基于XScaIe處理器的視頻通信系統(tǒng)

引 言
隨著后PC時(shí)代的到來(lái)及Internet網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于被局限在PC平臺(tái)上的視頻通信，可以隨時(shí)隨地通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻通信的移動(dòng)設(shè)備有著很大的社會(huì)需求。眾所周知，視頻是一種流特性業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)量很大；另外實(shí)時(shí)視頻通信要求對(duì)視頻圖像進(jìn)行高效率、高比例的壓縮，計(jì)算復(fù)雜度非常高。如果直接采用現(xiàn)有的Pc上的算法，嵌入式設(shè)備有限的電池能源和運(yùn)算能力難以滿足進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻通信的需求，因此需要依據(jù)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而降低運(yùn)算的復(fù)雜度。基于xscale處理器的視頻通信原型系統(tǒng)，初步滿足了移動(dòng)視頻通信的要求，本文將具體介紹該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 系統(tǒng)配置
硬件方面，本系統(tǒng)采用Intel公司的sitsang Board(基于XScale PXA255處理器)作為硬件平臺(tái)，使用以O(shè)V51l為接口芯片的USB Camera作為圖像采集設(shè)備，Symbol公司的Spectrum24 WiFi CF Card作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。系統(tǒng)的砸件結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

軟件方面，操作系統(tǒng)采用Linux-2.4.19-rmk7版本的嵌入式Linux內(nèi)核，圖形界面環(huán)境采用MiniGUI1.3.3.網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用802.11b。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 功能模塊設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)終端需要具備以下功能：根據(jù)用戶需求，①只顯示本地圖像；②只顯示遠(yuǎn)程圖像；③同時(shí)顯示本地圖像和遠(yuǎn)程圖像。為實(shí)現(xiàn)功能選擇的任意性，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，軟件模塊框圖如圖2所示。

①圖像采集模塊。調(diào)用Vide04Linux模塊的API函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)，為系統(tǒng)采集YUV格式的本地實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)。
②圖像顯示模塊?；贛iniGUI 1.3.3圖形庫(kù)編寫(xiě)．并采用MiniGUI中的YUVOverlav技術(shù)直接對(duì)YUV圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
③圖像編碼模塊。采用H.263編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本地圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。
④圖像解碼模塊。采用H.263解碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)遠(yuǎn)程圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。該模塊與圖像解碼模塊共同構(gòu)成本系統(tǒng)的核心。
⑤無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊。采用802．11b協(xié)議，引入了RTP協(xié)議的打包機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了基于UDP傳輸機(jī)制的發(fā)送模塊和接收模塊。

2.2軟件設(shè)計(jì)流程
系統(tǒng)中本地顯示、遠(yuǎn)程顯示、發(fā)送和接收需要并發(fā)執(zhí)行，故系統(tǒng)采用多線程編程技術(shù)。本系統(tǒng)共創(chuàng)建采集、顯示、編碼、解碼、發(fā)送和接收6個(gè)線程，如圖3所示。其中，合理有效的線程間的通信與互斥機(jī)制是保證程序能夠順利高效執(zhí)行的關(guān)鍵。

3 系統(tǒng)性能優(yōu)化
嵌入式設(shè)備計(jì)算能力受限問(wèn)題以及功耗問(wèn)題的存在，使得在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻通信更具挑戰(zhàn)性。這就需要依據(jù)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算資源，設(shè)計(jì)更合理的軟件架構(gòu)，并采用計(jì)算復(fù)雜度更小的算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。下面具體介紹本系統(tǒng)中的優(yōu)化策略。

3.1 軟件框架級(jí)優(yōu)化
在多線程機(jī)制中，各個(gè)線程之間通過(guò)“時(shí)間片”機(jī)制分時(shí)復(fù)用CPU資源。如果不進(jìn)行優(yōu)化，則無(wú)法保證得到時(shí)間片的線程處于有效執(zhí)行狀態(tài)，而需要CPU資源的線程能很快得到時(shí)間片。

本系統(tǒng)中6個(gè)線程之間存在明顯的依賴性。若編碼線程不完成，則發(fā)送線程不會(huì)有數(shù)據(jù)源,若線程切換時(shí)間片為200 ms,則在發(fā)送線程的200 ms中，CPU一直處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，如果不加任何優(yōu)化處理．CPU只有30％左右的時(shí)間處于有效執(zhí)行狀態(tài)。本系統(tǒng)的優(yōu)化策略采用系統(tǒng)調(diào)用usleep()函數(shù)使處于無(wú)效狀態(tài)的線程盡快釋放CPU資源，實(shí)現(xiàn)方法如下：
while(1){
if(該線程標(biāo)志位被觸發(fā)){
……

usleeD(1000)
}

通過(guò)在代碼的適當(dāng)位置插入usleep()函數(shù)調(diào)用，CPU的利用率從30％左右提高到了96％以上，從而大大提高了計(jì)算資源的有效利用率，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

