（通信与信息系统专业论文）基于80211网络的无线视频传输系统设计.pdf

福建师范大学张存利硕士学位论文 ， 、，一 。晰州，擀目嘲翰鼬嗡榔阚q 辨勘帆。籼。口，。 俐* 。转薜柑 崩懒懈* 黔“。村螂柑越脚醐湘蝴勰躺胁脚蜥4 舢冉枷- 州梯冉舯山喇棒州删n 嗍脚嘲舶帅删嗍螺咖峥潞7 一畴嘻蜘啪4 蚪q 翰醐i 。】一一 垫墨 i l l lll li iii i l l l l l lll rti i j i lr l l l ；y 18 0 6 4 2 5 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h eb a n d w i d t ho fw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e ni m p r o v e d ， a n dt h er e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o na b i l i t yo fw i r e l e s sn e t w o r ki sa i s ob e i n ge n h a n c e d c o n f i n u o u s l y a l s ow i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ew i r e l e s sl a n ( w l a n ) ，t h ev i d e o t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nw l a nh a sb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t c o m p a r e d w i t ht h ew i r e dn e t w o r k ，w i r e l e s sn e t w o r kh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sf l e x i b l en e t w o r k s t r u c t u r e ，g o o de x p a n s i b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , c o n v e n i e n tn e t w o r kr e c o n s t r u c t , l o w m a i n t e n a n e ec o s t ，e t c i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no far e a l t i m ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u xo sa n d $ 3 c 2 4 4 0 am i c r o p r o c e s s o rw h i c hu s e sa n e m b e d d e da r m 9 2 0 tk e r n e li s p r e s e n t e d 1 1 1 es y s t e mc a nt r a n s m i tv i d e oi m a g e s c o m p r e s s e db ym p e g - 4c o m p r e s s i o ne n c o d i n gs o f t w a r et ot h ev i d e os e r v e rw h e r et h e v i d e oi m a g eb ea n a l y s e d ，s t o r e da n dd i s p l a y e dv i a8 0 2 1 1w i r e l e s sn e t w o r k f i r s t l y , t h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h e e s t a b l i s h m e n to ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i sp r e s e n t e d a m o n gt h e m ， b u i l d i n go ft h ec r o s s - c o m p i l i n ge n v i r o n m e n ti s t h eb a s i so ft h ec o m p l e t i o no ft h e f o l l o w - u pd