基于ARM平臺交互式演示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)多種屏幕之間便捷的內(nèi)容共享，提出了一種基于ARM平臺的交互式演示系統(tǒng)的設(shè)計方法，能夠徹底擺脫線纜的束縛，實現(xiàn)方便快捷的屏幕內(nèi)容共享。該系統(tǒng)由基于ARM平臺的演示終端、基于PC平臺內(nèi)容共享端及智能遙控終端三部分組成，其中基于PC平臺內(nèi)容共享端采用跨平臺設(shè)計，負責(zé)將捕獲到的屏幕信息通過改進后的RFB協(xié)議發(fā)送給演示終端，演示終端基于ARM平臺，負責(zé)將接收到的信息進行解碼并通過HDMI或VGA接口將圖像信息顯示在投影儀等顯示設(shè)備上;智能遙控終端是一個運行在智能手機平臺的應(yīng)用軟件，能夠通過無線局域網(wǎng)與PC機實現(xiàn)互聯(lián)，從而實現(xiàn)遠程控制的功能。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有使用方便、成本低、占用帶寬小、實時性高的優(yōu)點。

在近年來隨著科技的快速發(fā)展以及智能設(shè)備的普及，人們工作生活中的多媒體設(shè)備已經(jīng)從傳統(tǒng)的以個人電腦和電視機為主，轉(zhuǎn)變成桌面電腦、智能手機、平板電腦和電視機共同存在。越來越多的電子設(shè)備已擺脫了“有線”的制約，能夠通過無線的方式實現(xiàn)互聯(lián)及信息傳遞，然而在傳統(tǒng)的教學(xué)課堂及辦公會議等需要進行演示及內(nèi)容分享的場合，屏與屏之間的信息交互還是采用有線的方式進行連接，演講者通常需要坐在特定的位置以方便通過線纜與投影設(shè)備相連，如果有其他演講者需要使用投影設(shè)備，則經(jīng)常需要換位置重新連接投影設(shè)備才能完成演講者的切換，另一方面現(xiàn)有一些成熟的屏幕內(nèi)容共享系統(tǒng)，例如微軟的遠程桌面協(xié)議、x系統(tǒng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)計算，主要針對PC機與PC機之間的屏幕共享，硬件成本較高。

針對以上問題，文中提出了一種基于ARM平臺交互式演示系統(tǒng)的設(shè)計方法與具體實現(xiàn)。該系統(tǒng)由基于ARM平臺的演示終端、基于PC平臺內(nèi)容共享端及智能遙控終端三部分組成，其中演示終端基于ARM平臺，通過HDMI或VGA接口與投影儀等顯示設(shè)備相連接;基于PC平臺內(nèi)容共享端采用多線程并發(fā)設(shè)計，將視頻的接收、解碼、顯示分線程獨立處理，在提高程序的健壯性的同時并降低了程序的耦合性，智能遙控終端則是一個運行在智能手機平臺的應(yīng)用軟件，能夠通過藍牙與PC機實現(xiàn)互聯(lián)，從而實現(xiàn)遠程控的功能，以達到擺脫線纜束縛、降低成本、提高畫質(zhì)的目的。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

本系統(tǒng)由基于ARM平臺的演示終端、基于PC平臺內(nèi)容共享端及智能遙控終端三部分組成，其中演示終端通過WiFi網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)容共享端相連，從而徹底擺脫了“線纜”的束縛，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

為降低系統(tǒng)運行成本，演示終端采用的就是帶圖形加速功能的嵌入式多媒體應(yīng)用處理器BCM2835作為演示終端的主控芯片，上面搭載嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要完成內(nèi)容的

接收、解碼、顯示等功能，能夠通過hdmi、DVI、VGA等多種接口連接智能電視、液晶顯示器等屏幕。另一方面，基于PC平臺內(nèi)容共享端采用跨平臺設(shè)計，整個軟件構(gòu)建在QT平臺之上，借助QT平臺良好的跨平臺特性，通過捕獲屏幕，并將內(nèi)容通過改進的RFB協(xié)議發(fā)送給演示終端，從而達到屏幕共享的目的。

另一方面，為方便用戶遠程控制需要分享的內(nèi)容，本系統(tǒng)提供了一個支持Android/Windows Phone平臺的遠程軟件，通過在智能手機上安裝該，將智能手機變成了一個名副其實的“電子教鞭”，從而達到遠程控制、翻頁等功能。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ARM平臺的交互式演示系統(tǒng)主要分為3個部分：基于ARM平臺的演示終端、基于PC平臺內(nèi)容共享端、智能遙控終端。

1)其中的基于PC平臺內(nèi)容共享端是整個系統(tǒng)的核心，所有的數(shù)據(jù)交互都是通過這個服務(wù)實現(xiàn)的，換句話說這個服務(wù)器也就是整個系統(tǒng)的核心大腦，它負責(zé)捕捉和封裝PC的桌面圖像和發(fā)送幀緩沖刷新。

