基于OMAP4460 低帶寬無線傳輸控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 艷

(公安部第一研究所，北京 100048)

在山區(qū)或經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)等地區(qū)，無線基站和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備未及時(shí)更新?lián)Q代，應(yīng)急指揮和安裝部署的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境異常惡劣，無線網(wǎng)絡(luò)的上行和下行通道的帶寬較窄，在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸音視頻數(shù)據(jù)常常會(huì)出現(xiàn)馬賽克、卡頓和視頻擁塞等現(xiàn)象。因此，無線移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)亟需解決在低帶寬情況下實(shí)現(xiàn)高清碼流的實(shí)時(shí)傳輸和流暢播放的問題。音視頻播放不流暢的主要原因是無線網(wǎng)絡(luò)通道常受到多徑效應(yīng)、終端數(shù)量多等環(huán)境因素的影響，數(shù)據(jù)傳輸易導(dǎo)致高誤碼率、傳輸延遲和抖動(dòng)。在低帶寬的無線通道中傳輸實(shí)時(shí)音視頻是否能夠達(dá)到流暢播放的效果，是衡量無線移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)。

OMAP4460 是專門為便攜式低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新一代開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、GPS 系統(tǒng)和移動(dòng)終端等設(shè)備［1］。由于OMAP4460 的I/O 管腳大多為1.8 V，與同性能的雙核芯片相比OMAP4460 具有功耗低的優(yōu)勢(shì)。OMAP4460 采用45 nm CMOS 工藝制作芯片，可實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的處理器性能，是業(yè)界同性能芯片中小體積的芯片。因此，OMAP4460 適合作為低功耗、小體積的無線傳輸嵌入式設(shè)備的平臺(tái)。

根據(jù)易隱蔽、功耗低和便攜性強(qiáng)的應(yīng)用需求，本文提出基于OMAP4460 雙核芯片研制小型便攜式音視頻采集設(shè)備，研究壓縮傳輸和流媒體服務(wù)器技術(shù)，解決低帶寬實(shí)際應(yīng)用中碼流的中斷、延遲和阻塞等問題，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)信道的音視頻流暢播放。

1 總體方案

OMAP4460 采集設(shè)備處理音視頻信號(hào)并對(duì)其編碼后，通過無線路由器或手機(jī)透?jìng)鲗⒋a流實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)。碼流傳輸采用控制流和媒體流交換分離的機(jī)制，控制流由后臺(tái)音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web 服務(wù)器集中管理，媒體流是通過網(wǎng)絡(luò)的處理交換以分布式的形式分發(fā)至媒體服務(wù)器。這種設(shè)計(jì)機(jī)制避免了處理媒體流的性能壓力而造成系統(tǒng)瓶頸，可支持多種采集設(shè)備的接入和擴(kuò)展。其碼流的傳輸框架如圖1 所示。

圖1 采集設(shè)備的無線傳輸框架

2 硬件設(shè)計(jì)

OMAP4460 是TI 公司推出架構(gòu)先進(jìn)的雙核嵌入式處理器。其CPU 主頻為1.5 GHz，GPU 主頻為400 MHz，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和較高的控制能力［2］。該芯片具有兩個(gè)基于對(duì)稱多處理SMP 架構(gòu)的低功耗、高性能的ARM Cortex－A9 MP Core 處理器，雙通道LPDDR2 內(nèi)存控制器和Power VR SG540圖形核心。IVA3 多媒體加速器可在低功耗級(jí)別下提供高性能硬編解碼器，提供靈活的可編程DSP，支持全高清的1 080p多標(biāo)準(zhǔn)的音視頻編解碼。根據(jù)設(shè)備活動(dòng)、操作模式和設(shè)備溫度采用SmartReflex2 技術(shù)對(duì)電壓、功率和頻率等進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制［3］。OMAP4460 芯片的接口框圖如圖2 所示。

