基于XScaIe處理器的視頻通信系統(tǒng)

引 言
隨著后PC時代的到來及Internet網絡的飛速發(fā)展，人們已經不滿足于被局限在PC平臺上的視頻通信，可以隨時隨地通過無線網絡進行視頻通信的移動設備有著很大的社會需求。眾所周知，視頻是一種流特性業(yè)務，數據量很大；另外實時視頻通信要求對視頻圖像進行高效率、高比例的壓縮，計算復雜度非常高。如果直接采用現(xiàn)有的Pc上的算法，嵌入式設備有限的電池能源和運算能力難以滿足進行實時視頻通信的需求，因此需要依據嵌入式設備的特點對算法進行改進和優(yōu)化，從而降低運算的復雜度。基于xscale處理器的視頻通信原型系統(tǒng)，初步滿足了移動視頻通信的要求，本文將具體介紹該系統(tǒng)的實現(xiàn)、優(yōu)化方法和實驗結果。

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，使用以OV51l為接口芯片的USB Camera作為圖像采集設備，Symbol公司的Spectrum24 WiFi CF Card作為無線網絡傳輸設備。系統(tǒng)的砸件結構框圖如圖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內核，圖形界面環(huán)境采用MiniGUI1.3.3.網絡傳輸協(xié)議采用802.11b。

2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 功能模塊設計
本系統(tǒng)終端需要具備以下功能：根據用戶需求，①只顯示本地圖像；②只顯示遠程圖像；③同時顯示本地圖像和遠程圖像。為實現(xiàn)功能選擇的任意性，對系統(tǒng)軟件進行了模塊化設計，軟件模塊框圖如圖2所示。

①圖像采集模塊。調用Vide04Linux模塊的API函數進行編寫，為系統(tǒng)采集YUV格式的本地實時圖像數據。
②圖像顯示模塊?；贛iniGUI 1.3.3圖形庫編寫．并采用MiniGUI中的YUVOverlav技術直接對YUV圖像數據進行顯示。
③圖像編碼模塊。采用H.263編碼標準，對本地圖像數據進行壓縮編碼。
④圖像解碼模塊。采用H.263解碼標準，對遠程圖像數據進行解碼。該模塊與圖像解碼模塊共同構成本系統(tǒng)的核心。
⑤無線網絡通信模塊。采用802．11b協(xié)議，引入了RTP協(xié)議的打包機制，實現(xiàn)了基于UDP傳輸機制的發(fā)送模塊和接收模塊。

2.2軟件設計流程
系統(tǒng)中本地顯示、遠程顯示、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。本系統(tǒng)共創(chuàng)建采集、顯示、編碼、解碼、發(fā)送和接收6個線程，如圖3所示。其中，合理有效的線程間的通信與互斥機制是保證程序能夠順利高效執(zhí)行的關鍵。

3 系統(tǒng)性能優(yōu)化
嵌入式設備計算能力受限問題以及功耗問題的存在，使得在嵌入式設備上實現(xiàn)實時視頻通信更具挑戰(zhàn)性。這就需要依據嵌入式設備的特點，充分利用計算資源，設計更合理的軟件架構，并采用計算復雜度更小的算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化。下面具體介紹本系統(tǒng)中的優(yōu)化策略。

3.1 軟件框架級優(yōu)化
在多線程機制中，各個線程之間通過“時間片”機制分時復用CPU資源。如果不進行優(yōu)化，則無法保證得到時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間片。

本系統(tǒng)中6個線程之間存在明顯的依賴性。若編碼線程不完成，則發(fā)送線程不會有數據源,若線程切換時間片為200 ms,則在發(fā)送線程的200 ms中，CPU一直處于空轉狀態(tài)。因此對整個系統(tǒng)而言，如果不加任何優(yōu)化處理．CPU只有30％左右的時間處于有效執(zhí)行狀態(tài)。本系統(tǒng)的優(yōu)化策略采用系統(tǒng)調用usleep()函數使處于無效狀態(tài)的線程盡快釋放CPU資源，實現(xiàn)方法如下：
while(1){
if(該線程標志位被觸發(fā)){
……

usleeD(1000)
}

通過在代碼的適當位置插入usleep()函數調用，CPU的利用率從30％左右提高到了96％以上，從而大大提高了計算資源的有效利用率，提高了整個系統(tǒng)的性能。

3.2算法級優(yōu)化
本系統(tǒng)的核心部分由編碼模塊和解碼模塊構成。其中編碼模塊的復雜度要遠大于解碼模塊的復雜度，成為整個系統(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作為編碼模塊的藍本。tmn-1.7遵循標準的H.263編解碼標準，所以并沒有考慮嵌入式設備的運算特性。其中對本系統(tǒng)影響最明顯的是離散余弦變換算法(DCT)以及運動補償算法(ME)。下面針對這兩個算法提出優(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換到頻率域后，圖像的大部分能量集中到直流系數分量以及低頻交流系數分量上，從而更有利于去除空間冗余信息。

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

其中變換核中的元素H(k，n)是無理數。這對大多數沒有浮點協(xié)處理器的嵌入式設備實現(xiàn)實時視頻通信是很大的瓶頸，因此提出將浮點數DCT變換算法改寫成整數DCT變換算法的方案。

