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r,“·H.;~’一P}‘i¨‰分类号—— 密 级UDC—— 学校代码 10497 武洚程歹大穿 学 位 论 文 题 目 叁王△垒鱼!Qi垦鲍垒鉴堡墨丝遮盐墨塞堡一一 ..—— Design and Realization of Multimedia 英文The 题 目 墨Y墨!叟堕旦垒墨曼鱼Q望△垒鱼!旦i垦 研究生姓名 张孟东 副教撞一学位 塑± 指导教师 430070 申请学位级别 硕士 学科专业名称盐笠扭銎堂墨垫盔
论文提交日期 2Q!!生垒月
论文答辩日期 2Q!!生§.旦一 学位授予单位盎垫墨三盘堂学位授予日期 答辩委员会主席 庄尘± 201 1年5月 』IIJlIl lIl IJl J IJl lIJ I IJII JF IJIJ }Y1 879968 独创性声明 本人声明,所呈交的
论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,
论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在
论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名: 弘之者. 日期: 2.oil.箩.t‘ 学位
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(保密的
论文在解密后应遵守此规定) 研究生(签名):圣垒塾圭:导师(签名): 日期:堡!竺多 摘 要 目前在通信领域,智能终端产品受到广泛关注,智能手机、平板电脑、上网本、MD、电子相框等产品层出不穷,而且正在逐渐改变人们的生活。
智能终端之所以能成为潮流,一方面是由于人们对信息多元化和个性化的追求,另一方面也跟终端技术的进步以及操作系统平台的不断丰富有关。
同样在多媒体产品领域,人们不再满足于单调的音视频播放功能,而是追求更加丰富的娱乐应用。
因此,除了对硬件配置有更高要求外,一个有更好体验效果的操作系统平台也成为人们选择产品的标准。
Android作为操作系统平台的后起之秀,正以其开放性、用户体验好等特点,逐渐成为该领域的领航者。
本课题正是基于Android系统,设计并实现了一个多媒体产品的原型。
首先介绍了现有终端系统平台各自的优劣势,并分析了目前市场上多媒体产品存在的问题以及发展趋势,在此基础上提出了一种全新概念的多媒体产品设计方案,其特点表现在: 1)选用智能操作系统平台,具有更好的用户体验和可扩展性,而传统多媒体产品功能单一,扩展性差: 2)硬件设计合理,相比其他多媒体产品增加了摄像头、WiFi等模块,能满足更丰富的应用需求,而与同样功能丰富的智能手机相比,裁剪了GSM等模块,减少了设计成本和功耗; 本课题设计的目的就是给用户提供一个丰富的多媒体娱乐平台,针对以上特性确定了系统设计的结构。
硬件上,以PXA310处理器、摄像头、音频、触摸屏为主要的框架进行电路设计:软件上,采用Blob引导程序、Linux内核和Android 1.6系统的架构,实现相应硬件模块的驱动程序和Android硬件抽象层的开发,并对Android系统进行裁剪。
最后对整个多媒体系统的设计进行了总结,提出了后续需要改进的方面。
关键词:Android,多媒体,摄像头,Linux Abstract Currently in the communications field,intelligent terminal products receiveextensive attention.Smart phones,panel PCs,netbooks,MID,dig“al photo frame andother products emerge in an endless stream,and are changing people’S livesgradually.With people pursuit of the diversity and personnalized information,thedevelopment of terminal technology and the enriehment of operatingsystem,intelligent terminal has become a trend.Also in the field of multimediaproducts,people are no longer satisfied winl the monotonous audio and videoplayback,but the pursuit of richer entertainment applications.Therefore,in addition tothe requirenments of