移动无线视频系统的研究

刘力维+付强

摘要：无线视频系统在智能社区、安防、智能农业及环境监控等领域有着广泛的应用[1]。移动无线视频系统的技术基础是移动互联网通信技术、视频数据采集处理与传输技术。本文论述了移动无线视频系统的研究背景、具体研究方法和取得的成果，在开发和整合各功能模块的基础上，构建了完整的移动无线视频系统，实现了整个系统小型化和可移动的优点，使系统的部署实施和维护更加简便。

关键词：视频系统；操作系统；平台移植；应用开发

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）01-0078-02

1 移动无线视频系统研究的背景及目标

近年来移动互联技术获得了快速发展，新的宽带接入技术不断涌现并走向成熟，移动通信与各种宽带接入技术和短距离无线技术呈现融合发展的态势，这为移动无线视频技术的发展创造了良好的条件。本系统的研究目标是将无线网络通信技术与视频处理技术有机结合，构建完整的远程无线视频传输系统。

2 移动无线视频系统可行性分析

移动无线视频系统的核心技术难点在于嵌入式LINUX系统下各功能模块的整合设计[2]，需要充分考虑嵌入式系统资源的限制与系统复杂性之间的矛盾，包括CPU处理能力的限制、内外存容量的限制、网络传输带宽的限制。

系统平台的CPU为MIPS 24KEc内核，主频360MHz，片上包含32KB的指令CACHE和16KB的数据CACHE，支持16位宽64MB SDRAM。系统平台支持16MB FLASH，经过编译验证，支持系统平台基本功能的LINUX内核映像大小为6MB，经过评估，增加了各模块驱动及应用程序后，内核映像大小不会超过外存限制。

视频数据传输采用MJPEG格式。MJPEG是一种基于静态图像压缩技术JPEG发展起来的动态图像压缩技术，可以生成序列化的运动图像。其主要特点是只单独对一帧图像进行压缩，不进行帧间图像压缩。其压缩倍数为20～80倍，适合静态画面的压缩，分辨率可从352×288到704×576。因为MJPEG格式保证了单帧图像数据的独立性，可以任意剪接。本課题中视频数据传输分辨率为 QVGA（320×240），单幅图像的数据约为6Kbyte。传输速率为25帧每秒，可以计算出MJPEG码流需要的网络传输带宽为150KB/s，换算为位传输速率大约为1.2MBps左右。无线网络传输模块的传输带宽为20MBps，能够满足无线视频传输的带宽要求。

3 移动无线视频系统硬件设计

移动无线视频系统由视频采集传输系统和运行在手机上的视频接收播放系统两部分构成。

视频采集传输系统由处理器平台、无线网络传输模块、视频采集处理模块组成。系统框图如图1所示。

无线视频接收系统通过WiFi接收无线视频采集系统发送的视频信号，并还原为显示屏视频。

视频采集传输系统的处理器平台选用雷凌公司的SOC芯片RT5350，其功能框图如图2所示。RT5350集成了MIPS处理器，最小系统集成为一个模块，包括8兆字节FLASH、32兆字节RAM，支持CPU最高工作主频为360兆赫兹，片上包含32KB的指令CACHE和16KB的数据CACHE。RT5350SOC提供无线宽带协议IEEE 802.11n的支持，同时集成了以太网口和USB2.0接口。

视频采集处理模块采用沛成科技的集成USB摄像头模块IP2970，其功能框图如图3所示。该模块支持最高30帧/秒的视频信号采集处理，图像分辨率最高支持640×480。支持视频信号的自动对焦、自动增益控制和自动白平衡功能。模块集成了JPEG编码器，通过USB接口将JPEG格式的图像数据传送给主控板。

整个视频采集传输系统采用单电源5伏供电，支持锂电池作为系统电源。本系统在实现视频数据无线传输功能的基础上，设计上保证了视频采集传输设备和视频接收播放设备的小型化和可移动性。使系统的部署实施和维护更加简便，以便适应无线视频系统应用复杂的外部环境。

4 移动无线视频系统软件设计

本系统软件设计主要内容为无线视频采集系统和接收系统的方案设计以及各功能模块软件的开发及调试。最终构建移动无线视频系统来实现视频数据无线传输功能。主要任务有：

（1）操作系统平台移植。视频采集传输系统的操作系统平台使用SDK提供的基于2.6.21内核的LINUX操作系统。SDK中对内核配置文件进行了改写，支持开发者使用内核配置工具进行雷凌公司特定的产品配置。包括产品平台的选择，无线模块工作方式（AP或STA）的选择和内外存大小的配置等。此外，针对RT5350模块具体的硬件实现，需要对内核进行裁剪及上板调试，保证内核映像符合硬件模块的要求。

