数字可视对讲工作原理.doc

智能家居系统数字可视对讲工作原理一、引言目前，成熟的智能家居系统的室外机、门禁可视对讲和门禁控制几乎全部采用模拟信号，安装时需要架设专用网络，布线复杂，不可扩展，灵活性差，传输距离短，投资大，维护成本高。随着市场需求的增长、消费者消费观念的提高以及模拟系统沉重的工程维护代价，结合以太网技术的全数字室外机和门禁产品成为研发的热点。但是在诸多因素影响下，当前的数字门禁产品不成熟、不稳定、价格高昂，特别是门禁对讲中的音视频同步问题，一直以来都是数字可视对讲的短板。二、音视频同步问题概述音视频同步问题是可视对讲中的重点需要解决的问题之一，也是一直以来被模拟门禁产品厂商攻击的一个弱点，因为模拟可视对讲产品都采用专线传输，不存在这个问题。解决同步问题的方法有很多种，其中时间戳是最成熟最完美也是最复杂的解决办法，可以解决任何多媒体领域的音视频同步问题;其原理是选择一个参考时间，在生成数据流时依据参考时间上的时间给每个数据块都打上时间戳;在播放时，读取数据块上的时间戳，同时参考当前时钟上的时间来安排播放，让快于这个参考时间的包等待，丢弃慢于这个参考时间的包。在基于时间戳的同步机制中，仅仅对不同步的数据进行处理是不完备的，还需要反馈机制，如基于Windows平台的DirectShow就提供这样一个反馈机制，它的质量控制(QualityControl)可以将播放的状态反馈给源，让源端加快或者放慢数据流的速度。在多媒体文件采集，播放及对同步的要求都非常严格，如果从多媒体文件中分离出音视频数据的数据不同步，音视频的时间差则会越来越大，这是无法忍受的，所以在多媒体文件中，不但要求有同步机制，还要求有反馈机制。三、数字可视对讲中的音视频同步方案在数字可视对讲中，可以考虑的音视频同步方案有两种：一是发送端解决;二是接收端解决。发送端解决方法比较简单，具体措施是在发送端先将一段时间内采集到音视频数据打包。比如采集到一帧视频图像，将这帧图像与采集这帧视频的时间内采集到的视频数据打成一个包，接收端接收到这个包之后解包分别播放就可以了。发送端解决的控制方法比较简单，但是在高清要求清晰度比较高的情况下就不是很理想，清晰度高，意味着每个音视频包数据量就大，能保证同步，却难以保证连续。我们在同一个线程中按照先后顺序发送PCM音频和H.264视频，测试结果表明这种方法确实存在连续问题。接收端解决方案绕不开的问题是时间戳，接收端根据接收到的音视频数据的时间戳安排播放。时间戳需要一个参考时间，而采集过程中视频的时间是不定的，数字摄像头采集图像的帧率是一个平均值，不宜用来做参考时间，所以只能用音频时间作为参考时间。四、声卡编程和声卡驱动的时间机制门禁可视对讲中音频是双向的。本文的门禁可视对讲方案中，音频的采用PCM(PulseCodeModulation脉码调制录音)采集，在网络中传送的也是原始数据，之所以没有对音频数据进行编码处理是基于以下原因：一是S3C6410没有提供对音频的硬编解码，如果使用软件实现编解码，在有限的系统资源条件下难以实现;二是音频数据量较小：采用8000采样率和量化位数为8位的电话语音标准，一秒的音频数据是8K字节，只相当于视频1帧数据的两倍，这对普遍拥有百兆网卡的局域网来说，数据量很小。实验的结果表明，这种简单的处理方式被证明是有效的。Linux操作系统下音频接口有/dev/dsp,/dev/audio,/dev/Mixer三种。前两种的属性基本相同，DSP是数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)的简称，是用于数字采样(sampling)和数字录音(recording)的设备文件，它对于Linux下的音频编程来讲非常重要。向该设备写数据即意味着激活声卡上的D/A转换器进行放音，而向该设备读数据则意味着激活声卡上的A/D转换器进行录音。目前许多声卡都提供有多个数字采样设备。/dev/audio属性与dsp类似，但更多的用于sun的工作站中，为兼容性考虑，应用中一般使用/dev/dsp作为音频接口。mixer为混音器，也是声卡设备中相当重要的一部分，它的作用是将多个信号组合或者叠加到一起，但对应用程序来说，这些都无需考虑，但可以通过这个接口调节声卡播放时声音的大小等参数。无论是Linux下还是Windows下，声卡的编程接口都是由声卡驱动提供的，而驱动都是会考虑到时间机制的，其表现形式就是当声卡驱动没有装好时，使用播放器播放多媒体文件时声音以极快的速度过去了，但是声卡驱动装好之后就很正常了，本文的音视频同步解决方案即以此为基础。五、基于音频时间机制的音视频同步解决方案与文件形式的多媒体不同的是，可视对讲中音视频流的源端是永远同步的。所以一种简单的解决方案是发送端启用独立的音频和视频线程，进行音视频采集，采集后只管往外发送数据，接收端接到数据就分别解码播放，从表面看，这种采用无同步机制多线程解决方案是可行的，但是忽略了一个问题，即音频数据包和视频数据包的大小。包的大小会影响网络传输的速度。这种差别在网络条件好的情况下显示不出来，一旦遇到网络拥塞或者其他情况就会变得很明显。根据对音频采集和处理的叙述，我们知道，音频的采集是有时间机制的。比如采样率是8000，采样位数是8，我们就可以算出采8K字节的数据所用的时间是1s，这样音频就可以按照自己的速度播放;而摄像头每秒采集的帧数是相对固定的，如OV9650采集速度为平均每秒30帧，这样即可以算出1/30秒(约为0.03333，具体精度可以根据要求决定)刷新一帧图片，这种方式中只要保证源端音频视频的采集是同步的就可以，而门禁对讲过程中，这种同步是原生的。接收端接收到音频数据，直接交给声卡播放，当前播放的音频包的时间戳时间传送给视频线程;接收到视频帧，则将其时间戳时间与当前播放的音频时间戳进行比较，若未达到参考时间，则解码播放;若达到参考时间，则说明该视频帧滞后，丢弃该视频帧，接收下一个视频帧，循环往复，直到线程接收到结束命令停止;以上述音频采样率和采样位数为例，视频参考时间的计算方法为(以C语言格式的?号表达式表示)：音频时间戳时间+1/30视频时间戳时间?丢弃：播放;在编程实现时，采集端和播放端的音频和视频可采