基于TMS320DM365多平台实时视频传输系统的设计与实现


l Parts & applications l器件与应用 文章编号 :1002—8692(201 1)07—0032—04 基于 TM S320D M 365 多平台实时视频传输系统的 设计与实现 宋建勋,刘 峰 (南京邮电大学 图像处理与 图像通信江苏省重点实验 室,江苏 南京 210003) 【摘 要 】提 出并 实现 了一种 基于 TM S320D M 365 的 多平 台实 时视 频传输 系统 。给 出了系统的 总体 架构和 软硬件模 块 ,重点分 析 了视 频采集及 H .264 编 码过 程 、R TP 和 R TSP 协议 栈 的编程 实现和 H .264 视频流 的 RT P 封包策 略,给 出了PC 终 端和 手机终端 下实 时视 频传输结果 。实验结果表 明 ,系统具有很好 的实 时性和 可靠性 ,能够满足 多平 台下实 时视 频传 输 的需求。 【关键词】视频传输;TM S320D M 365 ;H .264 ;R TP ;RT SP 【中图分类号】TN 943;T P277 【文献标识码】A D e sig n a n d Im p le m e n ta tio n o f R e a l- tim e V id eo T ra n sm issio n S y ste m fo r M u lti— p la tfo rm B a se d o n T M S 3 2 0 D M 3 6 5 SO N G Jianxun,L IU F eng (Jia ngsu K ey Laboratory of Im ag e P rocessing & C om m unication, N anjing U niversity of P osts and Telecom m unications.N anjing 210003, China ) 【A bstract】In this paper,a design and im plem entation of real—tim e video transm ission system for m ulti—platform based on T M S3 2 0 D M 3 55 p roc esso r an d e m bed d ed L in ux op eratin g sy ste m are intro du ced .T h e ov erall fram ew ork of the sy stem , th e h ard w are an d soft w are m od ule s are given , focu sin g on the p roce ss of vide o ca ptu re an d en cod ing , th e program m ing of R T P an d R T SP p rotocol stack a nd th e p ack etiza tio n a lg orithm of H .26 4 vid eo bit— stream s. F in ally, the real- tim e vid eo tran sm ittin g resu lts b ased on P C an d sm a rt p h on e a re giv en . T h e test results sh ow th at th e system ca n ach ieve b etter real- tim e p e rform an ce an d relia bility . 【K ey w ords】video transm ission;TM S320D M 365;H .264 ;R TP;RTSP 0 引 言 随着视频编解码技术的 日益成熟 和网络通信技术的 不断发展 ,视频传 输系统在智能 交通 、智能楼宇 、医院校 园、商场超市 、企业生产和生活小区等领域 内得到 了广泛 应用 。系统前端 朝着一体化 、数 字化 、网络化 、集 成化的 方 向发展 ,其中嵌 入式系统 因其 体积小 、功耗低 、功能强 大 等优点 而受重视 。尤其 随着无 线 网络带宽 的不 断提 高 ,智能手机成 为移动显示终端 ,融人人们 的生活 ,并发 挥 出越 来 越 大 的 作用 。笔 者 提 出并 实 现 了一 种 基 于 TM S320D M 365 的多平 台实时视频传输系统 ,用户可以使 用 PC 或智能手机方便快捷地获取 实时视频 。 