（2）无线路由模块的移植调试。RT5350芯片内部集成了一个五端口百兆以太网交换机，同时提供了IEEE802.11n无线网络协议的支持。通过软件配置，可以直接作为无线路由器使用。根据无线路由模块工作方式的不同加载两套独立的驱动，分别是rt2860v2_ap和rt2860v2_sta。软件移植工作包括：修改配置文件将无线模块配置为无线路由模式，配置LINUX内核提供NAT协议的支持，支持无线路由模块配置（SSID、密码等）的保存。

（3）基于USB2.0接口的USB Video驱动的移植。视频采集模块IP2970与主控板处理器平台间采用USB接口进行连接，视频采集模块设备驱动采用Linux内核支持的V4L2视频设备驱动程序。V4L2遵循Linux设备驱动规范，提供视频设备的打开关闭、格式设置、视频数据处理功能，以及用于视频设备控制的ioctl函数。IP2970针对V4L2驱动进行了硬件适配修改，因此，需要将IP2970对V4L2驱动的适配修改移植到RT5350软件开发包提供的Linux内核中。具体工作包括：驱动设备查询时对IP2970芯片ID的支持，驱动数据处理中针对IP2970硬件的修改，LINUX驱动编译文件makefile的修改等。

（4）视频数据网络传输应用程序的移植。视频数据的网络传输应用程序基于开源程序uvc_stream实现。uvc_stream是一个开源的Linux视频服务应用程序。基于USB视频驱动V4L2，实现视频数据的采集和网络传输。应用程序作为服务器，通过SOCKET进行网络连接侦听，当客户端通过特定端口进行连接时，启动连接线程，将摄像头采集的视频数据按照设定的帧速率传输给客户端。视频数据采用MJPEG数据格式，图像分辨率和每秒传输图像帧数可调整。在本课题中需要完成的工作包括：通过启动参数进行图像分辨率和图像传输帧速率的设置，以及将应用程序添加到内核文件系统中。

（5）视频数据接收显示安卓应用程序的开发。视频数据接收设备采用支持WLAN的标准Android平台，开发基于MJPEG解码显示的Android应用程序[3]。其中MJPEG视频数据解码部分采用开源程序MjpegInputStream。该程序提供了MJPEG格式网络视频数据码流的获取和显示相关方法。在此基础上，视频数据接收显示安卓应用实现了数据源网络地址和端口号的设置功能，并完成了应用的相关UI设计。终端用户可以在任何Android设备上安装App来实现无线视频接收显示。增加了系统的灵活性。

5 研究成果

通过本课题的研究，完成了无线路由、视频数据采集处理、视频数据网络传输等功能的整合设计，实现了研制无线视频系统样机，构建无线视频传输演示系统的预期目标。整个系统具有低成本、高可移植性、应用部署灵活简便等优点。

系统技术参数如下：

（1）整个系统采用单电源5V供电，系统设计上支持锂电池作为系统电源。

（2）系统的无线网络传输模块支持IEEE 802.11n协议，可以作为无线AP单独使用。

（3）无线视频传输最小距离不小于20米。

（4）摄像头采用CMOS摄像头，支持焦距可调，支持自动增益控制和动态白平衡。

（5）网络传输的视频格式为MJPEG压缩编码格式，图像分辨率为320*240，每秒传输图像为25帧。

6 存在问题及研究展望

目前系統的视频压缩采用的是视频处理引擎提供的硬件JPEG压缩编码，与之相对应，视频网络传输采用的编码格式为MJPEG。其优点是可以保持图像的高质量，同时便于视频的逐帧处理，缺点是视频传输占用的网络带宽较大。考虑到无线视频传输系统的规模应用，为了在有限的网络带宽下传输尽可能多路视频信号，需要对图像的压缩编解码方法进行优化，可以考虑采用图像压缩比更高的算法进行图像的软件编解码。

参考文献

[1]张秀玲.视频监控系统研究现状与发展趋势[J].科技信息（学术研究），2008（36）.

[2]郑磊.基于嵌入式Linux的网络视频监控系统研究[D].武汉理工大学，2009.

[3]曹晓芳，王超，李杰.一种基于Android智能手机的远程视频监控的设计[J].电子器件，2011.