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ANDROID系统多媒体功能增强的研究与实现.pdf

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ANDROID 系统 多媒体 功能 增强 研究 实现
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论文题目: ANDROID 系统多媒体功能增强的研究与实现 专 业: 通信与信息系统 硕 士 生: 白 璐 ( 签名 ) 指导教师: 李国民 (签名) 摘 要 在各个智能手机操作系统中 , Android 系统凭借 Google 公司 的技术支持和其开源特性而得到了各个公司的支持。然而, Android 作为一个比较新的智能操作系统,其多媒体功能还 不能满足各种需要,需要 进一步的增强 和优化其功能。 为增强 Android 的 多媒体系统的功能,本文从音、视频两个方面 分别设计了一个 对多媒体功能 扩展 的方法 —— 在 Android 系统 上添加 WMA 音频播放功能和实现基于 V1解码芯片的硬件解码功能。为了在 Android 上实现 WMA 解码,本文在研究 FFmpeg 开源解码库之后,将 FFmpeg 开源解码库中的 WMA 文件解析和解码部分代码提取出来,并将提取出来的 WMA 部分添加到 Android 的多媒体系统中,使 Android 系统 支持 WMA格式文件的播放。通过研究 V1 解码芯片的接口和功能以及 Android 的 多媒体系统中 关于硬件解码的流程。最后基于 stagefright 框架和 OpenMAX 标准,设计实现了对 V1 解码芯片的调用,并完成了对基于 V1 解码芯片的硬件解码的实现。 通过在 采用 Android 系统的 测试机上反复播放 WMA 音频文件,播放达到了预期的效果,播放声音清晰、音质良好。 基于 V1 解码芯片的硬件解码模块 也在开发板上经过反复测试,也达到了预期的效果,播放画面流畅、清晰,播放 720P 视频文件,每秒可以播放 25 帧以上。 关键词 : Android; 多媒体; WMA; OpenMAX 研究类型 : 应用 研究 Subject : A Reseach and Implementation of Multimedia Enhancements in Android System Specialty : Communication and Information System Name : Bailu (Signature) Instructor : Li Guomin (Signature) ABSTRACT As a new operating system, Android system has been applied to different smart moile terminals by many Companies with Google's supports and its opening.But its features of multi-media are required to be enhanced to meet various demands. In order to enhance Android multimedia system,two multimedia function extension methods are designed which from two aspect of sound and video. In order to achieve WMA decoding in the Android,this paper analysises of FFmepg library,WMA file parsing and decoding part of the code in the FFmpeg is extracted and realizing transplantation to the Android system, so that the Android system supports the playback of WMA files.deeply analyzes and researches V1 decoder chip interface and hardware decoding process of multimedia system of Android. Finally, based on the OpenMAX standard, Design a call to V1 decoder chip, and implement the hardware decode which based on the V1 decoder chip. Through repeated play WMA audio files in the test machine of the Android platform, It has reached the expected results that the play sound is clear and tone quality is good. Based on the V1 decoder chip hardware decoding module through repeated testing in the development board It has achieved the desired results that the playing screen is smooth and clear, With the 720P video files, This hardware decoding module can decode 25 frames per second. Key words : Android; Multimedia; WMA; OpenMAX Thesis : Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 课题背景及意义 .............................................................................................................. 1 1.2 ANDROID 中多媒体应用的现状和发展前景 ................................................................... 1 1.3 论文的结构 ...................................................................................................................... 3 2 ANDROID 多媒体系统及相关技术介绍 .............................................................................. 4 2.1 ANDROID 多媒体技术 ....................................................................................................... 4 2.1.1 Android 多媒体框架 ................................................................................................ 4 2.1.2 OpenMAX 标准规范 ............................................................................................... 5 2.2 LINUX 内核相关概念简介 ............................................................................................... 8 2.2.1 Linux 用户空间和内核空间 ................................................................................... 8 2.2.2 Linux 系统调用 ....................................................................................................... 