e v e l o p m e n tw o r k t h et r a n s p l a n t a t i o no fq tc r e a t e st h e c o n d i t i o n sf o r a p p l i c a t i o ns o f t w a r e r u n n i n g t h e nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h em a i nf u n c t i o n m o d u l e so ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e si n c l u d et h ev i d e od a t a c a p t u r em o d u l e ，t h eh a r d w a r e o ft h ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nm o d u l e ，t h e t r a n s p l a n t a t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u xd r i v e r s ，t h em p e g - 4d i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o n s o f t w a r ea n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r et h eu s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ( u d p ) a n dr e a l t i m e t r a n s p o r tp r o t o c o l r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ( r t p r t c p ) a r ea p p l i e di n t h e s y s t e mt oi m p l e m e n tv i d e ot r a n s m i s s i o n si n8 0 2 11w l a n t h es y s t e mc a n a c h i e v eh i 吐 r e l i a b i l i t ya n dc o n v e n i e n tu s a g e i t t a i lb ee a s i l ya p p l i e dt ot h ev i d e ot r a n s m i s s i o n o c c a s i o n ss u c ha sw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c e ，w i r e l e s sv i d e oc o n f e r e n c ew h i c hb a s e do n w i r e l e s sv i d e o k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n ，m p e g - 4 v i d e oc a p t u r i n g ， d e v i c ed r i v e r ，s o f t w a r ee n c o d e i i i 一 塑壅堑蔓奎堂鲞查型堡主兰垡笙茎 一_ _ - _ _ - - - _ _ _ _ - _ - _ i _ _ _ - _ _ - _ - _ - 1 日自_ - _ _ l l _ _ _ i - - _ _ _ - l z _ _ - - 一 ， 妒 i v 1 7 4 m “帆m 郴嘲“槲蜘蝌“嚆晰喇铀城自脚轴槲删蝌钾碱确静黼呻蜉萼捌嘴岫相哪鼢怖嗨脯嘲矧锄脚盼：甜蝴_ 榭糊嘲绷椭蚌削耐帮嘶* - ，懈枷，_ 脚舳h 川翻- 悻i f，p 中文文摘 中文文摘 随着计算机技术、网络通信技术以及各种视频处理技术的日臻成熟，针对 i n t e m e t 网络视频方面的投入在迅速增加，相关应用也越来越广泛。其中，网络视频 传输系统以其应用领域的广泛性越来越被人们所重视。无线通信技术的飞速发展， 无线网络传输带宽不断提高，实时数据传输能力不断增强，无线局域网日益普及， 视频传输作为无线局域网应用的重要组成部分已成为其技术研究的焦点之一。与有 线网络相比，无线网络组网灵活、可为用户提供实时的无处不在的网络接入。无线 视频传输系统性能方面的不断提升，使其渐渐能够在有线网络无法到达的地区也能 实现视频传输。