如何实现高效率的视频压缩并在有 限带宽下传输高 清 晰度视频 是嵌入 式视频传 输 系统需要 解决 的关键 问 题 。 目前 ,较先进 的视频压缩标准是 H _264/A V C ,它是 由 M PE G 和 V C E G 组成 的联合 视频专 家组 JV T (Joint V ideo Team )共 同制定 的新 一代 视频压 缩编码 标准 】。H .264 标 准具有高效 的视 频压缩性能 和 良好 的网络适应性 能 ,非 基金项 目:江苏省高校科研成果产 业化推进项 目 32 1 t 电 d e o 视 E n d 技 l n e e r i n g 20 11年第35卷第07期(总第357 期) 常适合于带宽有限情况下视频流的传输,但其过高的计 算量 限制了在资源有 限的嵌入 式平台上 的应用 ,因为编 码耗时太长 ,从而无法满足实时视频传输 的需求 。 笔者设计 并实现一个 适用于智 能手机和 P C 终端 实 时 播 放 的 嵌 入 式 视 频 传 输 系 统 ,该 系 统 采 用 TM S320D M 365 数字媒 体处理 器和 M ontavista Linux嵌 入 式 系统 ,实现了对视频 的实时采集 、H .264 编码 、H .264 视 频 流封 包 和传输 。T M S320D M 365 是一 款 A R M + D SP 的 双 核处理 器 ,具有 720p@ 30 f/s 的 H .264 硬 件编码 能力 , 本 系统 的 H .264 压缩 编码 全部 由 H .264 高清编解码协 处 理器 H D VICP 硬件实现 ,不占用 A RM 的资源 ,保证了传 输系统的实时性 ,也提高 了系统的稳定性 。另外 ,本系统 实现 了嵌入式 系统上 的 R TP/RTSP 协议 栈 ,可 以根据 客 户端 (PC 或手机 )的请求 ,将 H .264 编码后 的视频 流打包 成 R T P 视频 流 ,然 后通过 网络发 送给 客户端 ,用户可 以 在 智能手 机 、PC 等 不 同的终端 平 台下接 收视 频流并 解 码 显示 Parts& appljcatiOIlS l 器件与应用 I 1 系统总体 架构 系统总体框架如图 1所示 ,由摄像头 、嵌入式视频处 理板 、客户端 (PC 和智能 手机 )组成 。 嚼争㈢ 图 1 系统 总体 架构 示 意 图 嵌入式视 频处理 板是整个 系统 的核心 ,它从 摄像头 获取视 频数据 ,然后 经过视频 A/D 芯片数字 化后 再交给 TM S320D M 365 处理器 ,处理 器依靠 内部 集成 的 H .264 高 清编解 码协处 理器 H D V IC P 完成视频 的 H .264 实时压缩 编码 ,输 出 H .264 视频 流 。A R M 端程序 接 收到 H .264 视 频流 ,然后 按照恰 当的封装策 略将 其封装成 RTP 包 ,RT. sP 服务端程序在接 收到客户端请求 时 ,会把这些 封装好 的 R TP 包发 送给接 收端 ,多个 不 同平 台的客户端 在接收 到码 流后解码并显示 ,实现视频 的实 时传输 。 系 统 硬 件 平 台 主 要 由微 处 理 器 TM S320DM 365、 SD R AM 、Nand Flash 、视 频 A/D 芯片 、网络芯 片 以及摄 像 头等部分组成 ,TM S320DM 365是 TI推出的基于达芬奇技 术的新一代高清视频处理器,其延续了达芬奇家族处理 器 A R M +D SP 的双核架构 ,集成 了 A R M 926E J—S 核和 D SP 核 ,其中DSP 核包含一个H .264 高清编解码协处理器 H D. V IC P 和一个 M P E G 一4/JPE G 高清编解码 协处理 器 M JC P , 可 以支 持 H .264/M P E G 一4 的 高 清 视 频 (1 0 80p@ 15 f/s, 720p@ 30 f/s)的实 时编 解码 口I。考虑 到无 线情 况下 带 宽 的限制 ,本系统支持 QCIF(176x144),CIF(352x288)以及 D 1(720~576)等不 同分辨力 的实 时视频 ,以满足 多个终 端平 台的不 同需求。系统采用 TVP5146 为视频 A/D 芯片 , 完成模拟视频信号到数字视频信号的转换 ,其输出数据 格 式支 持 10 bit 4 :2 :2 Y C bC r和 20 bit 4 :2 :2 Y C bC ro TV P5146 转换后的数字信 号经过 D M 365芯 片提供的 v P— FE (V ideo P rocessing Front—E nd )接 口直 接送 至 D M 365 内 部集 成 的 H .264 硬件 编码 器进 行实 时的视 频压缩 编码 , 编码输出的H .264 视频流再 由程序按照 RFC3984标准中 规定 的 H .264 的 R T P 负 载格式 封装 成 R TP 包 ,然 后根 据 客户端 R T SP 的请求来进行 R T P 包 的发送。 