2)基于ARM平臺的演示終端采用改進后的RFB協(xié)議來接收幀緩沖更新投影機的桌面圖像，通過對幀緩沖數(shù)據(jù)進行解碼再經(jīng)過圖像顯示模塊把圖像顯示出來。

3)智能遙控終端通過無線局域網(wǎng)與運行在PC平臺的內(nèi)容共享端進行交互，共享端收到指令后，能夠?qū)崿F(xiàn)ppt翻頁、全屏等功能。

圖2所示是系統(tǒng)主要的兩大塊內(nèi)容和其內(nèi)部的詳細模塊結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出每個實體部分所包含的子模塊和子模塊的負責(zé)的功能。

演示終端與基于PC平臺的內(nèi)容共享端通過信息交互模塊采用RFB協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)互通，內(nèi)容共享端首先需要發(fā)連接請求到演示終端，雙方進行協(xié)議交互驗證后，連接成功后，基于PC平臺內(nèi)容共享端通過圖像捕捉模塊來獲取窗口界面信息，并經(jīng)過圖像編碼后發(fā)送到演示終端，演示終端接收到數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)解析模塊進行圖像解碼，調(diào)用調(diào)色板等操作，

并將解碼后的圖像信息通過圖像顯示模塊顯示在大屏幕上，為節(jié)約帶寬，實時更新模塊負責(zé)監(jiān)控共享內(nèi)容是否發(fā)生了變化，如果發(fā)生了，則只發(fā)生發(fā)生內(nèi)容改變的矩形區(qū)域信息給演示終端，從而達到節(jié)約帶寬的目的。

智能遙控終端為基于ARM平臺的交互式演示系統(tǒng)增添了遠程控制的優(yōu)點，從而可以實現(xiàn)遠程控制PC端中的PPT翻頁等行為，由于只需安裝一個APP軟件就可以將Android/Wind ows phone手機變成一個遠程遙控端，實現(xiàn)遠程控制，因而使用非常便捷。

2.2 RFB協(xié)議的改進

RFB是一個遠程圖形用戶的簡單協(xié)議，由于工作在幀緩存級別上，故可用于所有的窗口系統(tǒng)，目前不少屏幕共享軟件就采用該協(xié)議，如VNC，但由于RFB協(xié)議沒有對應(yīng)用場景進行優(yōu)化，因此存在占用帶寬較大的缺點。另一方面，由于在屏幕共享過程中大部分場景主要是文字、圖片的內(nèi)容共享。

針對傳統(tǒng)RFB協(xié)議占用帶寬大的問題，提出一種根據(jù)針對文字、圖片內(nèi)容共享的更新機制，其更新思想為，僅同步內(nèi)容已發(fā)生變化的區(qū)域，具體的說，就是通過檢測前一幀圖像數(shù)據(jù)與當(dāng)前幀數(shù)據(jù)的梯度變化信息，找出需要更新的數(shù)據(jù)，再將需要更新的區(qū)域內(nèi)容傳遞給對端。區(qū)域更新算法如下：

函數(shù)ContentUpdate通過檢測前后兩幀圖片各相素點的梯度變化情況，當(dāng)梯度變化大于指定閾值時，說明內(nèi)容發(fā)生了變化，則通過record函數(shù)記錄像素點的位置信息，并將需要同步的內(nèi)容發(fā)送給對端，即演示終端。

2.3 演示終端的實現(xiàn)

考慮到成本，選用樹莓派作為演示終端的硬件平臺，樹莓派是由英國樹莓派基金會所開發(fā)，目的以低價硬件及自由軟件刺激在學(xué)校的基本的電腦科學(xué)教育，該平臺銷售價格僅為35美元，卻擁有ARM1176JZF-S核心(ARM11系列)，配有視頻輸出RCA視頻，支持PAL和NTSC制式，支持HDMI(1.3和1.4)，分辨率為640 x 350至1920 x 1200支持PAL和NTSC制式，可以方便的與投影機、顯示器、電視機等圖像顯示設(shè)備連接，下圖3為演示終端硬件連接圖。

如圖3所示，演示終端支持HDMI接口，也可通過轉(zhuǎn)換器將HDMI轉(zhuǎn)為VGA接口，以向下兼容。平臺運行Linux2.6.30內(nèi)核，布置非常簡單，僅需通過替換SD卡上的內(nèi)核文件即可達到升級系統(tǒng)的目的;

演示終端負責(zé)的主要功能包括：1)信息交互模塊，接受局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器的請求，通過三次握手建立TCP/IP連接，驗證服務(wù)器發(fā)送過來的RFB協(xié)議版本號等信息;2)數(shù)據(jù)解析模塊，接受服務(wù)器端發(fā)送過來的屏幕幀緩沖的更新消息，將得到的消息進行解碼;3)實時更新模塊，把解碼后的數(shù)據(jù)送到顯示緩存，還原并在顯示設(shè)備上顯示服務(wù)器的桌面信息;4)更新請求模塊，更具配置客戶端主動請求更新，其具體流程圖如圖4所示。

