| 摘要 主要介紹在基于xscale處理器(PXA255)的嵌入式開發(fā)平臺上搭建視頻通信原型系統(tǒng)的具體方法。整個系統(tǒng)共分為采集,顯示．編碼、解碼、發(fā)送、接收6個功能模塊,著重介紹視頻編解碼部分在嵌入式系統(tǒng)上的優(yōu)化方法。實驗結果表明,在基于xscale(PXA255)處理器的嵌入式系統(tǒng)平臺上,該視頻通信原型系統(tǒng)可以基本滿足實時視頻通信的要求,并具有良好的可擴展性。
關鍵詞 Xscale H．263 視頻編碼優(yōu)化PXA255 引 言
隨著后PC時代的到來及Internet網(wǎng)絡的飛速發(fā)展,人們已經(jīng)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(jù)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(wǎng)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(nèi)核,圖形界面環(huán)境采用MiniGUI1.3.3.網(wǎng)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(jù)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(diào)用Vide04Linux模塊的API函數(shù)進行編寫,為系統(tǒng)采集YUV格式的本地實時圖像數(shù)據(jù)。
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(diào)用usleep()函數(shù)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(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(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：
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