2 系统软件 实现 本系 统 的软件 开发基 于 M ontaV ista Linux 嵌 入式操 作系统 ,具有高效 、稳定 、实时 、内核可裁减 、支持多种硬 件平 台等特点 1。为 了方便程序开发 ,TI针对达芬奇平 台 提供 了达芬 奇多媒 体应 用程 序接 口(D avinci M ultim edia A pplication Interface ,D M A I) ,D M A I封 装 了底层 的驱 动 , 并且提供 了易于程 序开 发 的编程接 口 ,使用 DM A I开发 达芬奇平台下的应用程序,不仅更加快捷高效 ,而且也使 应用程序 与底层无关 ,已经 开发好 的程序几乎不 用更改 就可 以移植 到另外一个 器件 或操作 系统上。 本 系统的软件使用 了D M A I接 口,并且采用了模块化 设计 ,按 照功能可 以分 为 以下 3 个模块 :视频采集 与编码 模块 、H .264 视频流的 R T P 封装模块 、R T SP J]~务端模块 。 2.1 视频采集与编码模块 视频采集 与编码模块 的功能 由两个线程来完成 ,分别 是 capture thread 线程 和 video thread 线程 ,在这两个线 程 中都使用 了D M AI接 口,很大程度上方便 了程序 的开发。 一 般来讲 ,嵌入式 Linux 系统的视频采集都是靠调用 V 4L2 驱动来实 现 ,V 4L 2 是 一套用 于处 理 L inux 上 多媒 体 设备的标准应用程序接 口,通过这些 接 口,可以对 视频输 入设备执行打开、读写 、关闭等操作。本系统也是使用 V4L2驱 动来 实现视频 采集 功能 ,所 不 同的是 ,TI在底层 驱动 的基 础上对设 备驱 动接 口进行 了二次封装 ,抽象成 几 个 D M AI接 口。应 用 程 序 开发 者 只需 要 调用 这 几个 D M A I接 口,就可 以轻松 实现对底层设 备 的访 问 ,而不用 关 注实现 的具 体细 节问题 ,从 而使开发 者可 以把 主要精 力放在对视频 的处理 和后续 功能的扩展上 。 capture thread 线 程 和 video thread 线程 的通 信是 通 过 FIFO 机制 来 完成 的 ,其 底 层是 通 过 pipe()调 用来 实 现 。首 先 ,capture thread 线 程通 过 F ifo_ get()调用 从 vid. eo thread 线 程获取一 个空 闲的 buffer,经过 C apture_get() 调 用后 ,这 个 buffer 中就保 存 有刚 刚捕获 到 的一 帧视频 数据 ,然后通过 Fifo_put()调用 ,将这 个 buffer发送给 vid_ eo thread线 程 进 行 H .264 编 码 。相应 的 ,在 video thread 线 程 中也 需 要 使用 Fifo_get(),Fifo—put()这 两个 接 1:3 。 视频采集与编码模块 的流程如 图 2 所示 。 2.1.1 视 频采 集线程 使 用 D M A I后 ,视频采 集线 程 的执行 流程 就变得 非 201 1年第35~ 07期(总第 357期) /i d 电 e o 视 E n g i 技 n e e r i n gi n g n e e ri n I ,P ~ ll l Parts & applications l器件与应用 图 2 系统 采 集 与编 码 流 程 图 常简单 ,下 面进行详细分析 : 1) 创建 一个视频捕 捉设备驱 动的实例 。这 个操作 是使 用 D M A I中 的 Capture_create()调用来 完成 的 ,通过 分析 Capture_create()的实现代码可 以看 到 ,对视频输入 设备的操作也是通过 V4L2驱动来完成的 ,使用底层接 口 open(”M ev/video0”,O—R D W R ,0)打开视 频输入 设备 ,通 过系统调用 ioetl()来查询和设置设 备属性 。 2) 进 行 视 频 采 集 。 这 个 操 作 是 通 过 D M A I 中的 C ap tu re _ get()调 用 来 完 成 ,这 个 函数 的 功 能也 是 通 过 ioctl(hC apture一>fd ,V ID IO C —D Q B U F ,& v412buf)这个底层 的函数调用来实现的。 