圖2 OMAP4460 芯片及其外圍接口

OMAP4460 設(shè)備以音視頻編解碼芯片OMAP4460 為主處理器來實(shí)現(xiàn)音視頻編碼。硬件設(shè)計(jì)以編碼芯片為核心［4］，由音視頻編碼模塊、電源管理模塊、WiFi 通信模塊、TF 卡存儲(chǔ)模塊和外圍接口模塊構(gòu)成，充分利用OMAP4460 的高速處理能力，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，如圖3 所示。

OMAP4460 通過MIP CSI1/CSI2 或并行MIPI 接入兩路視頻，支持200 萬、300 萬和500 萬像素的攝像頭模塊［5］。媒體處理子系統(tǒng)ISS 采集SL2 接口的原始視頻數(shù)據(jù)，通過SIMCOP、ISP 和BTE 將數(shù)據(jù)處理成指定格式。TWL6041 音頻芯片通過PDM 接口與OMAP4460 傳輸音頻數(shù)據(jù)，ABE 引擎中的AE 子系統(tǒng)完成采樣轉(zhuǎn)換、濾波等操作。WG7500 芯片支持WiFi/BT/FM/GSM 數(shù)據(jù)通信，通過MMC 接口進(jìn)行通信。電源模塊支持5 V 供電模式，整體功耗小于1 W。5 V 電源接入后LDO 進(jìn)行配電，由TPS6532 轉(zhuǎn)換供其他芯片和管腳使用。

3 低帶寬碼流傳輸算法

無線通道容量隨基站與移動(dòng)終端間距離變化波動(dòng)，由于多徑頻道干擾、陰影噪聲擾動(dòng)等因素影響，造成無線信道高誤碼率［6］。無線網(wǎng)絡(luò)帶寬受到限制，數(shù)據(jù)發(fā)送速率無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動(dòng)。突發(fā)性丟包和過長延遲對(duì)播放質(zhì)量有較大的影響。因此，低帶寬下高效傳輸實(shí)時(shí)高清媒體流是無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)低帶寬媒體流傳輸控制機(jī)制，基于流媒體的RTP/RTCP 協(xié)議彌補(bǔ)了TCP 不足，實(shí)現(xiàn)端到端的實(shí)時(shí)傳輸和差錯(cuò)控制，提供擁塞控制、流量控制、時(shí)間信息和流同步等功能完成音視頻播放服務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)低帶寬下無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸高清音視頻，有效降低媒體流的碼率而不影響播放效果是低帶寬傳輸?shù)年P(guān)鍵。碼率控制分為編碼處理和接收反饋兩部分。編碼處理可進(jìn)行幀級(jí)和宏塊級(jí)控制［7］。固定比特控制CBR 由復(fù)雜度估計(jì)、解碼緩沖和網(wǎng)絡(luò)帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整QP 值輸出碼率。可變比特控制VBR 由視頻源和運(yùn)動(dòng)快慢等調(diào)節(jié)比特率。假設(shè)B 為雙向預(yù)測(cè)，P 為前向預(yù)測(cè)，I 為幀內(nèi)預(yù)測(cè)，優(yōu)化幀間量化值的算法公式為

圖3 硬件電路的正反面設(shè)計(jì)

根據(jù)無線信道的帶寬變化的速度修改值，根據(jù)以下改進(jìn)的公式進(jìn)行調(diào)整

無線信道帶寬的變化影響QP 值，改進(jìn)QP 值的計(jì)算公式為

QP 值由I 幀和P 幀進(jìn)行編碼，根據(jù)傳輸延遲合理調(diào)整量化值的控制參數(shù)，調(diào)整參數(shù)的策略如下:

由網(wǎng)絡(luò)帶寬合理計(jì)算量化值，設(shè)計(jì)音頻播放線程和視頻播放線程，減少了傳輸延遲和數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象。其流程框圖見圖4。

圖4 算法的實(shí)現(xiàn)流程圖

4 測(cè)試與分析

在應(yīng)急事件和邊遠(yuǎn)山區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，長時(shí)間測(cè)試研制的 OMAP4460 設(shè)備的實(shí)時(shí)播放性能和穩(wěn)定性。OMAP4460 設(shè)備的音視頻傳輸流程:

1)OMAP4460 設(shè)備采集音視頻，編碼后實(shí)時(shí)傳輸至轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。

2)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備24 h 不間斷工作，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的音視頻碼流，并將碼流以低碼率傳輸機(jī)制分別轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)服務(wù)器和手機(jī)監(jiān)控端。

3)服務(wù)器接收并解碼OMAP4460 設(shè)備采集的媒體流，在PC 端進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，同時(shí)手機(jī)對(duì)接收的媒體流進(jìn)行解碼并實(shí)時(shí)播放碼流。

在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，分別測(cè)試研制的OMAP4460 設(shè)備的媒體傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力，見表1。

表1 研制的OMAP4460 設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果

在上行帶寬和下行帶寬共20 Mbit/s 的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測(cè)試該設(shè)備，得出媒體流實(shí)時(shí)播放流暢，分辨率可達(dá)720×576，傳輸延時(shí)小于1 s。在惡劣的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，比如網(wǎng)絡(luò)帶寬小于512 kbit/s，基于海思Hi3512 芯片和TI 的DM365 芯片的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和編碼器實(shí)時(shí)傳輸音視頻碼流時(shí)，出現(xiàn)延遲大、卡頓、馬賽克和播放不流暢等現(xiàn)象。而該設(shè)備采用低碼率傳輸算法實(shí)時(shí)編解碼媒體流，占用的帶寬可降至2.4 kbit/s以下，有效降低了媒體流的碼率，平均提高幀率3 ～4 f/s(幀/秒)，提高了媒體流傳輸?shù)馁|(zhì)量和播放的流暢度，見表2 ～3。

表2 前期產(chǎn)品海思Hi3512 設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果

表3 前期產(chǎn)品TI DM365 設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果

研制的OMAP4460 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)播放、本地存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、錄像、自動(dòng)開關(guān)機(jī)、遠(yuǎn)程控制和設(shè)備配置等功能，具有視頻監(jiān)控設(shè)備的控制、播放和轉(zhuǎn)發(fā)的性能，其音視頻播放界面和控制界面如圖5 所示。

圖5 音視頻播放界面和控制界面(截圖)

5 結(jié)束語

本文采用OMAP4460 平臺(tái)研制小型便攜式無線音視頻設(shè)備，設(shè)計(jì)低帶寬數(shù)據(jù)傳輸算法提高媒體流在惡劣無線環(huán)境中的性能表現(xiàn)和適應(yīng)性，充分發(fā)揮OMAP4460 高性能雙核處理器的低功耗和小體積的硬件特性。研制的無線設(shè)備具有良好的便攜性和偽裝性能，具備功能穩(wěn)定和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在應(yīng)急事件和邊遠(yuǎn)山區(qū)等作戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)。

［1］TI.Texas OMAP44xx application processor technical reference manual［EB/OL］.［2015－07－12］.http://www.ti.com/lit/ug/swpu235ab/swpu235ab.pdf.

［2］TI. Texas TVP5158 data manual［EB/OL］.［2015－07－12］.http://www.ti.com.

［3］TI. Texas TPS65930 integrated power management data manual［EB/OL］.［2015－07－12］.http://www.ti.com.

［4］張起貴，張勝，張剛. 最新DSP 技術(shù):“達(dá)芬奇”系統(tǒng)、框架和組件［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［5］Texas Instruments Inc.Davinci mulimedia application interface［EB/OL］.［2015－07－12］.http://processors.wiki.ti.com/index.php/Davinci_Multimedia_Application_Interface.

［6］LIU Yakun，CHENG Xiaodong.Design and implementation of embedded Web server based on arm and Linux［C］//Proc.2010 2nd Internatioanal Conference on Industrial Mechatronics and Automation.Wuhan:IEEE Press，2010:410－416.

［7］KUANG Shunming，HE Xiaojian.Design and application of CMOS device driver based on S3C2440［C］//Proc.the Tenth International Conference on Electronic Measurement ＆ Instruments.［S.l.］:IEEE Press，2011:113－119.