但由于无线信道的不可靠性和带宽波动性以及视频应用的高数据量、 实时性强等特点，如何进一步提高无线视频传输的质量依然是研究的一个热点和难 点问题。无线局域网视频传输技术还有很多问题值得我们研究和解决。 绪论阐述了研究无线视频传输系统的背景以及重要意义，通过对国内外有关无 线视频传输技术、数字视频压缩算法、无线局域网技术以及嵌入式l i n u x 技术等无 线视频传输领域的资料进行收集、整理和分析，提出了一种基于嵌入式l i n u x 操作 系统，采用a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 4 0a 嵌入式微处理器为软硬件平台的实时视频 无线传输系统的设计方案，该系统可将经过m p e g - 4 软件压缩编码后的视频图像通 过8 0 2 1 1 无线网络传输到本地接收服务器，以实现视频图像的分析，存储和显示功 能。本地接收服务器的界面设计采用q t 4 软件开发工具完成。 第一章介绍了无线视频传输系统的总体设计，制定了系统的总体设计方案。系 统主要由嵌入式前端设备和本地视频接收服务器两个部分组成，嵌入式前端设备主 要负责对视频数据的实时采集、压缩编码以及数据发送；本地接收服务器实现对嵌 入式前端设备控制以及对接收到的视频数据进行解压、存储、显示以及管理。接着 对嵌入式前端设备的硬件平台以及软件平台分别进行了阐述，硬件平台主要包括系 统主控制器a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 a 模块、视频采集模块、f l a s h 和s d r a m 部分、无线 通信模块以及电源模块等；软件平台按照由下而上分为硬件抽象层、l i n u x 操作系 统层和应用程序层三个层次进行了设计。本地视频接收服务器则主要负责视频数据 的接收、管理以及与嵌入式前端设备的数据通信等。 第二章首先简要地介绍了a r m 处理器，包括a r m 处理器的型号、主要特点以及 v 举 福建师范大学张存利硕士学位论文 应用领域。详细地分析和研究了本系统开发板的主控制器核心c p us a m s u n g 公司 a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 的特点以及本系统设计中所要使用到的a r m 9 2 0 t $ 3 c 2 4 4 0 a 的 组成单元及片上资源。 接着详细阐述了嵌入式l i n u x 操作系统软件开发环境的建立流程，包括嵌入式 交叉编译环境的构建，b o o t l o a d e r 的移植以及l i n u x 内核与文件系统的移植，其中， 交叉编译环境的构建是完成后续软件开发以及驱动移植工作的基础。详细阐述了q t 软件开发工具，包括q tf o re m b e d e e dl i n u x 的底层图行引擎以及信号与槽机制，完 成了其在a r m 9 平台上的移植，q t 的移植为开发板上应用程序的运行创造了条件。 第三章详细介绍了摄像头视频数据的采集。l i n u x 下的视频数据采集通常包括 两部分内容：一是加载硬件设备驱动程序，实现l i n u x 操作系统对该硬件的支持。 二是根据l i n u x 提供的视频数据采集a p i 接口进行视频图像采集方面的程序设计。 根据实际情况，系统采用中星微3 0 1 系列高清芯片u s b 摄像头作为数据采集设备， 并在l i n u x 平台上实现了驱动程序的开发与移植。对l i n u x 下软件开发中使用的a p i 编程接口叫i d e 0 4 l i n u x 中的函数进行了深入研究，完成了视频数据的采集功能。 第四章详细地阐述了m p e g - 4 数字视频压缩技术。视频的编解码技术是视频应用 的核心部分，m p e g - 4 标准与传统编码标准的最大区别是有关对象的编码理念，它采 用的是典型的混合编码技术，即通过使用变换、量化和编码三个步骤对图像数据或 图像差值进行处理。m p e g 一4 编码方式的实现有硬件压缩和软件压缩两种。硬件压缩 是利用专门的压缩芯片对视频信号进行m p e g - 4 的编码，而软件压缩是使用压缩软件 对视频信号进行编码。本系统采用的是用软件实现视频信号压缩编码的方法， 将 l i n u x 平台下开放源代码的m p e g - 4 编解码器x r i d 编码器移植到a r m 平台并研究 了它的编码算法，将其作为视频图像压缩模块中的核心算法，完成应用程序的视频 采集部分。 第五章详细阐述了视频图像无线传输的实现。首先详细阐述了无线网卡的驱动 移植，无线网卡的驱动加载采用模块加载的方式，需要生成驱动模块。