hardware configuration,better nser experience of operatingsystem also become the standard for people to choose a product.Android as a risingstar ofoperating system platform,with its open,good USer experience,has become theleader in the field. The project is designed as a prototype of a multimedia product based onAndroid system.Firstly,the paper introduces the advantages and the disadvantages ofeach exisiting terminal system platform,analysis the problems and developing trendof current multimedia products on the market.On this basis,propose a new designconcept ofmultimedia product,characterized in: 1)The sdection of smartphone operating system platform,which has better USerexperience and scalability.On the contrary,the traditional multimedia products onlyhave single function and poor extension. 2)The hardware design is reasonable.Compared with similar products,increasethe eamera,WiFi and other modules,which Can meet more extensive applicationneeds.In addition,compared to smartphone,cut out the GSM module,can reducedesign costs and power consumption. 111e purpose of this project is designed to provide nser¥a dch multimediaentertainment platform.For the above characteristics,design the systemarchitecture.In hardware,using PXA3 1 0 processor,camera,audio,touch screen as themain framework to design the circuit.In software,using blob,Linux kernel,andAndroid 1.6 system architecture,realize drivers of the modules,the hardwareabstraction layer of Android,.and Android system tailoring.Finally,the paper Ⅱ刚珈laIiz髓the design of whole multimedia system,and points out the improV锄饥tof the disign.Key words:Android,multimedia,camera,Linux Ill 目录摘 要………………………………………………………………………………….IAbstract...………….………….………….….….……….….…...……….....….…….………….….……..II第l章绪论……………………………………………………………………………1 1.1课题背景…………………………………………………………………….1 1.2相关产品现状和发展前景……………………………………………………2 1.3课题研究的意义及目标…………………………………………………….3 1.4课题研究内容及创新……………………………………………………….3第2章课题相关技术介绍及分析…………………………………………………..5 2.1 Android系统介绍…………………………………………………………….5 2.2多媒体相关技术介绍………………………………………………………。
