移動無線視頻系統的研究

劉力維+付強

摘要：無線視頻系統在智能社區、安防、智能農業及環境監控等領域有著廣泛的應用[1]。移動無線視頻系統的技術基礎是移動互聯網通信技術、視頻數據采集處理與傳輸技術。本文論述了移動無線視頻系統的研究背景、具體研究方法和取得的成果，在開發和整合各功能模塊的基礎上，構建了完整的移動無線視頻系統，實現了整個系統小型化和可移動的優點，使系統的部署實施和維護更加簡便。

關鍵詞：視頻系統；操作系統；平臺移植；應用開發

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0078-02

1 移動無線視頻系統研究的背景及目標

近年來移動互聯技術獲得了快速發展，新的寬帶接入技術不斷涌現并走向成熟，移動通信與各種寬帶接入技術和短距離無線技術呈現融合發展的態勢，這為移動無線視頻技術的發展創造了良好的條件。本系統的研究目標是將無線網絡通信技術與視頻處理技術有機結合，構建完整的遠程無線視頻傳輸系統。

2 移動無線視頻系統可行性分析

移動無線視頻系統的核心技術難點在于嵌入式LINUX系統下各功能模塊的整合設計[2]，需要充分考慮嵌入式系統資源的限制與系統復雜性之間的矛盾，包括CPU處理能力的限制、內外存容量的限制、網絡傳輸帶寬的限制。

系統平臺的CPU為MIPS 24KEc內核，主頻360MHz，片上包含32KB的指令CACHE和16KB的數據CACHE，支持16位寬64MB SDRAM。系統平臺支持16MB FLASH，經過編譯驗證，支持系統平臺基本功能的LINUX內核映像大小為6MB，經過評估，增加了各模塊驅動及應用程序后，內核映像大小不會超過外存限制。

視頻數據傳輸采用MJPEG格式。MJPEG是一種基于靜態圖像壓縮技術JPEG發展起來的動態圖像壓縮技術，可以生成序列化的運動圖像。其主要特點是只單獨對一幀圖像進行壓縮，不進行幀間圖像壓縮。其壓縮倍數為20～80倍，適合靜態畫面的壓縮，分辨率可從352×288到704×576。因為MJPEG格式保證了單幀圖像數據的獨立性，可以任意剪接。本課題中視頻數據傳輸分辨率為 QVGA（320×240），單幅圖像的數據約為6Kbyte。傳輸速率為25幀每秒，可以計算出MJPEG碼流需要的網絡傳輸帶寬為150KB/s，換算為位傳輸速率大約為1.2MBps左右。無線網絡傳輸模塊的傳輸帶寬為20MBps，能夠滿足無線視頻傳輸的帶寬要求。

3 移動無線視頻系統硬件設計

移動無線視頻系統由視頻采集傳輸系統和運行在手機上的視頻接收播放系統兩部分構成。

視頻采集傳輸系統由處理器平臺、無線網絡傳輸模塊、視頻采集處理模塊組成。系統框圖如圖1所示。

無線視頻接收系統通過WiFi接收無線視頻采集系統發送的視頻信號，并還原為顯示屏視頻。

視頻采集傳輸系統的處理器平臺選用雷凌公司的SOC芯片RT5350，其功能框圖如圖2所示。RT5350集成了MIPS處理器，最小系統集成為一個模塊，包括8兆字節FLASH、32兆字節RAM，支持CPU最高工作主頻為360兆赫茲，片上包含32KB的指令CACHE和16KB的數據CACHE。RT5350SOC提供無線寬帶協議IEEE 802.11n的支持，同時集成了以太網口和USB2.0接口。

視頻采集處理模塊采用沛成科技的集成USB攝像頭模塊IP2970，其功能框圖如圖3所示。該模塊支持最高30幀/秒的視頻信號采集處理，圖像分辨率最高支持640×480。支持視頻信號的自動對焦、自動增益控制和自動白平衡功能。模塊集成了JPEG編碼器，通過USB接口將JPEG格式的圖像數據傳送給主控板。

整個視頻采集傳輸系統采用單電源5伏供電，支持鋰電池作為系統電源。本系統在實現視頻數據無線傳輸功能的基礎上，設計上保證了視頻采集傳輸設備和視頻接收播放設備的小型化和可移動性。使系統的部署實施和維護更加簡便，以便適應無線視頻系統應用復雜的外部環境。

4 移動無線視頻系統軟件設計

本系統軟件設計主要內容為無線視頻采集系統和接收系統的方案設計以及各功能模塊軟件的開發及調試。最終構建移動無線視頻系統來實現視頻數據無線傳輸功能。主要任務有：

（1）操作系統平臺移植。視頻采集傳輸系統的操作系統平臺使用SDK提供的基于2.6.21內核的LINUX操作系統。SDK中對內核配置文件進行了改寫，支持開發者使用內核配置工具進行雷凌公司特定的產品配置。包括產品平臺的選擇，無線模塊工作方式（AP或STA）的選擇和內外存大小的配置等。此外，針對RT5350模塊具體的硬件實現，需要對內核進行裁剪及上板調試，保證內核映像符合硬件模塊的要求。