9 2.2.3 Linux 设备驱动 ....................................................................................................... 9 2.3 开发环境 ........................................................................................................................ 10 2.3.1 Android 开发环境的搭建 ...................................................................................... 11 2.3.2 开发所需软件资源 ............................................................................................... 11 2.3.3 开发所需硬件资源 ............................................................................................... 12 2.3.4 引导程序的配置和烧写 ....................................................................................... 13 2.4 嵌入式程序的生成过程 ................................................................................................ 13 本章小结 .............................................................................................................................. 14 3 ANDROID 多媒体系统音频功能增强的分析与实现 ........................................................ 15 3.1WMA 简介 ...................................................................................................................... 15 3.1.1 WMA 文件格式 ..................................................................................................... 15 3.1.2 WMA 文件解码流程 ............................................................................................. 15 3.2 WMA 解码方案研究与选择 ......................................................................................... 16 3.2.1 FFmpeg 关键数据结构 .......................................................................................... 17 3.2.2 WMA 解码器提取的分析 ..................................................................................... 18 3.3 ANDROID 多媒体系统中音频播放器结构以及添加 WMA 音频的方案 ..................... 19 3.4 WMA 格式音频播放功能流程的总体设计 ................................................................. 20 3.5 WMA 格式音频播放功能具体实现 ............................................................................. 21 本章小结 .............................................................................................................................. 24 4 多媒体系统视频功能增强的设计和实现 .......................................................................... 25 目 录 II 4.1 基于 V1 解码芯片的硬件解码的层次结构设计 ......................................................... 25 4.1.1 基于 V1 解码芯片的硬件解码在 Android 系统中的层次结构的设计 ............. 25 4.1.2 OpenMAX 标准中的组件 ..................................................................................... 26 4.2 基于 V1 解码芯片的硬件解码在不同层的分析与设计 ............................................. 30 4.2.1 硬件解码在 libstagefright 中的分析和设计 ......................................................... 31 4.2.2 OpenMAX 标准中的硬件解码组件的设计 ......................................................... 31 4.2.3 基于 V1 解码芯片的硬件解码在 HAL 层分析和设计 ....................................... 34 4.2.4 硬件解码在驱动层分析和设计 ........................................................................... 35 4.3 基于 V1 解码芯片的硬件解码的总体设计和实现 ..................................................... 35 4.3.1 基于 V1 解码芯片的硬件解码实现的整体流程 ................................................. 35 4.3.2 基于 V1 解码芯片的硬件解码在 stagefright 库中的实现 ................................. 37 4.3.3 基于 V1 解码芯片的硬件解码在 HAL 层的实现 .............................................. 39 4.3.4 基于 V1 解码芯片硬件解码的驱动的实现 ........................................................ 44 本 章小结 .............................................................................................................................. 46 5 模块的测试 .......................................................................................................................... 47 5.1 WMA 格式音频模块的测试 ......................................................................................... 