(wù)器（Codec Server）是一個(gè)二進(jìn)制文件，它集成了編解碼器、框架組件和一些系統(tǒng)代碼。當(dāng)Codec Server運(yùn)行在DSP上時(shí)，使用DSP/BIOS作為其內(nèi)核。Codec Server同時(shí)包含了對(duì)客戶請(qǐng)求的相關(guān)DSP/BIOS線程。Codec Server可以代表實(shí)際的DSP硬件，導(dǎo)入到DSP上的鏡像文件以及正在運(yùn)行的任務(wù)，其配置需要以下2個(gè)步驟：

1）通過(guò)TCF腳本配置DSP/BIOS；

2） 通過(guò) XDC（eXpress DSP Components）配置其他組件， 比如 Framework Components，DSP/BIOS Link，Codecs Engine等。

3.2.2 算法打包的配置

設(shè)計(jì)合理的內(nèi)存映射是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用的128 Mbyte DDR2存儲(chǔ)器，其由ARM端和DSP端共享使用，那么需要分配的內(nèi)存范圍為0x80000000～0x88000000，需要將存儲(chǔ)器分為L(zhǎng)inux，CMEM，DDRALGHEAP，DSPLINKMEM和RESET_VECTOR 5個(gè)部分。設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器映射如表1所示。

表1 存儲(chǔ)器映射表

3.3 算法調(diào)用

達(dá)芬奇技術(shù)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)一般是借助Codec Engine來(lái)調(diào)用算法包。Codecs Engine是一組用來(lái)配置運(yùn)行XDAIS算法的API，它提供VISA接口，用來(lái)與符合XDM的XDAIS算法互動(dòng)。不管算法是運(yùn)行在ARM端，還是DSP端， 也不管操作系統(tǒng)是 Linux，VxWorks，DSP/BIOS或者WinCE，對(duì)算法的接口調(diào)用都是一致的。通過(guò)配置*.cfg可以決定自己的Codecs是運(yùn)行在ARM端還是DSP端。

應(yīng)用程序的代碼（或者其使用的中間件）被稱(chēng)作Codecs Engine API，其包括核心引擎API和VISA API。

本系統(tǒng)使用的算法是符合XDM標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮算法，引擎名在*.cfg文件中指定為videnc_x264。下面描述如何在應(yīng)用程序中調(diào)用算法：

1）調(diào)用核心引擎API中的初始化模塊CERuntime_init（）來(lái)初始化引擎。

2）調(diào)用核心引擎API中的Engine_open（）來(lái)打開(kāi)編解碼引擎。

3）調(diào)用VISA API中的VIDENC_create（Engine_Handle e，String name，VIDENC_Params*params）來(lái)創(chuàng)建一個(gè)編碼算法實(shí)例。

4） 調(diào)用 VISA API中的 VIDENC_control（VIDENC_Handle handle， VIDENC_Cmd id， VIDENC_Dynamic-Params*params， VIDENC_Status*status）來(lái)控制算法實(shí)例。

5）調(diào)用 VISA API中的 VIDENC_process（VIDENC_Handle handle，XDM_BufDesc*inBufs，XDM_BufDesc*out-Bufs，VIDENC_InArgs*inArgs，VIDENC_OutArgs*out Args）來(lái)處理算法。

4 網(wǎng)絡(luò)通信

在CDMA20001x模塊準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)通信之前，需要通過(guò)AT+GSN指令獲得該CDMA20001x模塊的ESN，從CDMA20001x模塊的回碼中提取出8位的ESN字符串，轉(zhuǎn)為長(zhǎng)整型值后將其保存，作為該模塊的標(biāo)識(shí)。然后通過(guò)執(zhí)行 system（“pppd call unicom_ttyUSBS1&”）來(lái)進(jìn)行 CDMA20001x模塊的撥號(hào)連接。最后進(jìn)行PPP撥號(hào)，以便程序控制該模塊的網(wǎng)絡(luò)通信[7]。

5 交叉編譯環(huán)境的搭建

交叉編譯環(huán)境的搭建主要分為以下4個(gè)步驟：

1）安裝目標(biāo)板的Linux支持包軟件。

2）安裝包含實(shí)例、演示程序、Codecs Engine組件、DSP/BIOS Link、XDAIS、XDM頭文件、本地電源管理模塊、Framwork Componeents和 CMEME（contiguous memory allocator）的DVSDK軟件。

3）安裝arm-2009q1-203-arm-none-linux-gnueabii686-pc-linux-gnu.tar.bz2工具鏈。

4）建立NFS。盡管NAND Flash包含文件系統(tǒng)，但是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了方便開(kāi)發(fā)和調(diào)試，要在主機(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)之間建立NFS。

完成之后，對(duì)U-Boot、Linux內(nèi)核、DVSDK軟件進(jìn)行編譯，最后編譯應(yīng)用軟件并復(fù)制文件到目標(biāo)板上運(yùn)行。

6 測(cè)試結(jié)果和分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試，性能指標(biāo)如表2所示。從表2中能看出在采用CDMA20001x進(jìn)行視頻傳輸時(shí)速度高于GSM傳輸，可以克服第2代無(wú)線通信在視頻傳輸中帶寬不足的問(wèn)題，而且傳輸?shù)恼_性和系統(tǒng)延時(shí)等性能指標(biāo)也有了明顯的改善。

表2 視頻傳輸效果對(duì)比

7 小結(jié)

筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的視頻傳輸系統(tǒng)充分利用了第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)帶寬寬、傳輸快的特點(diǎn)克服了帶寬不足的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)測(cè)，本系統(tǒng)可以提供流暢清晰的視頻傳輸效果，隨著第3代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)將會(huì)有更大的發(fā)展。

[1]楊大成.CDMA20001x移動(dòng)通信系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——H.264／AVC[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]彭啟琮.達(dá)芬奇技術(shù)——數(shù)字圖像/視頻信號(hào)處理新平臺(tái)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]OMAP35X applications processor technical reference manual[EB/OL].[2010-05-24].http：//focus.ti.com/docs/prod/folders/print/omap 3530.html.

[5]TALLA D，GOBTON J.Using davinci technology for digital video devices[EB/OL].[2010-05-24].http：//www.inf.pucrs.br/～calazans/graduate/SESD/Seminarios/Using%20DaVinci%20Technology%20for%20Digital%20Video%20Devices.pdf.

[6]成嘉，張文雄，李善勁.基于達(dá)芬奇技術(shù)的H.264視頻編碼器的實(shí)現(xiàn)[J]. 電視技術(shù)，2007，31（12）：34-36.

[7]中興通訊股份有限公司.MC8630A模塊用戶硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)V1.0[EB/OL].[2010-05-24].http：//www.szsiso.com/UploadFiles/2010426117535 36.pdf.