（2）無線路由模塊的移植調試。RT5350芯片內部集成了一個五端口百兆以太網交換機，同時提供了IEEE802.11n無線網絡協議的支持。通過軟件配置，可以直接作為無線路由器使用。根據無線路由模塊工作方式的不同加載兩套獨立的驅動，分別是rt2860v2_ap和rt2860v2_sta。軟件移植工作包括：修改配置文件將無線模塊配置為無線路由模式，配置LINUX內核提供NAT協議的支持，支持無線路由模塊配置（SSID、密碼等）的保存。

（3）基于USB2.0接口的USB Video驅動的移植。視頻采集模塊IP2970與主控板處理器平臺間采用USB接口進行連接，視頻采集模塊設備驅動采用Linux內核支持的V4L2視頻設備驅動程序。V4L2遵循Linux設備驅動規范，提供視頻設備的打開關閉、格式設置、視頻數據處理功能，以及用于視頻設備控制的ioctl函數。IP2970針對V4L2驅動進行了硬件適配修改，因此，需要將IP2970對V4L2驅動的適配修改移植到RT5350軟件開發包提供的Linux內核中。具體工作包括：驅動設備查詢時對IP2970芯片ID的支持，驅動數據處理中針對IP2970硬件的修改，LINUX驅動編譯文件makefile的修改等。

（4）視頻數據網絡傳輸應用程序的移植。視頻數據的網絡傳輸應用程序基于開源程序uvc_stream實現。uvc_stream是一個開源的Linux視頻服務應用程序。基于USB視頻驅動V4L2，實現視頻數據的采集和網絡傳輸。應用程序作為服務器，通過SOCKET進行網絡連接偵聽，當客戶端通過特定端口進行連接時，啟動連接線程，將攝像頭采集的視頻數據按照設定的幀速率傳輸給客戶端。視頻數據采用MJPEG數據格式，圖像分辨率和每秒傳輸圖像幀數可調整。在本課題中需要完成的工作包括：通過啟動參數進行圖像分辨率和圖像傳輸幀速率的設置，以及將應用程序添加到內核文件系統中。

（5）視頻數據接收顯示安卓應用程序的開發。視頻數據接收設備采用支持WLAN的標準Android平臺，開發基于MJPEG解碼顯示的Android應用程序[3]。其中MJPEG視頻數據解碼部分采用開源程序MjpegInputStream。該程序提供了MJPEG格式網絡視頻數據碼流的獲取和顯示相關方法。在此基礎上，視頻數據接收顯示安卓應用實現了數據源網絡地址和端口號的設置功能，并完成了應用的相關UI設計。終端用戶可以在任何Android設備上安裝App來實現無線視頻接收顯示。增加了系統的靈活性。

5 研究成果

通過本課題的研究，完成了無線路由、視頻數據采集處理、視頻數據網絡傳輸等功能的整合設計，實現了研制無線視頻系統樣機，構建無線視頻傳輸演示系統的預期目標。整個系統具有低成本、高可移植性、應用部署靈活簡便等優點。

系統技術參數如下：

（1）整個系統采用單電源5V供電，系統設計上支持鋰電池作為系統電源。

（2）系統的無線網絡傳輸模塊支持IEEE 802.11n協議，可以作為無線AP單獨使用。

（3）無線視頻傳輸最小距離不小于20米。

（4）攝像頭采用CMOS攝像頭，支持焦距可調，支持自動增益控制和動態白平衡。

（5）網絡傳輸的視頻格式為MJPEG壓縮編碼格式，圖像分辨率為320*240，每秒傳輸圖像為25幀。

6 存在問題及研究展望

目前系統的視頻壓縮采用的是視頻處理引擎提供的硬件JPEG壓縮編碼，與之相對應，視頻網絡傳輸采用的編碼格式為MJPEG。其優點是可以保持圖像的高質量，同時便于視頻的逐幀處理，缺點是視頻傳輸占用的網絡帶寬較大。考慮到無線視頻傳輸系統的規模應用，為了在有限的網絡帶寬下傳輸盡可能多路視頻信號，需要對圖像的壓縮編解碼方法進行優化，可以考慮采用圖像壓縮比更高的算法進行圖像的軟件編解碼。

參考文獻

[1]張秀玲.視頻監控系統研究現狀與發展趨勢[J].科技信息（學術研究），2008（36）.

[2]鄭磊.基于嵌入式Linux的網絡視頻監控系統研究[D].武漢理工大學，2009.

[3]曹曉芳，王超，李杰.一種基于Android智能手機的遠程視頻監控的設計[J].電子器件，2011.