蓝牙视频传输系统设计

时间：2007-09-24

　　摘　要：蓝牙技术是一种抗干扰能力强、保密性好、功耗低的短距离无线通信方式。MPEG4是一种压缩率高、对传输带宽要求低、图像质量高的图象编码技术。提出了一套视频传输系统的实现方案。该方案基于OMAP1510具有的独特双核结构，结合蓝牙和MPEG4编码技术，实现窄带宽下的视频图像实时传输。分析了影响系统性能参数的因素，并提出了相应的改进方案。

       关键词：嵌入式；蓝牙；MPEG4；实时性

        引　言

      随着无线传输以及视频压缩技术的迅速发展，通过无线网络进行视频实时传输已经成为可能。目前存在的短距离传输通信技术有蓝牙、802.11等。与其他技术相比蓝牙明显的优点是功耗低、尺寸小和抗干扰能力强。这种优点正符合了目前以便携式为主流的视频传输系统的要求。但是，蓝牙的带宽比较窄，如果想满足实时性和图像质量两方面的要求，必须选择一种压缩效率高的图像编码标准，MPEG4编码技术即可满足这个要求。

      本文正是基于以上因素，采用嵌入式系统将蓝牙技术和MPEG4编解码技术结合在一起，提出一套视频图像传输的方案，并建立起了整个系统，通过对系统性能的测试，达到了实时性和高图像质量的传输要求。

        关键技术和芯片介绍

        蓝牙技术
　　“蓝牙”是一种短距离的无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。“蓝牙”计划主要面向网络中各类数据及语音设备，使用无线微波的方式将他们连成一个微微网，多个微微网之间也可以互连，从而方便快速地实现各类设备之间的通信。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，采用时分双工传输方案实现全双工传输。

　　蓝牙1.0标准由2个文件组成。一个是部分(Foundation Core)，他规定的是设计标准。另一个是协议子集部分(Foundation Profile)，他规定的是运作性准则。

　　蓝牙协议可以分为4层，即协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层。

　　蓝牙的协议包括基带(baseband)、链路管理(LMP)、逻辑链路控制与适应协议(SDP)4部分。

      链路管理(LMP)负责蓝牙组件间连接的建立。通过连接的发起、交换、核实，进行身份鉴权和加密等安全方面的任务；通过协商确定基带数据分组大小；他还控制无线单元的电源模式和工作周期，以及微微网内蓝牙组件的连接状态。

      逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)位于基带协议层之上，属于数据链路层，是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。

      业务搜寻协议(SDP)是极其重要的部分，他是所使用模式的基础。通过SDP，可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立2个或多个蓝牙设备间的连接。

      蓝牙作为一个公开的无线应用标准，通过把各种语音和数据设备用无线链路连接起来，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。无疑，他将在人们的日常生活和工作中扮演重要的角色，正成为21世纪的投资热点。

        MPEG4编码技术
       MPEG4于1999年初正式成为国际标准，是一个适用于低传输速率应用的方案，他不仅是针对一定比特率下的视频编码，更注重多媒体系统的交互性和灵活性。

　　MPEG4标准主要应用于视像电话、视像电子邮件和电子新闻等，他对传输速率的要求较低，MPEG4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求用少的数据获得的图像质量。

      MPEG4技术包括2个主要部分：视听对象的编码工具集以及描述编码工具和编码对象的句法语言。MPEG4标准的编码是基于对象的，这样就便于操作和控制对象，而传统压缩方法是基于帧的。由于传输带宽的限制，必须对压缩比特流进行控制，这就直接会影响图像的质量。过去在比特率低时，整帧图像的质量都受到影响没有灵活性可言；而MPEG4中对比特率控制可以基于对象，即使在低带宽时，也可以利用码率分配的方法，对于用户感兴趣的对象可以多分配一些比特率，而对于用户不感兴趣的对象可以少分配一些比特率，这样图像主观质量就可以得到保证。一个视频对象可以包含有一层或者多层来实现可分级编码。可分级句法可以实现以层形式表示的视频重构，视频编码从基本层开始，再加上一定数量的增强层，这样可以根据带宽或者运算能力的不同而有选择地产生MPEG4视频流。一个MPEG4视频场景包含一个或者多个视频对象。每一个视频对象都用时域和空域信息来表征，这些信息以物体形状、运动和纹理的形式来表示。目前，MPEG4编码技术的发展已经相当成熟，并因其出色的多媒体性能越来越受到人们的关注。