2.4 基于PC平臺內(nèi)容共享端的實現(xiàn)

基于PC平臺內(nèi)容共享端采用跨平臺設(shè)計，其軟件架構(gòu)圖如圖4所示。

由于整個軟件構(gòu)建在QT平臺之上，因此不需要更改代碼，僅需要重新編譯即可支持包括Windows、Linux在內(nèi)的多個平臺，其中各個模塊的功能描述如下：1)信息交互模塊：這個模塊主要負責(zé)處理與演示終端建立連接、數(shù)據(jù)的發(fā)送接受、終止連接等，以及相關(guān)信息的驗證;2)圖像捕捉模塊：這個模塊主要負責(zé)捕捉桌面圖像，并把圖像傳給圖像處理模塊;3)圖像處理模塊：這個模塊的主要功能是把屏幕圖像信息進行壓縮編碼處理，然后把信息傳給信息交互模塊;4)實時更新模塊：通過設(shè)定計時器定時獲取屏幕的信息進行處理，每隔一定時間檢查有沒有更新，如果有更新則把更新區(qū)域通過圖像處理模塊處理后再傳送給信息交互模塊;5)網(wǎng)絡(luò)通信模塊：這個模塊主要完成RFB協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)連接部分工作;6)遠程控制模塊：連接建立后，手機控制終端通過按鈕控制PPT翻頁。

2.5 智能遙控終端的實現(xiàn)

考慮到目前智能手機的廣泛使用以及遠程控制的實際需求，我們設(shè)計了一個APP軟件，該軟件目前支持Android及Windows phone平臺，該軟件主要包括界面、遠程連接模塊兩部分，該軟件具有自動發(fā)現(xiàn)演示終端的功能，能夠自動檢測到在同一局域網(wǎng)內(nèi)的正在運行內(nèi)容共享端，當(dāng)檢測到有多個共享端運行時，可根據(jù)用戶的輸入進行選擇，并與之建立連接，從而達到遠程控制的目的。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

3.1 測試環(huán)境準備

為更好的說明本系統(tǒng)的演示效果，本文設(shè)計了三組實驗進行測試：1)演示功能測試，包括word文檔、ppt文檔的內(nèi)容共享效果測試;2)手機遠程控制功能測試;3)與目前現(xiàn)有屏幕共享軟件的性能比較測試。

具體測試環(huán)境如下：54M無線路由器一臺，用于搭建無線局域網(wǎng)，用于屏幕內(nèi)容分享演示的筆記本兩臺，均采用Windows平臺、1280x800的屏幕分辨率，通過WiFi信號連入同一個網(wǎng)絡(luò);智能手機一臺，上面安裝了遠程控制端APP。

3.2 功能測試及結(jié)果

根據(jù)實驗計劃，分別測試了word文檔、ppt文檔的演示效果及手機遠程控制功能，其測試流程如下：

1)打開基于ARM平臺的演示終端，并通過VGA接口與顯示器相連，同時演示終端通過tcp/ip網(wǎng)絡(luò)與無線路由器A相連，并在顯示器上顯示演示終端目前獲取的動態(tài)IP地址。

2)筆記本運行內(nèi)容共享端軟件，并輸入演示終端的IP地址。

3)分別運行word及ppt文檔，檢測與演示終端相連顯示器上的內(nèi)容是否與筆記本上的內(nèi)容一致。

4)在手機上運行遠程控制軟件，執(zhí)行翻頁功能，觀察執(zhí)行效果。

其測試結(jié)果分別如圖5、圖6所示。圖中樹莓派通過hdmi轉(zhuǎn)VGA接口與液晶顯示器相連接，筆記本通過網(wǎng)絡(luò)將屏幕上的內(nèi)容共享至樹莓派連接的顯示器上。

為有效評估在各個應(yīng)用場景下各軟件帶寬占用率的不同，測試內(nèi)容分為文字為主和以視頻播放為主的屏幕內(nèi)容共享，為保證測試結(jié)果的可比性，測試時采用同一個路由器，具體測試用例描述如下

測試結(jié)果表明：該交互式演示系統(tǒng)能夠徹底擺脫線纜的束縛，實現(xiàn)方便快捷的內(nèi)容共享，與傳統(tǒng)屏幕共享軟件相比，具有延時小的優(yōu)點。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了一種基于ARM平臺交互式演示系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)使用戶徹底擺脫了線纜的束縛，能夠在較低的成本下通過無線網(wǎng)絡(luò)無縫的將需要共享的內(nèi)容投射到指定的屏幕如液晶電視、投影儀等顯示設(shè)備。實驗表明，具有使用方便、成本低、占用帶寬小、實時性高的優(yōu)點，能夠滿足日常會議等場合內(nèi)容共享的需求，具有一定的應(yīng)用前景與推廣價值。