6 2.2.1多媒体技术……………………………………………………………6 2.2.2 Android多媒体框架……………………………………………………7第3章多媒体系统硬件设计………………………………………………………。
9 3.1硬件总体设计………………………………………………………………..9 3.2硬件模块选型与设计……………………………………………………….9 3.2.1处理器选择……………………………………………………………10 3.2.2存储器选择……………………………………………………………11 3.2.3摄像头模块………………………………………………………….12 3.2.4音频模块…………………………………………………………….1 3 3.2.5 SD卡模块…………………………………………………………….14第4章多媒体系统软件平台构建…………………………………………………15 4.1引导程序开发………………………………………………………………l 5 4.1.1 BIob移植…………………………………………………………………………………16 4.1.2 B10b部分驱动开发…………………………………………………。
17 4.2 Linux内核移植……………………………………………………………一22 4.3 Android系统移植………………………………………………………………25第5章Linux内核驱动开发………………………………………………………一29 5.1 Camera驱动开发……………………………………………………………29 5.1.1 V4L2介绍………………………………………………………………………………..29 5.1.2 Linux IIC架构………………………………………………………………………….30 5.1.3传感器OV2655驱动实现………………………………………….32 5.1.4控制器端驱动实现…………………………………………………一4l 5.2音频驱动开发……………………………………………………………….44 5.2.1 ALSA体系介绍………………………………………………………44 5.2.2 WM9714驱动开发……………………………………………………45第6章Android系统开发…………………………………………………………。
48 6.1 Android Video系统开发……………………………………………………48 6.1.1 V4L2编程模型……………………………………………………….48 6.1.2 YLⅣ格式介绍………………………………………………………48 6.1.3 CameraService分析及修改…………………………………………..49 6.1.4 Camera硬件抽象层实现…………………………………………….51 6.2 Android Audio系统开发……………………………………………………56 6.2.1 ALSA编程模型………………………………………………………56 6.2.2 Audio硬件抽象层实现………………………………………………57第7章总结与展望…………………………………………………………………6l 7.1研究成果…………………………………………………………………….61 7.2后续改进……………………………………………………………………。
6 l致谢………………………………………………………………………………………………………….62参考文献………………………………………………………………………………63攻读硕士学位期间公开发表的
论文…………………………………………………65 武汉理工大学硕士学位
论文 第1章绪论1.1课题背景 目前,应用于智能手机、MID、MP4等产品的操作系统平台越来越丰富了,如现在应用最广泛的Android系统、iPhone OS系统、Symbian系统以及WindowsMobile系统等等,这四个主流的系统平台都有各自的特点,尤其是Google公司的Android系统,凭借其良好的用户体验和较高的开放性,吸引着越来越多的厂商采用,下面简单介绍这几个系统平台。
●Android系统 Android是google公司开发的智能手机平台,该系统底层使用Linux内核,上层基于Java开发,整个系统完全对用户开放和免费,而且给用户提供了很好的体验效果,所有这些特点吸引了越来越多的终端厂商和编程爱好者,从而导致目前市场上出现了大量采用Android系统的产品,如智能手机、平板电脑、MD、MP4、机顶盒等等【lJ。
●iPhoneOS系统 苹果公司研发的iPhone OS操作系统,主要应用在智能手机iPhone和多媒体产品iP0d touch上。
iPhone OS操作系统随着iPhone手机的热卖而兴起,而且苹果应用商店App Store中的大量优秀软件给该系统提供了强大的支持。
但iPhone平台相对封闭的特点,给其快速广泛的发展带来了局限性。