        OMAP1510和GO7007SB
　　OMAP1510具有独特的双核结构，处理器内含一个增强型ARM 处理器(ARM925)和TI公司研制出的低功耗定点DSP(TMS320C55x)。设计这一双组件的目的就是为了有效处理多媒体应用和MMI应用。在这两个中，ARM925用于执行操作系统(OS)，而DSP用于处理所有多媒体应用。除了这两个功能强大的外，OMAP组件中还备有各种各样的片上外围设备，使用户能够以一种几乎无缝的方式与USB，UART，蓝牙组件以及GSM模块等通用组件接口。

      GO7007SB是一款多媒体视频压缩芯片，使用多种算法缓冲和压缩视频数据，通过USB口供电和传输数据，输出的视频流可以是MPEG1，MPEG2，MPEG4，MJPEG或者H.263格式，输出图像的分辨率范围64×64～720×576，并可以根据具体需要修改相应寄存器和编码参数的设置。他的编码数据来源于一个CMOS传感器。

        系统构建

　　确定系统的实现方案为：系统视频数据的采集、编码和发送端主要由传感器、GO7007SB、OMAP1510和蓝牙CLASS2(BC02)4部分组成；视频数据的接收、解码和显示端采用CLASS2(BC02)和OMAP1510(DSP进行数据解码、LCD进行显示)的组合，进而构成整个系统。
　　本系统中的数据主要是指采集和编码的视频图像数据，数据在硬件中传输的流程如图1中箭头所示。

        系统的软件实现

　　综合GO7007SB的SDK、蓝牙协议栈以及数据在系统中的流向3方面的因素，终确定了按图2所示的流程来实现视频数据的采集、编码和发送功能，按图3所示的流程来实现视频数据的接收、解码和显示功能。

        实验结果及分析

　　终实现了系统构建的方案：

        发送端
       (1)CMOS传感器；
       (2)GO7007SB编码；
       (3)格式：MPEG4压缩编码，NTSC制式，QVGA格式(320×240)；
       (4)OMAP1510进行控制和操作；
       (5)蓝牙CLASS2(BC02)进行发送。

        接收端
        (1)蓝牙CLASS2(BC02)进行接收；
        (2)OMAP1510的DSP进行解码；
        (3)OMAP1510的LCD进行显示。

      视频图像传输过程中关心的问题就是实时性和图像质量，在视频编码使用GO7007SB的前提下，即编码效率确定的前提下，帧率和比特率对这两方面的影响就很显著了，同时GO7007SB编码参数的设置必须和蓝牙的传输速率匹配，图像传输的实时性才能得到保证。

      蓝牙BC02模块的理论传输值可以达到1Mb/s，作者实际对系统进行测试之后发现BC02的平均传输速率在700kb/s左右。GO7007SB虽然可以进行比特率和帧率的设置，但是无法做到严格的限定，通过对多个图像数据的统计，发现GO7007SB比特率的实际值较之设置值会有一定的浮动，当设置其编码的比特率为512kb/s的时候，他的实际值可能已经达到600kb/s以上。

　　综合上述因素，同时考虑到接收端DSP解码和LCD显示的效率，为了达到的视频传输效果，决定设置GO7007SB的编码比特率为512kb/s，帧率为15帧/秒，图像格式QVGA(320×240)。终通过对系统的测试，得到表1中的数据。

       基本上满足视频图像实时性传输的要求，QVGA格式的图像质量也符合要求。总的来说本次实验达到了希望的效果。

        结　语

　　本实验利用OMAP1510，GO7007SB和蓝牙CLASS2(BC02)作为发送端，OMAP1510，CLASS2及OMAP1510中DSP解码器作为接收端，终实现了通过蓝牙实时传输视频编码数据的系统通道。对于本次实验的条件而言，已经达到了传输视频数据的图像质量和实时性2个方面的要求，同时这套系统还有可以改进的地方，提高性能可以在以下两个方面进行：

      (1)空中传输部分：本次实验作者使用BC02模块，他的传输速率有限，BC04模块的理论传输速率可以达到3 Mb/s，如果采用BC04模块来替换BC02模块的话，对系统性能的提高可想而知；

      (2)解码器的优化：使用OMAP1510的DSP进行解码，他的解码速率为20帧/s，如果采用更高效的解码器或者提升现有解码器的解码效率，系统的性能也会有所提高。由于时间和实验条件的原因，作者并没有搭建和测试用BC04和其他解码器组成的系统所达到的性能。

　　总体来说，本套系统的设计，对后端解码和显示的硬件及软件的要求比较宽松，同时可适用于监视器、多媒体娱乐等多种场合下。在当今的以便携式为主流方向的多媒体应用中，不失为是一种较好的选择。　　

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