3) 关 闭视频 输入设 备 。这个 操作是 通过 D M A I中 的 Capture—delete()调用 来完 成 的。这个 调用 的具体 操 作 是 ,首先释放 掉创建设 备实例 时 申请 的 内存 ,然后 再 调用 fclose (”/dev/video0 ”)关 闭视频设备 。 2 .1.2 视 频编码线程 基 于达芬 奇平 台的视频 编解码 是通 过调用 编解码 引擎 (C odec En gine)来 实现 的。通过这 种机制 ,A R M 端 3 4 电 d e o 视 E n g i 技 n e e r i n g 20 11年第 35 卷第 07 期(总第357 期) 的程序就可 以通过 Codec Engine提供的 VISA (V ideo,Im . age ,Sp eech ,A udio )A PI接 口调用 ,可在 D S P 端执行 编解 码算 法 ,D SP 端专 门负责各种 算法 的执行 ,并 通过 V ISA API接 口将算法 执行 的结果返 回给 A RM 端 的程序 。视 频编码线程 的执行流程为 : 1) 打开 编码 器 引擎 。这个 操作 是 通过 C odec E n. gine提供 的Engine—open()调用来完成 ,把 D SP 的可执 行 程序加载 到D SP 的内存 ,同时把 D SP 从复位状态释放 。 2 ) 创建 H .264 视频编码器 。这个 操作是通过 C odec E n gine提供 的V encl—create ()调用来完成 ,在使用这个 调 用 时 ,需要 同时传递视频 编码器 的参数信息 ,例如 ,编码 器输入 的图像大小 、帧率 、编码后的 比特率等 。 3 ) 编码 一帧视频数据 。这个操作是通过 Codec E n. gine 提供 的 V encl_process()调用来 完成 ,把 获取 的一 帧 视 频数 据传 递给 DSP ,D SP 端 程序对 其执 行 H .264 编码 后 ,再将编码后 的数据返还给 A R M 端指定的 buffer。 4) 关 闭 H .264 视频 编码器 和编 码器 引擎 。这 两个 操作分别是通 过 Vencl—delete()调用和 Engine_close()调 用来完 成 ,执行 这两个操 作后 ,就会释放 DSP 资源 ,D SP 重新进入复位状态 。 2.2 H .264 视 频 流 的 R T P 封 装 模 块 2.2.1 R T P/R T C P 协 议 概 述 实 时传 输 协 议 (R eal—tim e Transpo~ Protocol,R TP ) 是用 于 Internet上针 对多 媒体数 据 流 的一 种传输 协议 。 它是 1996 年 由 IE TF (Intem et E ngineering Task F orce) 的 多媒体传输工作小组在 RFC 1889 中公 布的 ,如今最新 的 版本是 R FC355ff“ 。本 系统 的实 时视频传 输 功能是 采 用 R T P 协议来实现的 。 2.2.2 H .264 视 频流 的R T P 封包实现 通过前 面讲 到的 video thread线程 ,程序已经获得编 码 后的 H .264 视频流 ,也 就是一个个 的 NA LU 单元 ,现 在 需要做 的就是按 照 RFC3984标准 中规定 的格式把 N ALU 单 元封装 成合适 的 R TP 包 发送 给客户 端 。这部分功 能 在程序 中使用 rtp thread线程来完成 ,流程图如图3所示 。 图3 rtp thread 线程流程 图 P arts & ppJjca石。刀s l 器件与应用 l nD thread 线程 通过 共享 内存 机 制从 video thread线 程 获取编码后 的视频数据 ,为 了保 证同一 时间只有一个 线程访问共享 内存 ,在程序 中还使用 了信号量机制。 vid eo thread 线 程 编码一 帧视频 数据 ,除了 ID R (Instanta. neons D ecoding Refresh)$~.@ 产生 3个 N ALU 单元外 ,其他 帧都 只产生 1个 NA LU 单元 ,这一特性使得对一 帧编码后 的数据进行 RTP 封包变成 了对一个 NA Lu 单元进行操作。 对一个 N A LU 单元进 行 R TP 封包是本 线程的核心步 骤 ,为 了封 装 R T P 包 ,首先 要构造 R T P 包 头,具体 可参考 标 准 R FC 3550 。 