本系统使用 的是a s u sw l - 1 6 7 9v 2 无线网卡，该网卡采用r t 7 3 芯片，该芯片有开源的l i n u x 驱动r t 7 3 - l i n u x _ s t a _ d r v l 0 4 0 t a r g z ，修改部分代码，并进行交叉编译生成 r t 7 3 k o 驱动模块，移植到a r m 开发板上。 接着详细介绍了视频传输协议u d p 协议。u d p 是一个不可靠的、无连接的协议， 它的主要特点是传输效率高，但可靠性比较低。它被广泛的应用于传输语音或者视 馐 一 v i 韶，。一m m v 撕w 蝴嘶一“一c m m 错懒删蝴黼。博，。删眇。 ；if，p & 一 福建师范大学张存利硕士学位论文 频之类的场合。考虑到视频传输系统实时性的要求，系统采用r t p r t c p 流媒体传输 协议作为视频流传输的解决方案，实时传输协议r t p 是一个在应用层上实现的网络 传输协议，它的基本功能是将几个实时数据流复用到一个u d p 分组流中。实时传输 控制协议r t c p 主要负责处理反馈、同步和用户界面等信息，但是不传输任何数据。 本章最后系统地研究了m p e g 一4 视频流的r t p 封包策略，通过j r t p l i b 的移植， 搭建了流媒体传输的嵌入式环境，利用j r t p l i b 库，实现一个基本的r t p r t c p 架构， 成功地对压缩的m p e g 一4 视频流进行流媒体实时传输。 最后，总结了本论文所完成的主要研究工作、取得的研究成果以及尚存在的不 足，并提出今后可继续开展的工作和期望。 v i i r 一 福建师范大学张存利硕士学位论文 v i i i t 黻一，崎哪帮 一矿舯 t “- 一础州“嗍蝴舶嘲螂棚嘲朔鞘潮噼”岍| 荫i 嘲鼬断# 辟姻嘲黼睡螂鼢嘲舡，伸， 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t 。i i i 中文文摘。v 目录i ：j i ： 绪论1 第一章无线视频传输系统的总体设计7 第一节系统总体设计思路7 第二节嵌入式前端设备的硬件设计8 1 2 1 系统主控制器。8 1 2 2 视频采集模块9 1 2 3 无线通信模块9 第三节嵌入式前端设备的软件设计 第四节本地接收服务器的设计1 0 - 第五节本章小结1 1 第二章嵌入式系统环境构建1 3 。 第一节嵌入式系统概述- 1 3 2 1 1a r m 处理器的介绍。- 1 3 - 2 1 2a r m 9 的主要特点1 4 2 1 3a ：i ；：i m 9 2 0 t $ 3 c 2 4 4 0 a 一1 6 - 第二节l i n u x 操作系统开发1 7 - 2 2 1 交叉编译环境的构建1 7 - 2 2 2 嵌入式系统中的b o o t l o a d e r 移植- 1 9 2 2 3l i n u x 内核以及文件系统的移植- 2 0 一 第三节系统平台g u i 环境建立。- 2 1 2 3 1q tf o re m b e d d e dl i n u x 的底层图形引擎- 2 1 - 2 3 2q tf o re m b e d d e dl i n u x 的信号与槽机制。- 2 2 - 2 3 3q tf o re m b e d d e dl i n u x 的移植与应用- 2 3 - i x 史，钿 - _ 、 福建师范大学张存利硕士学位论文 第四节本章小结- 2 8 一 第三章摄像头视频数据采集一2 9 - 第一节u s b 摄像头驱动程序的加载2 9 一 第二节基于v i d e 0 4 l i n u x 的视频数据采集3 1 _ 第三节本章小结3 5 一 第四章m p e g 4 数字视频压缩技术3 7 第一节基于对象的m p e g - 4 视频编码3 7 。 第二节m p e g 4 压缩编码在l i n u x 平台上的实现矿3 8 。 4 2 1x v i d 编码器在l i n u x 平台上的移植3 8 4 2 2x v i d 编码算法的实现3 9 第三节本章小结- 4 0 一 第五章视频图像无线传输技术。- 4 l 一 第一节无线网卡的驱动移植4 1 第二节视频传输协议。一4 4 - 5 2 1 网络传输协议一4 4 5 2 2 流媒体传输协议一4 5 一 第三节流媒体传输模块的软件实现4 6 5 3 1j r t p l i b 嵌入式环境的搭建。- 4 6 5 3 2 网络传输的应用程序实现一4 7 - 5 3 3 系统的运行结果一4 9 一 第四节本章小结一s 0 一 第六章结论一5 1 - 第一节本文总结。- 5 l - 第二节工作展望。一5 2 一 参考文献。一5 5 一 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果一6 1 一 致谢。