為實現(xiàn)這一方案，最關鍵的問題就是生成一個滿足變換核的正交性要求，并且只包含整數系數的變換矩陣。其基本思路是將無理數擴大再取整，即：
Q(k,n)=round(aH(k，n)) (2)
下面依據本系統(tǒng)所采用的方法，介紹整數DCT算法。
首先，介紹本系統(tǒng)該算法中的數據表示：
int*dataptr――指向臨時存放DCT系數的內存空間指針：
int*blkptr――指向存放原始塊數據的內存空間指針；
int*coeffptr――指向存放最終DCT系數的內存空間指針。

然后，對相關系數以及常數進行放縮。在對88的塊進行DCT變換時，采用先進行行變換，再進行列變換的方法。下面以獲取一個DCT系數的過程為例說明。
#define CONST__BlTS 13
#deflne PASS BITS 2
#define F1x_0_541196100 ((int) 4433) /*O.541196100
CONST_BITS*/

到此行變換結束。結合公式(1)可以看出，經過行變換后比原始的DcT變換放大22倍；同理，再經過列變換后，系數又增大2、／2倍，即經過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zigzag掃描矩陣，將系數填充到coeff矩陣中：
*(coeff+zigzag[i][j])=*(bLock+i*8+j)；

在整數DCT算法中，通過比例放縮消除了浮點數運算，并且大多數乘除運算均采用移位方式處理，更符合CPU的運算特點，從而大幅度提高了運算效率和壓縮速度。

3.2.2 運動補償算法
運動補償算法用于去除相鄰圖像之間的時間冗余信息。該算法中，最佳匹配塊搜索算法運算量占絕大部分。tmn-1.7編碼器采用螺旋式全搜索算法，雖然準確度較高，但速度很慢。為了適應實時視頻通信以及嵌入式設備運算能力較低的要求，本系統(tǒng)采用二維對數下降法。

二維對數下降法的原理是，通過快速搜索跟蹤最小MAD點，如圖4所示。以運動矢量(O，O)點為起始點，以十字形分布的5個點構成每次搜索的點群。如果最小MAD點出現(xiàn)在十字點群的邊緣，則下次搜索以該點為中心，步長不變；如果最小MAD點出現(xiàn)在十字點群的中心，則下次搜索仍以該點為中心，但步長減半；如果新的十字形搜索中心出現(xiàn)在搜索窗邊緣，則步長減半。如此循環(huán)，直到步長為1，則最小MAD點即為最佳匹配點。

本系統(tǒng)中對二維對數下降法的實現(xiàn)如下：
whlie(步長step>=1){
for(當前搜索十字點群中的每個點){
sad=SAD_Macroblock(當前搜索塊的指針)；/*獲得SAD值*/if(sadMin_FRAME){/*如果小于當前最小SAD值，記錄當前信
息*/
}
}
if(最小MAD點是當前搜索中心){
step=stet)/2;//更新搜索步徑
}
}

該算法大幅度減少了運動搜索的搜索次數，從而大大降低了運算量，提高了幀問編碼的速率。

4 系統(tǒng)性能分析
下面對實時采集的QCIF圖像序列進行測試和分析。測試環(huán)境為Intel Sitsang硬件平臺。此硬件平臺采用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。

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

4.1模塊性能分析
(1)采集模塊
Sitsang板上的USB接口為USBl.1類型。由表1可知，采集數據的速率基本達到了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。為了保證圖像實時性，采用YUV420176144方案。

(2)編碼模塊
編碼模塊經過改寫和優(yōu)化，編碼速度得到很大提高，基本可以滿足實時視頻傳輸的速度要求．具體數據如表2所列。在當前壓縮速率的情況下，還能夠獲得理想的壓縮比和信噪比，從而保證實時視頻通信的質量，如表3所列。

(3)解碼模塊
經過對原有程序的裁減和改寫，解碼速度可以達到84 fps。

(4)發(fā)送與接收模塊
本系統(tǒng)采用WiFi CF Card作為網絡傳輸設備，采用802.11b協(xié)議，引入了RTP協(xié)議的打包機制，實現(xiàn)了基于UDP傳輸機制的發(fā)送模塊和接收模塊。802.11b帶寬達11Mbps，在表3的壓縮比情況下，可傳輸幀率>1000fps，完全滿足實時視頻傳輸的要求。

4.2系統(tǒng)性能分析
經過模塊優(yōu)化和系統(tǒng)整合，原型系統(tǒng)在Sitsang板上同時顯示本地圖像和遠程圖像可達8幀/s，基本達到了實時視頻要求。因為在系統(tǒng)框架設計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制，從而基本實現(xiàn)了本地端圖像和遠程端圖像的同步。

結語
本文所設計的“基于嵌入式設備的視頻通信原型系統(tǒng)”雖然只是一個雛形，但卻完全實現(xiàn)了實時視頻通信的功能，并為在嵌入式設備上實現(xiàn)實時視頻通信提供了可行的框架和思路。該系統(tǒng)具有良好的可擴展性，為在嵌入式設備上實現(xiàn)視頻會議以及可視電話系統(tǒng)提供了有價值的參考。