基于A(yíng)RM9的視頻采集傳輸系統

　　隨著(zhù)多媒體技術(shù)及寬帶網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)的發(fā)展，視頻采集及傳輸系統作為遠程視頻監控、可視電話(huà)會(huì )議和工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的一項核心關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)也得到了飛速的發(fā)展。本文所提出的系統是在新一代基于ARM926EJ-S微處理核的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺上進(jìn)行的，并將國際上流行的MPEG-4壓縮編解碼技術(shù)和流媒體傳輸技術(shù)相結合。該系統具有較強的實(shí)時(shí)性、可交互性及便攜性。

1 系統開(kāi)發(fā)硬件平臺

　　本設計采用的開(kāi)發(fā)平臺是Freescale i.MX家族的MC9328MX21，作為整個(gè)系統的核心微處理器，其ARM926EJ-S核提供了加速的Java支持和高度整合的系統功能模塊，如片上模塊包括圖像加速模塊、LCD控制器、USB控制模塊、CMOS傳感器接口及同步串口等，為開(kāi)發(fā)者進(jìn)行多媒體應用開(kāi)發(fā)提供了豐富的外圍接口。核心板上集成了64MB SDRAM以及16MBFlash存儲器，底板資源包括4個(gè)四線(xiàn)RS-232串口、1個(gè)10 Mbit·s-1／100 Mbit·s-1自適應以太網(wǎng)接口及音視頻采集設備，為系統設計時(shí)的交叉編譯及多媒體數據的處理提供了方便。

　　系統的關(guān)鍵外圍設備、視頻數據的采集所使用的CMOS圖像傳感器OV9640，與傳統的CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，并且OV9640支持VGA、QVGA、CIF等多種解析度，支持的數據格式包括YCrCb 4：2：2、GRB 4：2：2和RGB：RawData這3種，圖像幀傳輸速率達30幀／s。傳感器通過(guò)CSI模塊進(jìn)行圖像數據的采集，然后通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)傳輸至PRP(eMMA Pre-processor)，在PRP中調整圖像大小并轉換成合適的顏色空間。PRP的輸出分成2個(gè)通道，通道1輸出RGB565格式數據作為L(cháng)CD的顯示，通道2輸出YUV420格式數據進(jìn)行MPEG或者JPEG編碼。

　　MC9328MX21的CSI模塊有一個(gè)8位輸入端口，如果傳感器的傳輸超過(guò)8位數據，圖像傳感器通常作為從設備通過(guò)I2C端口控制。底層的協(xié)議是I2C，高層的協(xié)議則由傳感器確定。在這里，圖像傳感器的主時(shí)鐘由MC9328MX21提供。

2 系統的軟件系統設計

2.1 搭建交叉編譯環(huán)境

　　由于嵌入式系統選用的是開(kāi)源的基于A(yíng)RM微處理器的系統內核ARM-Linux，而在開(kāi)發(fā)板上沒(méi)有足夠的資源運行開(kāi)發(fā)調試工具，所以必須首先搭建好交叉編譯調試環(huán)境。首先，需要通過(guò)在編譯時(shí)指定target=arm-linux生成適合ARM平臺的binutils，它包括了ld、ar和as等一些生成和處理二進(jìn)制文件的工具。然后，編譯生成GCC(GNU Compiler Collection)，它能夠支持多種高級語(yǔ)言，如C，C++等，需要注意的是，在編譯GCC時(shí)需要ARM-linux內核頭文件的支持，所以首先需要配置內核#make menuconfig ARCH=ARM來(lái)生成對應ARM內核的頭文件，這樣就可以在配置編譯GCC時(shí)通過(guò)with-headers選項指定編譯所需頭文件。最后，還需要編譯生成許多用戶(hù)層應用都要用到的函數庫glibc，所有動(dòng)態(tài)鏈接的程序都要用到它，在編譯時(shí)需要注意的是打開(kāi)--enable-add-ons選項，這個(gè)開(kāi)關(guān)將打開(kāi)glibc的附加包，因為我們需要用到linu-xthreads。這樣，一個(gè)嵌入式ARM-linux下的交叉編譯環(huán)境就已搭建成功。

2.2 編譯制作內核及文件系統

　　通過(guò)make menuconfig配置內核選項，其中的一些關(guān)鍵設置包括指定System Type時(shí)打開(kāi)ARM926T CPUidle、I-Cache 0n和D-Cache，并且由于在進(jìn)行應用軟件開(kāi)發(fā)時(shí)需要ARM-linux內核支持frame buffer技術(shù)，所以還需要打開(kāi)Console drivers中的Frame-buffer sup-port。然后，make boot就可以編譯生成定制好的內核映像文件Image，將制作好的系統內核和文件系統通過(guò)宿主機的TFTP服務(wù)燒寫(xiě)進(jìn)開(kāi)發(fā)板的Flash存儲器。這樣就完成了板上可獨立運行的操作系統的設計。

2.3 視頻數據的采集、編碼和傳輸的實(shí)現

　　這部分的工作是整個(gè)設計的核心。MPEG-4在1999年初正式成為國際標準，與之前的標準相比，它更加重視多媒體系統的交互性和靈活性，主要針對視頻會(huì )議、可視電話(huà)的超低比特率編碼等多媒體應用。目前在嵌入式系統中，MPEG-4編解碼主要都是通過(guò)專(zhuān)用芯片實(shí)現的，其實(shí)現方法與MPEG-1、MPEG-2的硬件實(shí)現方法類(lèi)似，將編碼算法固化在芯片的硬件電路中，所以導致它在使用中存在以下缺點(diǎn)：

　　a) 性?xún)r(jià)比不高。由于現在MPEG-4編碼技術(shù)還在不斷發(fā)展中，還沒(méi)有一個(gè)真正成熟的算法支持，所以市場(chǎng)上推出的MPEG-4編碼芯片都是在標準基礎上進(jìn)行了修改和簡(jiǎn)化，在性能上與H.263等編碼芯片上沒(méi)有明顯的優(yōu)勢，所以其性?xún)r(jià)比不高。

　　b) 可移植性差。由于各廠(chǎng)商所生產(chǎn)的編碼芯片都在固化時(shí)加入了自己對編碼算法的改進(jìn)和優(yōu)化，所以在解碼端必須使用對應的專(zhuān)用解碼器，這就導致出現了兼容性的問(wèn)題。

　　c) 無(wú)可擴展性。隨著(zhù)對MPEG-4編解碼標準的研究，必然提出許多新的算法及對原有算法的改進(jìn)，但是現有的MPEG-4編碼芯片已將已有的算法固定在了芯片硬件電路中，所以無(wú)法方便地在芯片上進(jìn)行算法的修改及擴展。

　　所以在設計該系統時(shí)，主要采用了軟件實(shí)現其編解碼，在嵌入式系統中采用軟件實(shí)現編解碼，可以彌補硬件編解碼上的諸多不足，而且便于對算法本身進(jìn)行研究和改進(jìn)。但是，也需要考慮幾個(gè)問(wèn)題：首先，由于MPEG-4編碼算法運算量復雜，而嵌入式系統的資源有限，所以必須考慮所選平臺微處理器的運算能力；其次，在編碼軟件及數據采集硬件的接口部分，由于需要針對不同的采集硬件，所以需要做許多匯編級的優(yōu)化。