R T P 封 包 的 具 体 操 作 是 按 照 标 准 R FC3984 来进行的 ,封包时必须要考虑最大传输单元 M TU (M axim um Transm ission U nit) ,要 使 得 每 个 RTP 包 的大小不超过 M TU 值 ,不然 的话会引起 IP分 片吲。 在本程序 中对 N A LU 单元 的 RTP 封包分两种 情况处 理 :对 于 N ALU 单元 的长度 小于 M TU 大小 的包采用单 一 的 NA LU 单元打包方案 ;对于 N A LU 单元的长度 大于 M TU 大小的包 ,采用分片封包方案。在程序 中,将 M TU 定 义为 1 400,这样就使得最 大的 RTP 包 的大小是 1 400 byte,封 包 流程如 图4 所 示。 ( 开始 ) N A LU 长度和 TY P 设置 R T P 包头 固定部分 土 设置RTP 头、Fu[2]及负载l N 计算分片 目K 当前 封片序 号N =0 N < K ? 设 置R T P 头 、FU [2]及负 图4 R T P 封 包 H .26 4 流 程 图 2.3 R T S P ,q~.务端模块 2-3.1 R T SP 协议概述 实时流 协议 (Real Tim e Stream ing Protocol,RTSP)是 一 种流媒体 控制 协议 ,用 于实 时控 制数 据 的传输 ,如 播 放 、暂 停 、快 进 、快 退 等操 作 。 RTSP 只传 输控 制 信 息 , 但 并 不 传输 流 媒 体 数据 ,必 须依 靠 底 层 传输协 议来 提 供服务 1。 2 -3.2 R TS P 服务端 的实现 在本系统中,RTSP 服务端作为 rtp thread 线程的控 制程序 ,负责 响应 客户 端的连 接请求 ,与客户端交互媒体 描述信 息 。R T SP 服务端启 动后 ,就会 一直监 听本地 554 端 口,等待客户端 连接 ,在连接建立 成功后 ,客户端才能 接收 R TP 包并解 码显示 ,RTSP 客户端与服务端信息交互 过程如 图5 所示 。 图 5 R T S P 信 息 交 互过 程 图 信 息交互 过程 如下 : 1) O PT IO N S 消息 。客户端 向服务 端发 送 O PT IO N S 消息请求 ,目的是得 到服务端 提供 的可用方 法 ,收到该请 求 后会 向客 户端发 送 回应 消息 中包含 服务 器支 持的方 法 ,本 系 统 支 持 的 有 OPTION S,D ESCR IBE ,SETU P , P L A Y ,T E A R D O W N 。 2 > D E SC R IB E 消 息 。 客 户 端 向 服 务 端 发 送 D E — SCR IBE 消息 ,目的是得到会话描述信息 。会话描述信息 里包含有媒体格式类型 、采样频率 、目的接收端 口等重要 信息 。 3) SETUP 消息 。客户端 向服务端发送 SETU P 消息 , 提醒服 务端建 立会话 ,并确定传输模式 。 4 ) P L A Y 消息 。客户 端 向服务 端发 送 PL A Y 消息 , 请求播放实时视频。服务端收到该请求 ,向客户端回应 消息 ,然后会 把 当前状 态设置为 Playing。rtp thread 线程 检查 到该状态后 就开始向客户端传 输 RTP 数据包 。 5) TEA R D OW N 消息 。客户端 向服务 端发送 TEAR — D O W N 消息 ,请求关闭连接。服务端在收到该消息后, 会关 闭当前连接 ,并 把客户端 的 IP 地址 等信息从维护 的 列表 中删除 。 3 实验 结果 本系统在实验室环境下使用普通 Pc 和智能手机分 别 进 行 测 试 ,直 接 在 客 户 端 软 件 中 输 入 R TSP:// 10 .10.14 3.46 来 连接 本 系统 ,10.10 .143.46 是 本 系统 的 IP 地址 ,因为 R TSP 服务端直接使 用 了 R T SP 协议 的默认 端 口(554端 口),所 以在此处可以不指定 目标端口。PC 使 用 的是 普通 台式 计算 机 ,客户 端软 件使用 vlc一0.8.6i,通 (下转第 40页 ) 2011年第35卷第07期(总第 357期) i 0 n 撼e i 35 矿fr E ¨f P r n U I P arts & ap plica tio n s l器件与应用 05 —2 0].ht p ://ieeex pl0re.ieee.org/xpl/freeab s— al1.jsp?arnum ber= 4 4 3 0 3 3 3 . [5】 K U O M C ,K A O S W ,C H E N C H .A 1.2 V 114 m W dual—band direct— conversion D V B —H tuner in O .13 m C M O S[E B /O L].