- 6 3 - 个人简历- 6 5 一 翰轴螨蝻自_ # 椭一一r r 十p t j i p x 稍q 蝴稿搀l ￥嘞帆阳嘞断蝴瞬 蛳m * “t 怖撼噼摊鞠瞳硝黼幽蝴蛳嘲酾馘i 蝴婚嘲蝴 稿蝴瓣雕抽怫曲钿聃黼黼鲥t 冉嫱嘲h 十一州砌幡m 。 ，罐| 嘲黼嘲黼黼 、矿 k 厶 白 绪论 绪论 1 课题研究的背景及意义 在人类的社会经济生活中，视频通信占据着非常重要的地位。有关的研究表明， 人类通过视觉感受所获取的信息占到总信息量的5 5 - - 6 0 ，通过说话者的语音获 取的信息占3 3 - - 3 8 ，而只有7 的信息是通过内容获取【1 1 。随着计算机技术、网 络通信技术以及各种视频处理技术的日臻成熟，针对i n t e m e t 网络视频方面的投入 在迅速增加，相关应用也越来越广泛。其中，网络视频传输系统以其应用领域的广 泛性越来越被人们所重视。 无线网络技术的飞速发展，无线网络传输带宽不断提高，实时数据传输能力不 断增强，无线局域网日益普及，基于无线局域网的视频传输迅速成为了研究的热点。 与有线网络相比，无线网络具有组网灵活、可扩展性、便携性好、网络改造方便、 维护费用低等优点。无线视频传输系统性能方面的不断提升，使其渐渐能够在有线 网络无法到达的地区也能实现视频传输。 本课题来源于福建省教育厅a 类研究项目基于无线信道传输质量的动态图 像自适应传输技术，也是福建省科技厅重点项目“现场视频无线动态传输系统”的 扩展研究，针对无线信道的传输特点，利用嵌入式l i n u x 技术、8 0 2 1 1 技术、m p e g - 4 视频压缩编码技术来实现局域网视频的实时采集、压缩编码与传输，设计一个通用 的无线视频传输平台。通过该平台可以构筑各种网上视频点播系统、视频会议系统 以及视频监控系统。 2 无线视频传输领域的研究进展 ( 1 ) 无线视频传输的特点 视频是流特性业务，数据量很大。若以常用的c 1 f 格式真彩色视频为例，在未 经压缩的p a l 制式中，其r g b 数据至少需要3 5 2 x 2 8 8 x 3 x 8 x 2 5 = 5 8 0 1 m b i t s 2 1 。 可见，视频数据传输对带宽的要求很高，如果对如此大的视频数据不压缩就进行传 输，显然不太现实，因此，在数据传输过程中，必须要进行压缩。如果要进行实时 传输的话，那么还要控制帧与帧之间的传输延时，保证视频传输的连续性。 目前，在有线网络中，实时视频数据传输中所要求的网络带宽以及延时保证都 矗， 中 j ，i 福建师范大学张存利硕士学位论文 得到了很好的解决【3 】。在有线通信发展的同时，无线传输也在不断进步。无论从什 么角度来看，无线通信都是通信产业中发展最快的。 无线通信( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 是利用电磁波信号在自由空间中的传播 的特性进行信息交换的一种通信方式。无线传输的实际应用给人们生活以及通信 方式带来了巨大的变化。随着移动通信业务的增加，无线通信已经广泛的应用于各 个领域，比如：家居、工业系统、商业系统和军事环境等。但无线通信环境要比有 线通信环境恶劣。 与有线信道不同，无线信道是开放的变参量信道，是一个典型的有噪声信道， 可以说，随机的无线信道并不是理想的传输媒介1 4 】。在无线通信环境下实现视频传 输，主要面临着以下几个问题【5 】： ( 1 ) 无线信道的不可靠性和带宽波动。无线通信网络目前只能给用户提供有限的 传输带宽，采用基于码分多址的c d m a 2 0 0 0 1 x 制式，最高下载速度1 5 3 k b i t s ，现网 实测只有1 0 0 k b i t s 左右。采用g p r s 技术，是基于g s m 网络发展而来的新型分组 交换数据应用业务，带宽理论最高1 7 1 2 k b i t s ，中国移动现网测试只有3 5 k b i t s 左右。 第三代移动通信技术( 3 g ) 逐渐走向实用乃至普及为传输视频、音乐、图像等 多媒体业务提供了良好的发展平台。在准静止条件下，3 g 系统速率能够达到 2 m b i t s ，在慢速移动时，传输速率为3 8 4k b i v s ，在高速运动的情况下，传输速率也 可以达到1 4 4 k b i t s 。而无线局域网的信道传输速率可以达到甚至超过5 4 m b i t s ，完 全可以向准静止终端提供宽带的视频多媒体业务 6 1 ，暂时缓解了带宽瓶颈。 当信号在无线信道传输时，如果发射机、接收机或周围物体在运动，多径反射 和衰减的变化将使信号经历随机波动，导致突发性或随机性的传输差错时有发生。 同时，无线信道的不确定性，传输速率的时变性也导致数据传输的可靠性无法保证。 信道误码率较高，服务质量无法提供可靠保证。 ( 2 ) 用户的异构性。现在，无线手持设备( 手机、p d a 等) 的功能越来越多，而不 同的手持终端兼容的工作模式、支持的应用也不尽相同。