基于Android平臺(tái)的可視對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Android是Google公司推出的基于Linux的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，由于代碼開源，受到很多手機(jī)廠家的青睞。可視對(duì)講系統(tǒng)在Android操作系統(tǒng)未出現(xiàn)之前，軟件研發(fā)一般采用底層語言，容易出現(xiàn)功能單一、產(chǎn)品升級(jí)困難等情況，要在對(duì)講系統(tǒng)中開發(fā)出具有3D圖形效果的界面更是難上加難。鑒于此，本文利用Android平臺(tái)的可移植性、代碼開源等優(yōu)勢，結(jié)合JNI、NDK技術(shù)，提出了基于Android平臺(tái)的可視對(duì)講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)。

JNI[1](Java Native Interface)是Java本地調(diào)用接口，它使得運(yùn)行于Android平臺(tái)的Java程序可以使用C、C++甚至匯編語言編寫的動(dòng)態(tài)鏈接庫。在需要頻繁訪問內(nèi)存或復(fù)雜計(jì)算的情況下，使用C動(dòng)態(tài)鏈接庫比在Android平臺(tái)上使用Java語言實(shí)現(xiàn)相同功能更具有效率[2]。NDK[3](Native Development Kit)提供了一系列的工具，可以生成ARM二進(jìn)制碼的動(dòng)態(tài)庫，并且能自動(dòng)地將生成的動(dòng)態(tài)庫和Java應(yīng)用程序一起打包成Android系統(tǒng)可以直接安裝的apk安裝包，即NDK可以將包含JNI接口函數(shù)的C源程序文件編譯生成動(dòng)態(tài)庫，供Android應(yīng)用程序調(diào)用，提高了對(duì)現(xiàn)有代碼的重用性，而加快了開發(fā)進(jìn)度。

本文提出一種可視對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)講雙方為門口機(jī)和室內(nèi)機(jī)，并將設(shè)計(jì)方案在i.MX51硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。門口機(jī)進(jìn)行音視頻的采集、編碼、傳輸及音頻解碼、播放;室內(nèi)機(jī)采用Android平臺(tái)，但考慮用戶室內(nèi)信息的保密性，室內(nèi)機(jī)沒有視頻采集功能，室內(nèi)機(jī)只進(jìn)行音視頻的解碼、播放以及音頻的采集、編碼、傳輸。

1 可視對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 通信流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議使用面向無連接、資源消耗小、處理速度快的UDP協(xié)議。尋址完成建立UDP直連后，門口機(jī)首先對(duì)視頻進(jìn)行編碼傳輸，直到被叫方按下接聽鍵后，門口機(jī)才對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。為了保證通話一直在線，室內(nèi)機(jī)每隔一定的時(shí)間向門口機(jī)發(fā)送通話在線詢問，如果收到在線確認(rèn)應(yīng)答則保持通話狀態(tài)，否則就結(jié)束通話?？梢晫?duì)講系統(tǒng)通信流程如圖1所示。

表2中：包頭為對(duì)講數(shù)據(jù)包的標(biāo)示符，命令類型、操作類型說明詳見表3，時(shí)間戳主要是用于音視頻的同步，數(shù)據(jù)類型分為音頻和視頻兩種，幀序號(hào)為0~65 535。如果沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)包分段，則總包數(shù)與當(dāng)前包數(shù)均為1。音視頻數(shù)據(jù)從第41位開始算起，音視頻數(shù)據(jù)長度由數(shù)據(jù)包格式中的數(shù)據(jù)長度所指定。

根據(jù)系統(tǒng)通信流程圖1、結(jié)合數(shù)據(jù)包格式，本對(duì)講系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。其中命令類型、操作類型分別與表2數(shù)據(jù)包格式相對(duì)應(yīng)。

1.5 音視頻編解碼選擇

系統(tǒng)音頻編碼選用G.711編碼[4]。G.711是一種由國際電信聯(lián)盟訂定的音頻編解碼方式，擁有一倍的壓縮率，是語音通信中最常用的編解碼方式之一。采樣和量化是音頻編程及聲音數(shù)字化的兩個(gè)關(guān)鍵步驟，本系統(tǒng)使用的音頻采樣頻率為8 kHz、量化位數(shù)為16 bit、單聲道。