[20 10-05 —20]. h ttp ://w w w .e e .n ctu .e d u .tw /m a in ,R e s0 u rce /P a p e r/D e tailP ap e r.p h p ? N u m b er= l6 4 9 ”. 【6】 K IM Y J ,K IM J W ,P A R K H O M E N K O V N ,et a1.A m ulti—band m ulti— m od e C M O S d ire c t—.co n v ersion m o b ile —.T V tu n er D V B — H /T a n d T —— D M B/D A B applications[E B/O L].[20 10-05-201.http ://ieeexplore.ieee. org/xp l/fre ea b s— . al1.jsp?arnum ber=45 85965. 【7 】 V A SSIL IO U I,V A V E LID IS K ,BO U R A S S ,et a1.A 0.18 Ixm C M O S dual— band direct- conversion D V B - H receiver[E B ,0 L].[20 10-0 5— 20].http ://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_al1.jsp ?arnum ber= 16963 14. 【8】 A N TO IN E P .A direct— conversion receiver for D V B -H [E B/O L ].[20 10— 05-201.http :, _M 1jsp?arnum ber=- 1546229 【9] LIA O Y ,TA N G Z .A C M O S w ide—band low —noise am plifi er w ith bal un- based n oise— canceling technique[E B /0 L ].[2 0 10 一o 5- 2O1.http :// ie ee xp lo re .ie ee .org/xp l/fre e ab s _ al1.jsp?arnum ber=44 25739. 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[3】 赵 勇 ,袁誉乐 ,丁悦.D A V IN CI技术原理与应用指南【M 】.南京 :东南 大学出版社 ,2008. 【4] R T P :a transprot p rotocol for real— tim e application【E B ,O L】.[20 10 - 07— 27].http ://w w w .CS.odu.ed u/-cs778/R T P/rtp.ppt. [5】 张晓燕 ,李瑞欣 ,刘 玲霞.多媒体通信技术【M ].北京 :北京 邮电大学 出版社,2009 . [6] W E N G E R S ,H A N N U K SE LA M M ,STO C K H A M M E R T .R T P payload form at for H .264 video[E B/O L 1.[20 10-07- 27].http :#w enku.baidu.eom / v ie w /9 f8 14 a 8b 6 5 2 9 6 4 7 d 2 7 2 8 5 2 8 9 .h tm 1. 【7] R eal tim e stream ing protocol[E B/O L1.[20 10-07—271.http ://en.wi kipedia. org/w iki/R e al_ T im e _ S tre am in g _ P ro to co 1. ◇ 作者简介 : 宋建勋 (198 5一)。硕 士生。主研 图像处理与多媒体 通信 ; 刘 峰 (1964一) 。博 士,教授 .硕 士生导师 。主研 图像处理与 多媒 体通信、高速D S P 与嵌入式 系统。 责任编辑 :孙 卓 收稿 日期 :2010-08— 23
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