不管是软件，还是硬件方 面都存在着较大差异。不同的网络用户使用的连接带宽也不大相同，对视频内容、 服务质量等个性化需求也不尽相同。 无线信道的特征决定了无线网络的设计与有线网络的设计截然不同【4 】。为了有 效的利用带宽有限的无线信道，提高数据传输的可靠性，降低信道的误码率，保证 高质量的视频数据传输及显示，必须选择高效的视频编码方案。视频编码必须满足 之 o - 绪论 如表1 所示要求： 表1 视频编码的性能指标和设计要求 t a b l e1 孤ep e r f o r m a n c ea n dr e q u i r e m e n t so ft h ev i d e oe n c o d i n g 性能指标设计要求 视频压缩比高效，描述视频图像使用的比特数尽可能少 传输实时性传输时延更少，编码速度更快 传输鲁棒性尽量减少错误比特对视频码流负面影响 冬 视频恢复质量视频恢复质量要让用户满意 曲 支持q o s 的视频业务提供与用户支付费用相当的服务 研究视频编解码机制有助于提高系统的编解码效率和抗干扰能力。表1 的多个 性能指标是相互制约的，在系统的设计过程中，需要根据具体情况，寻找一个最佳 的平衡点。 ( 2 ) 数字视频压缩算法概述 在这种背景下，图像视频编码技术的重要性日益突出，很高的理论研究及实际应用 ， 价值使其倍受人们关注。 关于视频压缩的算法和标准很多。国际电信联盟远程通信标准化组o t u d 开 发了用于低比特率电视电话会议电视的h 2 6 x 标准，包括h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 等系列：国际标准化组织( i s o ) 国际电工委员会( i e c ) 针对活动图像定义了 m p e g ( 活动图像编码专家组) 系列压缩标准，包括m p e g 一1 、m p e g 一2 与m p e g - 4 等。2 0 0 3 年，i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g 两个国 际标准化组织的专家联合组成j v t ( j o i n tv i d e ot e a m ，视频联合工作组) ，共同 提出了新一代数字视频编码标准一一h 2 6 4 标准。i s o 和国际电报电话咨询委员 会( c c i t t ) 联合制定的数字图像压缩标准j p e g ，也广泛应用于压缩图像序列视频。 另外，我国具备自主知识产权的数字音视频编解码技术标准( a v s ) ，解决的重点问 题也是数字音视频海量数据的编码压缩问题7 】【8 】。图一是数字视频编码标准的发展 过程： l 0 f ， t 福建师范大学张存利硕士学位论文 a v s l 揣 iil 1 9 8 41 9 8 u1 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 22 0 0 42 0 0 6 图1 数字视频编码标准的发展过程 f i g u r e1t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ed i g i t a lv i d e oc o d i n gs t a n d a r d 多个成熟强大视频压缩标准的问世，为数字视频应用到更广泛的空间，提供了 坚实的技术基础。其中，m p e g - 1 和m p e g - 2 是采用以香农信息论为基础的预 测编码、变换编码、熵编码及运动补偿等第一代数据压缩编码技术；m p e g 一4 则是基于第二代压缩编码技术制定的国际标准，它以视听媒体对象为基本单元， 采用基于内容的压缩编码，以实现数字视音频、图形合成应用及交互式多媒体 的集成。m p e g 系列标准对v c d 、d v d 等视听消费电子及数字电视和高清晰 度电视( d t v & & h d t v ) 、多媒体通信等信息产业的发展产生了巨大而深远的 影响。与其他视频编码标准相比，m p e g - 4 有如下优点：( 1 ) 基于内容的交互：( 2 ) 高效的压缩性；( 3 ) 通用的访问性等【8 】【9 】。 ( 3 ) 无线局域网的基本概念 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 是指采用无线传输媒体的计 算机局域网。它是无线电通信技术与计算机网络技术相结合的产物 1 3 1 【1 4 1 。它采用 i e e e 8 0 2 1 1 标准。与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、便于扩 展等优势。主要应用于校园网和办公室局域网，解决用户终端与终端的无线接入。 ( 4 ) 嵌入式l i n u x 系统设计 根据嵌入式系统的特点，其被定义为：“以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要 求的专用计算机系统【1 5 】。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 堪一 p ， p 绪论 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管 理等功能。由于嵌入式l i n u x 系统属于自由软件，用户不用支付任何费用就可以获 得它和它的源代码，并且可以根据自己的需要进行必要的修改。它具备u n i x 系统 的全部特征，其中包括真正的多任务、虚拟内存、共享库、需求装载、共享的写时 复制程序执行、优秀的内存管理，以及t c p i p 网络支持等突出的特点，设计中选择 了嵌入式l i n u x 作为系统的软件操作平台。 ( 5 ) q t 软件开发 q t 是诺基亚( n o m a ) 的q td e v e l o p m e mf r a m e w o r k s 部门的产品。它是一个跨 平台的c + + 应用程序开发框架，有时又被称为c + + 部件工具箱。q t 开放源代码，并 且提供自由软件的用户协议，使得它可以被广泛地应用在包括l i n u x x l l ，m a c ， m s w i n d o w s ，w i n d o w sc e m o b i l e ，s y m b i a n 和嵌入式系统等各平台上的开放源代 码软件开发中。经过多年发展，q t 不但拥有了完善的e 阡图形库，能提供给用户精 美的图形用户界面所需要的所有元素，而且它还是基于一种面向对象的思想，用户 对其对象的扩展相当容易，并且它还支持真正的组件编程，近年来的版本逐渐集成 了数据库、o p e n g l 库、多媒体库、脚本库、x m l 库、w e b k i t 库等等，其内核库 也加入了进程间通信、多线程等模块，极大的丰富了q t 开发大规模复杂跨平台应用 程序的能力，l i n u x 下的桌面环境k d e 就是基于q t 开发的。此外，q t 还被用在o p e r a 、 o p i e 、v o x o x 、g o o g l ee a r t h 、s k y p e 和v i r t u a l b o x 的开发中。 简单地说，q t 是一个跨平台的应用程序和u i 框架。它包括跨平台类库、集成 开发工具和跨平台i d e 。使用q t 您只需一次性开发应用程序，无须重新编写源代 码，便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署这些应用程序。 3 论文的主要研究内容及结构安排 本课题基于嵌入式l i n u x 和8 0 2 1 1 无线通信网络，应用基于内容的多媒体数据 压缩编码标准m p e g - 4 开发局域网无线视频传输系统。首先研究了l i n u x 操作系统 原理、系统特点，并在嵌入式硬件平台a r m 9 2 0 ts 3 c 2 4 4 0 a 上构建了可以满足项 目要求的嵌入式l i n u x 内核。在此基础上，研究了l i n u x 操作系统下的m p e g - 4 视 频数据压缩、t c p i p 协议、流媒体传输协议、无线局域网实现视频数据流传输的应 用软件的设计开发，使软件的设计不仅能够满足系统的要求，并且可以实现较好的 性能。最后，构造了一个基于a r m 9 2 0 ts 3 c 2 4 4 0a 硬件平台和嵌入式l i n u x 操作 系统、8 0 2 1 1 无线局域网实现视频数据实时采集与无线传输的通用模型。 l 福建师范大学张存利硕士学位论文 本课题的研究内容和拟解决的问题如下： 1 、嵌入式前端设备的硬件设计、软件结构分析和设计实现。 在嵌入式l i n u x 操作系统下实现8 0 2 1 1 模块的应用、图像压缩处理模块的应用 开发，完成视频数据流的压缩编码。 2 、接收服务器的软件设计和实现。 接收服务器软件用于对嵌入式前端设备的控制与管理，图像数据的接收、存储、 回放等。 3 、发送设备与接收服务器的数据通信的设计与实现 数据包的封装、缓存、协议处理等。 论文分为五章，将分别阐述在系统设计实现过程中的设计要点、关键技术和部 分具体实现代码。 论文的结构安排： 第一章：介绍了课题研究的无线视频传输系统的总体设计方案，给出了一种基 于$ 3 c 2 4 4 0a 硬件平台和嵌入式l i n u x 操作系统的无线视频数据实时采集与传输的 通用模型。 第二章：介绍了嵌入式系统环境的构建。对嵌入式系统平台进行了概述，详细 阐述了嵌入式系统软件开发环境的建立流程，完成了b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 内核 以及文件系统的移植。