FFmpeg是用于音頻和視頻開源方案，由于它的開源和免費(fèi)以及跨平臺(tái)的特點(diǎn)，受到開發(fā)商的青睞。FFmpeg支持包括xvid等在內(nèi)的多達(dá)90種解碼器，由C語言實(shí)現(xiàn)，不僅可以應(yīng)用于PC軟件平臺(tái)，也可以用于嵌入式設(shè)備。本系統(tǒng)中視頻選用xvid編解碼器，視頻格式為MPEG-4。(xvid是一個(gè)開放源代碼的MPEG-4視頻編解碼器)視頻標(biāo)準(zhǔn)采用NTSC制，視頻尺寸為352×240，幀頻為30 F/s;使用NDK提供的交叉編譯工具將包含JNI接口函數(shù)的音視頻編解碼源文件統(tǒng)一編譯成為動(dòng)態(tài)鏈接庫，供Android平臺(tái)調(diào)用。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)為i.MX51 EVK。i.MX51 EVK是由Freescale公司自主研發(fā)的，中央處理器基于ARM Cortex A8核心的i.MX51處理器;主頻可擴(kuò)展到1 GHz;處理器內(nèi)部集成了DDR/DDR2內(nèi)存控制器、OpenGL/OpenVG圖形核心、ATA控制器、以太網(wǎng)控制器等，支持720 p高清視頻播放;指令緩存和數(shù)據(jù)緩存為32 KB，二級(jí)緩存為256 KB;其容量指標(biāo)是之前ARM11產(chǎn)品的2倍，可大大提高CPU的處理能力。同時(shí)處理器內(nèi)部還集成了矢量運(yùn)算的浮點(diǎn)運(yùn)算及信號(hào)處理加速器，為多媒體信息娛樂終端提供了強(qiáng)大的處理核心支持[5]。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用Linux操作系統(tǒng)、eclipse集成開發(fā)環(huán)境。Android SDK[6]版本為2.2，Android NDK版本為android-ndk-r6。使用串口進(jìn)行調(diào)試。

2.2 Android平臺(tái)在i.MX51 EVK上的移植

系統(tǒng)采用4 GB的SD卡存放引導(dǎo)程序、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)等鏡像。引導(dǎo)程序采用U-Boot，Linux內(nèi)核版本為2.6.31。移植流程：Android源碼可以從http：//source.android.com獲取到，編譯好U-Boot、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)以及Android系統(tǒng)鏡像[7]后，設(shè)置i.MX51板上的S1 Boot Switch模式為1100000001，使用ATK工具進(jìn)行鏡像的下載。下載后系統(tǒng)鏡像在SD卡上分布圖如圖3所示。

圖3中，MBR主要存儲(chǔ)SD卡的分區(qū)信息表，起始地址為0 KB。引導(dǎo)程序、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)的起始地址分別為1 KB、1 MB、4 MB。System和Recovery分別各占一個(gè)分區(qū)，System為Android操作系統(tǒng)的鏡像文件所占分區(qū)，Recovery分區(qū)主要是用來備份和還原系統(tǒng)。

2.3 音視頻編解碼實(shí)現(xiàn)

2.3.1 音頻編解碼實(shí)現(xiàn)

音頻編碼與解碼的區(qū)別僅在于調(diào)用的C庫函數(shù)不一樣，音頻編解碼調(diào)用的C庫函數(shù)分別為G711Encoder、G711Decoder(本文以解碼為例)。音頻解碼具體流程如下：

(1)音頻Java本地調(diào)用函數(shù)

在使用音頻解碼的類中編寫Java本地調(diào)用函數(shù)：

public native void G711Decoder(byte[]pcm，byte[]code，int size，int lawflag);

(2)生成頭文件

C庫與Java間需要一個(gè)后綴為“.h”的頭文件來銜接，這個(gè)頭文件通過javah命令生成，javah工具包含在JDK中。JDK是Java的核心，包含Java運(yùn)行環(huán)境、Java工具、Java基礎(chǔ)類庫。