夏小波，包建榮

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

0 引言

目前國內外已有的部分礦用多媒體通信系統(tǒng)存在著壓縮質量不好、對光照度適應范圍小不能反映礦下全黑環(huán)境0Lux、功耗和體積大、大部分為有線配置等問題［1、2］。為協(xié)助解決這些問題，本文提出了基于成本低廉的ARM11-S3C6410模塊與WIFI模塊、采用H.264高效編解碼技術、適應井下全黑環(huán)境的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案［3］。

1 系統(tǒng)方案及硬件結構

方案采用模塊化設計，研究主要包括以下幾項內容:礦用應急視頻采集終端系統(tǒng)視頻采集模塊設計;無線傳輸協(xié)議與無線通訊模塊設計;礦用應急視頻采集終端系統(tǒng)的軟件設計。此外，還包含了現場實驗，以驗證方案的可靠性。方案研究過程與應用如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)總體設計及應用圖

系統(tǒng)硬件結構主要分為:最小系統(tǒng)、電源單元、音視頻單元及無線通信單元4部分。其中，方案以S3C6410處理器為核心［4］。采用大容量DDR SDRAM和NAND Flash作為外部存儲器。還配以大容量TF卡作為輔助存儲器，用以存儲大量視頻數據。視頻單元主要完成全黑環(huán)境(0Lux)下視頻數據采集，并通過Camera接口將數據傳送給最小系統(tǒng)。經處理器內部H.264編解碼器處理后，通過640×480分辨率的TFT-LCD高清屏顯示;音頻單元主要完成音頻數據的輸入、輸出和編解碼處理功能。將受話器輸入的音頻數據編碼處理后的發(fā)送給最小單元，再由最小單元將接收到的數據經過解碼后通過送話器輸出;電源單元主要用于為各部分提供所需電源;無線通信單元完成視音頻數據的無線傳輸，采用了WM-G-MR-09無線模塊。其支持802.11b/g無線網絡模式，核心芯片為Marvell公司的88W8686。此外，系統(tǒng)提供了mini-USB接口，以方便后續(xù)軟件配置與升級。最后，得系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

另外，為了保證電路設計符合煤礦井下安全要求，防止電流引爆瓦斯，系統(tǒng)電源部分將分別采取防靜電保護和過壓保護等措施，防止出現電火花等現象。

2 系統(tǒng)軟件設計

因系統(tǒng)方案功能復雜，故采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在ARM11-S3C6410處理器上實現視頻采集終端的軟件功能。因方案采用的ARM處理器已具有H.264的編解碼功能［5］。故方案主要針對無線WIFI傳輸流程及保證視頻實時傳輸的RTP實現開展研究。

視頻前端WIFI視頻監(jiān)控模塊的軟件結構如下:ARM軟件程序采用視頻編碼框架來整合H.264編碼庫的多媒體處理硬核。在進入S3C6410調度程序之前，程序需初始化多個要使用的模塊。包括:(1)S3C6410和系統(tǒng)板的初始化;(2)視頻編碼模塊初始化;(3)建立捕獲通道。在完成初始化工作之后，系統(tǒng)進入S3C6410調度程序管理下的4個線程和1個通道。進程不斷地完成從底層視頻驅動獲取視頻信號，將視頻信號進行H.264編碼，再通過網絡傳給遠程用戶進行顯示，即前端WIFI視頻監(jiān)控模塊總體流程圖如圖3所示，遠程監(jiān)控中心的軟件設計結構如圖4所示。整個系統(tǒng)以DirectShow技術為基礎。DirectShow為Windows平臺處理各種格式媒體文件的回放、音視頻采集等高性能要求的多媒體應用提供了完整的解決方案。在其基礎上，應用程序按要求建立起相應的過濾圖，通過它來控制整個的數據處理過程。DirectShow能在過濾圖運行時接收各種事件，并通過消息方式發(fā)送到應用程序，實現了應用程序與DirectShow之間的交互，實現了實時播放。