详细的讲述了如何构建系统平台g u i 环境。 第三章：介绍了摄像头的视频采集。详细阐述了u s b 摄像头驱动程序的加载， 并根据l i n u x 下软件开发中使用v i d e 0 4 l i n u x a p i 编程接口，完成了视频的采集功能。 第四章：介绍了基于对象的m p e g 一4 视频压缩技术。将l i n u x 平台下开放源代 码的m p e g - 4 编解码器叫v i d 移植到了a r m 平台上，并实现了x v i d 编码算法。 第五章：介绍了视频图像的无线传输技术。实现了无线网卡的驱动移植，分别 阐述了网络传输协议和流媒体传输协议。通过j r t p l i b 的移植，搭建了流媒体传输 的嵌入式环境，实现了视频图像的实时传输。 第六章：对本文进行总结并对后续工作进行了展望。 图1 1 系统总体结构框图 f i g u r el - 1t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 嵌入式前端设备采用基于a r m 的嵌入式系统设计完成。主要负责把u s b 摄像 头采集到的视频数据信息，使用m p e g 4 视频压缩模块进行软件压缩编码，生成 m p e g 4 码流，然后通过8 0 2 11 9 无线传输模块将m p e g - 4 码流传输到无线接入点 ( a c c e s sp o i n t ，a p ) ，最后经过a p 转发到指定的本地视频接收服务器上。 本地视频接收服务器是带客户端软件的网络主机。它负责对嵌入式前端设备进 行控制以及对前端设备传回的视频数据进行分析、存储、显示和管理。 其它客户端用户可通过有线或无线方式访问该接收服务器，获取远程视频图像。 1 澎 p】 福建师范大学张存利硕士学位论文 第二节嵌入式前端设备的硬件设计 嵌入式前端设备的硬件平台主要包括：a r m 9 处理器( $ 3 c 2 4 4 0 a ) 、视频采集 模块、f l a s h 和s d r a m 部分、8 0 2 1 1 无线网络通信模块( a s u sw l 一1 6 7 9v 2 ) 、电 源模块。系统硬件组成框图如图1 2 所示。 图1 - 2 系统硬件框图 f i g u r e1 - 2t h eh a r d w a r eo f t h es y s t e m 视频数据使用高清c m o s 摄像头进行采集，通过m p e g - 4 视频压缩模块压缩编 码，形成m p e g 4 码流，a r m 9 处理器以8 位数据总线方式对数据进行缓存等处理， 然后将处理后的数据通过串口经无线网络通信模块发送出去。 1 2 1 系统主控制器 系统主控制器是硬件部分的核心。本系统的硬件平台采用上海双实科技有限公 司的a r m 嵌入式教学实验系统e a 2 4 4 0 a 。核心c p u 采用s a m s u n g 公司的主流 a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 。硬件设计上采用核心板加底板的设计思想，核心板采用6 层板设计，而底板采用4 层板设计。$ 3 c 2 4 4 0 a 基于a r m 9 2 0 t 内核，主频高达 4 0 0 m h z ，内部带有全性能的m m u ( 内存管理单元) ，它适用于设计移动设备类产 品，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小的优良特性，是目前a r m 9 处理器的 一款主流芯片。 核心板标配6 4 mb y t e ss a m s u n gn a n df l a s h 及6 4 mb y t e ss d r a m ，可稳定运行 l i n u x 、w i n c e 、v x w o r k s 、“c o s 。i i 等嵌入式实时操作系统，并可任意内置多操作 系统。并标配8 寸t f t 彩色液晶屏及触摸屏。 第一章无线视频传输系统的总体设计 1 2 2 视频采集模块 本系统使用中星微3 0 1 系列高清芯片u s b 摄像头，该摄像头采用c m o s 感光 元件，与c c d 相比尽管在成像质量上有所差距，但采用5 0 0 万像素数码相机高档 五玻璃高清镜头，使摄像头的分辨率最高可达1 0 2 4 x 7 6 8 d p i ，而且还提供3 6 0 。全 方位视角，能基本满足了视频采集的需要。 1 2 3 无线通信模块 无线通信模块主要完成与计算机的通信和数据传输，它是通过u s b 接口的无线 网卡来实现的。本系统通过使用a s u sw l - 1 6 7 9v 2 无线网卡在前端监控设备和后 端接收服务器