●Symbian系统 Symbian系统相比前两者而言,是一个成熟但相对较落后的一个手机平台,目前仅有诺基亚等少数几个手机厂商采用该系统,但随着Android等系统的兴起,Symbian系统的市场份额逐渐减少,诺基亚公司开始寻求向其他系统发展,如与Intel公司合作开发的Meego系统、采用微软的Windows Phone 7系统【zJ。
●Windows Mobile系统 Windows Mobile是微软公司针对手机和其他掌上设备开发的操作系统,原型为Windows CE,目前最新版本为Windows Phone7。
该系统主要应用在智能手机、PDA、随身音乐播放器等设备上,但在Android和iPhone OS的冲击下,Windows Mobile的市场份额在持续缩减。
武汉理工大学硕士学位
论文 在Android和iOS出现之前,Symbian和WM占据了智能手机操作系统的大部分市场份额,然而在移动互联网快速发展的趋势下,这两个系统的劣势渐渐显现出来。
Symbian系统由于发展的比较早,导致其主体框架陈旧落后、用户体验不能满足不断增长的需求,再加上系统本身的封闭性,使其在市场竞争中逐渐落后对手。
同样封闭的WM系统,其娱乐性也较差,主要针对高端商务人士,同时其昂贵的引入成本,也左右了终端厂商的选择。
相比这两个手机系统,后来居上的苹果iOS却改变了传统终端系统的模式,它提供更好的用户体验,而其独具特色的App Store应用商店为苹果公司带来了巨大的成功。
然而iOS系统也存在许多问题,首先其属于半开放的OS;其次iPhone较高的价位,很难快速抢占中低端市场。
与这些智能手机系统相比,作为后起之秀的Android系统,凭借其廉价的成本、完全开放的特性以及用户体验好等特点,快速的占据了智能手机系统的一个席位【3】。
通过对这几个主流系统平台的比较和分析,可以预测Android系统的发展前景将会是最广阔的。
Android作为一个开放的系统平台,不仅可以用于高端的平板电脑、智能手机,也可用于低端的机顶盒、MP4等多媒体设备。
随着众多厂商加入google开放联盟,以及Android应用Market的逐渐扩大,未来将随处可见Android产品的身影。
1.2相关产品现状和发展前景 多媒体产品涉及到的范围是相当广泛的,只要与音视频相关都可称得上是多媒体的范畴。
目前市面上的多媒体产品主要有:便携式多媒体播放器MP3/MP4、掌上电脑PDA、机顶盒、数码相框、DVD、媒体互联设备MD、电子书等等,Android作为一个新兴的系统平台,在多媒体方向也正迅猛发展。
目前基于Android系统的多媒体产品主要有便携式多媒体播放器、数码相框、MID、电子书等,而且正在向机顶盒等其他多媒体产品方向发展。
2009年11月,Parrot公司推出了全世界第一款运行Android系统的数码相框,从此数码相框的功能被大大扩展了。
这款产品不仅可以看图片,还拥有RSS资讯订阅、查看天气等功能。
其还配置有WiFi、蓝牙、USB等模块,丰富了产品的功能。
2010年7月,蓝魔数码发布了首款采用Android系统的MID产品W7,该产品集PMP、MP4、PDA为一体,位于net book网本和PDA之间,是小型化的 2 武汉理工大学硕十学位
论文手持互联网设备。
蓝魔W7采用Android 1.5系统,内置无线WiFi方便用户轻松连接互联网,720P视频解码,支持电子书等功能。
总的来说,该产品集众多多媒体应用于一体,代表了Android系统在多媒体领域发展的一个趋势。
除了这些产品外,飞利浦等公司推出了基于Android系统的便携MP4多媒体播放器,最近尼康公司也发布了首款Android 3D数码相框,在机顶盒领域,MIPS公司正致力于研发基于Android系统的产品。
1.3课题研究的意义及目标 传统的多媒体产品,如MP4、数码相框等,功能都比较单一,交互性和可扩展性比较差,这跟产品采用的软件平台、硬件模块以及市场需求都有很大关系。
如今,随着系统平台的多元化,硬件资源的逐渐丰富和成本的降低,以及消费者对产品体验、娱乐性的追求,传统的多媒体产品显然不能满足用户的需求。
而Android系统以其平台开放性、开发成本的低廉、用户体验好以及应用程序的丰富性,迎合了市场的发展趋势。
本系统正是基于Android平台开发的一个多媒体产品,采用Android 1.6系统,硬件模块包括音频解码芯片、摄像头、LCD显示屏、SD扩展接口、USB接口等,还可添加蓝牙、WiFi、GPS等模块来丰富产品的功能。
设计的目标是给用户提供一个支持音视频播放、可拍照录像、支持各种格式图片浏览、能无线上网以及可自由扩展软件应用的多媒体娱乐产品。
与传统多媒体播放器MP4相比,除了基本的音视频播放功能外,该产品还能提供视频录制和拍照功能,能够进行无线传输(通过蓝牙)和上网(通过WiFi),还可以免费安装各种丰富的多媒体应用软件,而且采用免费开源的Android系统,能大大减少软件开发成本。