3.2算法級(jí)優(yōu)化
本系統(tǒng)的核心部分由編碼模塊和解碼模塊構(gòu)成。其中編碼模塊的復(fù)雜度要遠(yuǎn)大于解碼模塊的復(fù)雜度，成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。本文主要介紹編碼模塊的優(yōu)化策略。

本系統(tǒng)采用tmn-1.7作為編碼模塊的藍(lán)本。tmn-1.7遵循標(biāo)準(zhǔn)的H.263編解碼標(biāo)準(zhǔn)，所以并沒(méi)有考慮嵌入式設(shè)備的運(yùn)算特性。其中對(duì)本系統(tǒng)影響最明顯的是離散余弦變換算法(DCT)以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法(ME)。下面針對(duì)這兩個(gè)算法提出優(yōu)化方法。

3.2.1離散余弦變換算法
DCT算法把圖像由像素域轉(zhuǎn)換到頻率域后，圖像的大部分能量集中到直流系數(shù)分量以及低頻交流系數(shù)分量上，從而更有利于去除空間冗余信息。

DCT變換的原理是：通過(guò)線性變換x=Hx將N維向量x變換為變換系數(shù)向量x，其中變換核H為：

其中變換核中的元素H(k，n)是無(wú)理數(shù)。這對(duì)大多數(shù)沒(méi)有浮點(diǎn)協(xié)處理器的嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻通信是很大的瓶頸，因此提出將浮點(diǎn)數(shù)DCT變換算法改寫(xiě)成整數(shù)DCT變換算法的方案。

為實(shí)現(xiàn)這一方案，最關(guān)鍵的問(wèn)題就是生成一個(gè)滿足變換核的正交性要求，并且只包含整數(shù)系數(shù)的變換矩陣。其基本思路是將無(wú)理數(shù)擴(kuò)大再取整，即：
Q(k,n)=round(aH(k，n)) (2)
下面依據(jù)本系統(tǒng)所采用的方法，介紹整數(shù)DCT算法。
首先，介紹本系統(tǒng)該算法中的數(shù)據(jù)表示：
int*dataptr――指向臨時(shí)存放DCT系數(shù)的內(nèi)存空間指針：
int*blkptr――指向存放原始?jí)K數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間指針；
int*coeffptr――指向存放最終DCT系數(shù)的內(nèi)存空間指針。

然后，對(duì)相關(guān)系數(shù)以及常數(shù)進(jìn)行放縮。在對(duì)88的塊進(jìn)行DCT變換時(shí)，采用先進(jìn)行行變換，再進(jìn)行列變換的方法。下面以獲取一個(gè)DCT系數(shù)的過(guò)程為例說(shuō)明。
#define CONST__BlTS 13
#deflne PASS BITS 2
#define F1x_0_541196100 ((int) 4433) /*O.541196100
CONST_BITS*/

到此行變換結(jié)束。結(jié)合公式(1)可以看出，經(jīng)過(guò)行變換后比原始的DcT變換放大22倍；同理，再經(jīng)過(guò)列變換后，系數(shù)又增大2、／2倍，即經(jīng)過(guò)行列變換后共放大到8倍。在算法最后，將按比例還原：
block[i]=(short int)(data[i]>>3)；

再通過(guò)zigzag掃描矩陣，將系數(shù)填充到coeff矩陣中：
*(coeff+zigzag[i][j])=*(bLock+i*8+j)；

在整數(shù)DCT算法中，通過(guò)比例放縮消除了浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，并且大多數(shù)乘除運(yùn)算均采用移位方式處理，更符合CPU的運(yùn)算特點(diǎn)，從而大幅度提高了運(yùn)算效率和壓縮速度。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法
運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法用于去除相鄰圖像之間的時(shí)間冗余信息。該算法中，最佳匹配塊搜索算法運(yùn)算量占絕大部分。tmn-1.7編碼器采用螺旋式全搜索算法，雖然準(zhǔn)確度較高，但速度很慢。為了適應(yīng)實(shí)時(shí)視頻通信以及嵌入式設(shè)備運(yùn)算能力較低的要求，本系統(tǒng)采用二維對(duì)數(shù)下降法。