為了將編碼數據通過無線模塊傳輸到接收端，就必須采用傳輸協(xié)議進行封裝［6］。因此，方案還引入RTP協(xié)議對編碼視頻數據進行封裝。RTP主要是為音頻、視頻等實時數據傳輸而提出的網絡傳輸協(xié)議，RFC3984中詳細說明了RTP傳輸音頻和視頻的數據包格式。RTP由RTP和RTCP兩部分組成。其中，RTP用來傳送實時性要求較高的數據，而RTCP用來監(jiān)控服務質量和提供其他控制類的相關信息。RTP數據包由12字節(jié)固定的RTP頭和不定長載荷組成。載荷為壓縮編碼后的視頻或者音頻數據。RTP與UDP協(xié)議共同完成運輸層功能。在傳輸RTP數據包時，可將一幀數據分割成幾個包，且這些包具有相同時間戳。接收端可根據時間戳，將亂序接收到視頻數據幀，串聯(lián)成合理順序的視頻流，在遠程機上實現井下影像的實時播放。由上可得整個編碼系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。在方案中，H.264視頻數據首先經RTP進行封裝，打包成適合網絡傳輸的數據包再進行傳輸。在使用IP/UDP/RTP的協(xié)議層次結構時，包括至少20個字節(jié)的IP頭，8字節(jié)的UDP頭以及12字節(jié)的RTP頭。故頭信息至少要占40個字節(jié)，且RTP載荷的最大尺寸定義為1 388個字節(jié)，可包含多個視頻數據幀。

如沒有在應用層數據裝載進RTP包之前進行載荷分割，將產生大于最大傳輸單元的包。即在IP層其后第一個包成功接收而后續(xù)的包丟失，由于只有第一個包中包含完整RTP頭信息，而RTP頭無關于載荷長度的標識。因此，判斷不出RTP包是否有分割丟失，只能認為完整接收了，且在IP層的分割無法在應用層實現保護從而降低了非平等包含方案的效果。故考慮將1個NAL單元分割，使用多個RTP分組進行傳輸。根據IP層最大傳輸單元的大小，對大尺寸的NAL單元必須要進行分割。具體可設NAL單元的尺寸小于1 388字節(jié)。一個NAL單元采用分割分組后，每個RTP分組序列號依次遞增1，及RTP時間戳相同且惟一。

圖5 編碼線性流程圖

3 系統(tǒng)測試及應用

系統(tǒng)包括便攜式礦用應急視頻采集終端、無線接入點和服務顯示器構成［7］。便攜式視頻采集終端完成外部環(huán)境的視頻數據采集，通過Camera接口將數據傳給最小系統(tǒng)，經內部處理器的H.264編解碼器處理后，將視頻數據進行RTP封裝和UDP打包，再交由其內置的無線通信單元傳送到分布式無線接入點AP和遠程監(jiān)控中心。在較黑模擬煤礦環(huán)境下，對整個系統(tǒng)進行測試。其中，視頻采用所設計的視頻采集終端獲取;無線傳輸采用WIFI模塊，并借助無線AP發(fā)送到視頻服務器完成數據獲?。?］。此外，還利用開源視頻軟件VLC進行視頻圖像測試播放與參數驗證。最后，得測試效果如圖6所示。經相關測試，得到煤礦應急無線視頻傳輸的參數驗證如表1所示:

圖6 VLC播放軟件接收到的視頻截圖

表1 煤礦應急無線視頻傳輸的參數驗證表

4 結束語

本文主要設計了低成本煤礦應急無線視頻傳輸系統(tǒng)方案。它采用了低成本ARM11、WIFI等模塊(成本低于1 000元)實現，相對于業(yè)界常見的Ti公司6 000系列DSP平臺，方案成本將降低5 000元左右［8］。經測試，該方案除了滿足井下防爆電氣性能指標外，還可完成普通和全黑環(huán)境下的圖像采集，處理終端具有高清圖像質量(D1質量)、便攜式、實現視頻及音頻數據的無線傳輸、適用井下全黑環(huán)境(0Lux)、且可實現視頻的高清顯示與處理功能。

［1］ 李文峰，鄭學召.一種礦山救援應急多媒體通信技術［J］.現代電子技術，2005，28(22):43－45

［2］ 王坤俠.單機型嵌入式多媒體通信終端設計［M］.計算機技術與發(fā)展，2007，17(12):197－203.

［3］ 張作富.H.264圖像壓縮編碼設備的研究［D］.南京:南京郵電學院，2005.

［4］ 王樹奇，孫弋.基于S3C2410的井下WiFi便攜終端設計［J］.微型計算機，2007.23(11):186－188.

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［6］ 劉兵艷.數字礦山視頻監(jiān)控及導航系統(tǒng)的設計與實現［D］.北京:北京交通大學，2009.

［7］ 吳會蓮.基于ARM11的嵌入式工業(yè)計算機的硬件系統(tǒng)［D］.上海:同濟大學，2009.

［8］ 羅文靜.基于ARM11的井下多媒體數據終端［D］.西安:西安科技大學，2010.

［9］ 陽開新.鐵氧體材料及應用［J］.磁性材料及器件，1996，27(3):19－23.