1.4课题研究内容及创新 本课题研究的主要内容是在Android平台下,从硬件和软件两个方面设计一个多媒体系统的过程。
具体的工作包括:>硬件模块的选型,如处理器、存储器设备、LCD显示设备、摄像头、音频 芯片等模块;>硬件总体设计,主要是这些模块的电路设计;>软件平台的搭建,包括引导程序、Linux内核和Android系统的移植; 3 武汉理工大学硕士学位
论文>Linux内核驱动开发,实现摄像头、LCD以及音频芯片等主要模块的驱动 程序;>Android硬件抽象层的实现,主要实现Camera和音频的硬件抽象层。
>系统的测试,包括对驱动程序的调试以及对系统的多媒体功能进行测试。
本课题的创新点体现在以下几个方面: (1)硬件选型 传统的嵌入式多媒体产品,如MP3、MP4等等,出于成本的考虑,都采用较低端的ARM处理器以及廉价的音视频解码芯片,仅提供简单的音视频播放,功能单一,可玩性差。
本课题在系统设计时,采用了性价比较高的PXA310处理器,同时配备高质量的音频解码芯片以及摄像头等模块,使得多媒体播放的流畅性更好;还可根据需求扩展GPS、WiFi等硬件模块,丰富用户娱乐体验。
(2)软件平台 在软件平台的选择上,使用目前炙手可热的Android操作系统,其开源性和用户体验好等优势已经众所周知。
传统多媒体产品中的应用都是内置而不可自由扩展的,给用户体验带来了局限性,但Android平台却提供了成千上万可下载的应用程序,用户可根据喜好自由选择。
基于Android系统的多媒体产品不再是一个纯粹的播放器,而是一个娱乐平台。
4 武汉理工大学硕士学位
论文 第2章课题相关技术介绍及分析2.1 Android系统介绍 Android作为一个开放的系统平台,已经应用到各种电子消费产品,如智能手机、平板电脑、数字相框、MID(移动互联设备)等等。
与诺基亚Symbian系统以及苹果iPhone OS系统等手机平台相比,Android凭借其开源性受到越来越多的厂商及编程爱好者的追捧,并且参与其中开发基于Android的产品。
图2-1 Android框架图 Android系统实际上就是一系列软件的结合体,主要针对移动终端设备。
从结构划分上来看,Android系统由四个层面构成,包括Linux内核、本地C/C++库、Java框架层和应用程序部分,如图2.1所示为Android系统的基本框架图。
下面简单的介绍各个层次的作用【41:/Android系统以Linux2.6内核为基础,其对标准的Linux内核进行了简单的 修改,添加了自己的模块,如Binder〔PC机制等等,当然还要添加针对不 5 武汉理工大学硕士学位
论文 同硬件平台的驱动程序,如摄像头、音频、显示设备、蓝牙等等。
/在驱动程序和Android系统之间的部分称为硬件抽象层(HAL),其起到桥梁 的作用。
/Android底层包含了许多C/C++库,被系统中的组件部分调用,Android系 统自带的Dalvik虚拟机为应用程序提供了基本的Java运行环境。
/Android的框架层为开发应用程序提供了API接口,用户也可以在遵循框架 安全限制的前提下,定义自己的框架接口。
/Android应用程序都是用Java语言编写的,如常用的电话、短信、浏览器、 摄像头、播放器等等。
2.2多媒体相关技术介绍2.2.1多媒体技术 多媒体技术从概念上来讲,是指对文字、图像、动画、音视频等信息,通过计算机这种工具,进行处理的一种技术。
广义上来说,可将多媒体简单的看作两个部分:声音和图像。
在音频相关的技术领域,多媒体需要应用以下的一些技术:采集音频数据、语音的编解码、音频数据传输、音视频同步、音讯效果与编辑等。
使用计算机对音频进行处理一般经过这些流程:模数转换,即将模拟信号转换为数字信号;对数字信号进行处理,包括量化以及编码。
这个过程中涉及到一些概念:采样频率、量化位数、声道数等。
随着电子通信领域的飞速发展,音频技术也在不断改进和完善,随之也出现了各种音频的规范和格式,常见的音频文件格式有WAV、MOD、MPEG.3(即MP3)、CMF、CDA、MID等【51。
通常所讲的视频,就是指一系列连续变化的图像,当这些图像变化或切换的速度超过每秒24帧时,由于人眼的视觉暂留原理,导致无法区分出实际是静态的画面,从而感觉获得了流畅的动态视觉效果。
和音频技术一样,视频技术领域也有类似的专业术语,如帧、帧速、关键帧以及码率等。
目前常用的视频格式种类很多,如AVI、MOV、M_PEG、WMV、ASF、FLV等。
当然,在多媒体技术中还用到了其他的一些压缩编码标准,如H.36x、JPEG、3GP等。
6 武汉理工大学硕士学位
论文2.2.2 Android多媒体框架 由Android框架图(图2—1)口--f知,Android多媒体部分也有类似的框架结构,从上层到下层包括:应用层、Java框架层、本地库框架、硬件抽象层HAL等模块。
如图2.2所示为Android多媒体部分的框架图,简单来.