二維對(duì)數(shù)下降法的原理是，通過(guò)快速搜索跟蹤最小MAD點(diǎn)，如圖4所示。以運(yùn)動(dòng)矢量(O，O)點(diǎn)為起始點(diǎn)，以十字形分布的5個(gè)點(diǎn)構(gòu)成每次搜索的點(diǎn)群。如果最小MAD點(diǎn)出現(xiàn)在十字點(diǎn)群的邊緣，則下次搜索以該點(diǎn)為中心，步長(zhǎng)不變；如果最小MAD點(diǎn)出現(xiàn)在十字點(diǎn)群的中心，則下次搜索仍以該點(diǎn)為中心，但步長(zhǎng)減半；如果新的十字形搜索中心出現(xiàn)在搜索窗邊緣，則步長(zhǎng)減半。如此循環(huán)，直到步長(zhǎng)為1，則最小MAD點(diǎn)即為最佳匹配點(diǎn)。

本系統(tǒng)中對(duì)二維對(duì)數(shù)下降法的實(shí)現(xiàn)如下：
whlie(步長(zhǎng)step>=1){
for(當(dāng)前搜索十字點(diǎn)群中的每個(gè)點(diǎn)){
sad=SAD_Macroblock(當(dāng)前搜索塊的指針)；/*獲得SAD值*/if(sadMin_FRAME){/*如果小于當(dāng)前最小SAD值，記錄當(dāng)前信
息*/
}
}
if(最小MAD點(diǎn)是當(dāng)前搜索中心){
step=stet)/2;//更新搜索步徑
}
}

該算法大幅度減少了運(yùn)動(dòng)搜索的搜索次數(shù)，從而大大降低了運(yùn)算量，提高了幀問(wèn)編碼的速率。

4 系統(tǒng)性能分析
下面對(duì)實(shí)時(shí)采集的QCIF圖像序列進(jìn)行測(cè)試和分析。測(cè)試環(huán)境為Intel Sitsang硬件平臺(tái)。此硬件平臺(tái)采用PXA255處理器，主頻400 MHz；64 MB SDRAM;操作系統(tǒng)采用Embeded Linux一2.4.19-rmk7。

實(shí)時(shí)視頻通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)為幀率、圖像壓縮比和信噪比。影響這三個(gè)因素的主要模塊為采集、編碼、解碼以及接收和發(fā)送模塊。以下針對(duì)各模塊進(jìn)行性能分析。

4.1模塊性能分析
(1)采集模塊
Sitsang板上的USB接口為USBl.1類(lèi)型。由表1可知，采集數(shù)據(jù)的速率基本達(dá)到了USBI.1協(xié)議的12 Mbps傳輸能力的上限，因此，采集圖像的速度完全取決于圖像格式及圖像大小。為了保證圖像實(shí)時(shí)性，采用YUV420176144方案。

(2)編碼模塊
編碼模塊經(jīng)過(guò)改寫(xiě)和優(yōu)化，編碼速度得到很大提高，基本可以滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)乃俣纫螅唧w數(shù)據(jù)如表2所列。在當(dāng)前壓縮速率的情況下，還能夠獲得理想的壓縮比和信噪比，從而保證實(shí)時(shí)視頻通信的質(zhì)量，如表3所列。

(3)解碼模塊
經(jīng)過(guò)對(duì)原有程序的裁減和改寫(xiě)，解碼速度可以達(dá)到84 fps。

(4)發(fā)送與接收模塊
本系統(tǒng)采用WiFi CF Card作為網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，采用802.11b協(xié)議，引入了RTP協(xié)議的打包機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了基于UDP傳輸機(jī)制的發(fā)送模塊和接收模塊。802.11b帶寬達(dá)11Mbps，在表3的壓縮比情況下，可傳輸幀率>1000fps，完全滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)囊蟆?BR>
4.2系統(tǒng)性能分析
經(jīng)過(guò)模塊優(yōu)化和系統(tǒng)整合，原型系統(tǒng)在Sitsang板上同時(shí)顯示本地圖像和遠(yuǎn)程圖像可達(dá)8幀/s，基本達(dá)到了實(shí)時(shí)視頻要求。因?yàn)樵谙到y(tǒng)框架設(shè)計(jì)中采用了采集線程一本地顯示線程一編碼線程發(fā)送線程互相抑制的機(jī)制，從而基本實(shí)現(xiàn)了本地端圖像和遠(yuǎn)程端圖像的同步。

結(jié)語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的“基于嵌入式設(shè)備的視頻通信原型系統(tǒng)”雖然只是一個(gè)雛形，但卻完全實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻通信的功能，并為在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻通信提供了可行的框架和思路。該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，為在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議以及可視電話系統(tǒng)提供了有價(jià)值的參考。