47 5.1.1 WMA 格式音频模块的测试 ................................................................................. 47 5.1.2 测试结果 ............................................................................................................... 47 5.2 基于 V1 解码芯片的硬件解码模块的测试 ................................................................. 50 5.2.1 测试环境 ............................................................................................................... 50 5.2.2 系统测试步骤及测试结果 ................................................................................... 50 本章小结 .............................................................................................................................. 53 6 总结及展望 .......................................................................................................................... 54 6.1 总结 ................................................................................................................................ 54 6.2 展望 ................................................................................................................................ 54 致 谢 ...................................................................................................................................... 56 参考文献 .................................................................................................................................. 57 附录 .......................................................................................................................................... 59 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 及意义 随着 中国 三大运营商 不断推出各种 3G 业务,在一定程度促进了 3G 网络的大规模普及, 使得移动多媒体业务有了 更 广阔的市场和前景。在现阶段,作为一个移动智能设备,多媒体应用是一个必不可少的功能之一。多媒体的播放,包括本地文件和网络的流媒体 ,都 需要 强大的内置多媒体播放引擎的支持,这是多媒体功能 满足用户 体验的重要保证。然而,现在的多媒体引擎,比如 Helix、 FFmpeg、 GStreamer 等最早的设计都是面向 PC 平台的,没有充分考虑到移动设备在 CPU、内存等方面的资源限制。在 Android系统 上常见的如 OpenCore、 Stagefright 等多媒体引擎,跟 Android 系统一样,出现时间比较晚,现阶段其支持的功能和稳定性方面都是比较 有限的。所以 在 面向移动设备和应用的多媒体引擎及其应用扩展方面做分析和研究是十分 有意义的。 目前,移动多媒体应用的需求正在 快 速增长,随着 移动互联网技术的发展 和 3G 网络的 普及 ,移动多媒体功能需要不断地进行完善。 然而, Android 的 多媒体系统仍 然 不支持 WMA、 RMVB 等多种 媒体格式 ,所以在多媒体系统中添加这些格式,是增强多媒体功能的必要任务。 因此 , 本课题要在 Android 的 多媒体系统中添加 WMA 解码功能,使 Android 的 多媒体系统能够播放 WMA 音频,从而实现对 Android 的 多媒体系统音频功能的增强。 一般地,对 于 MPEG-4、 H.264、 H.263 等视频编码格式, TI(德州仪器 )、 Qualcomm(高通 )、 三星 等 公司 在对应的硬件解决方案中都会提供硬件解码功能。因为这些视 频编码格式在解码时计算量非常大,对 CPU 的计算能力要求很高,如果仅依靠 CPU 进行软解码,在播放这类视频时,比如 720P 的高清视频,其播放效果是非常差的,远远达不到设计的需求。硬解方案的推出在一定程度上缓解了在解码过程中 CPU 的计算负担,提高了播放效果。 西安芯意半导体科技有限公司针对 Android 多媒体系统提出自己的硬件解码方案,该公司对于该解码方案 实现 了 V1 解码芯片 。本课题 要根据该 V1 解码芯片的功能和接口,通过创建能够调用该解码芯片的解码驱动和 HAL 层代码,来实现硬件解码功能。使 Android 的 多媒体系统通 过调用 V1 解码芯片来对视频数据进行解码,从而实现对 Android 的 多媒体系统视频功能的增强。 1.2 Android 中 多媒体应用的 现状和发展前景 多媒体产品涉及到的范围是 非常 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、掌上电脑西安科技大学硕士学位论文 2 PDA、机顶盒、数码相框、 DVD、媒体互联设备 MID、电子书等等, Android 被 作为一个新兴的系统平台,在多媒体方向也正迅猛发展 [1]。 2009 年 11 月, Parrot 公司推出了全 球 第一款运行 Android 系统的 数码相框, 大大扩展了 数码相框的功能 。这个 产品不仅可以看图片,还拥有资讯订阅、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 第一 款采用 Android 系统的 MID 产品 W7,该产品集PMP、 MP4、 PDA 为一体,是 一个 小型化的手持互联网设备。蓝魔 W7 采用 Android1.5系统,内置无线 WIFi 方便用户轻松连接互联网, 支持电子书等功能。总体 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 也 推出了基于 Android 系统的便携 MP4 多媒体播放器, 尼康公司也发布了首款 Android3D 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。 中国移动、中国联通、中国电信 、 中兴、华为、联想等设备提供商都推出了基于Android 系统 的手机和平板电脑等智能移动产品。同时德州仪器、高通、三星、英伟达、联发科、展讯等国内外公司提供了各种基于特定硬件的解决方案,大大推荐了 Android产业链的蓬勃发展。 随着移动互联网的迅猛发展, Android 作为一个新的智能操作系统平台,在市场上占 据着越来越重要的份额。作为智能手持设备必备的应用之一, 其地位是非常重要的 。同时人们对多媒体应用的需求也越来越多, 在功能 和 用户体验效果 等方面 都提出了更高的要求。国际上很多厂商、公司不断推出了基于 Android 系统的手机和平板电脑, 推动了 Android 系统的普及。基于不同的硬件解决方案,各个公司有着自己的多媒体解决方案。有基于 OpenCore 框架做扩展的 ,也有基于新的 Stagefright 框架做深度定制的 , 还有的使用第三方公司的多媒体引擎,比如 Helix。 由于 Android 系统出现的比较晚,许多方面的功能还需 要进一步 完善和优化。Android 的 多媒体 模块的 功能比较缺欠、也是应用需求比较多的 模块 ,原因之一是多媒体本身就是 一块比较大、 比较复杂的模块,各种各样的音视频编码解码规范和算法在实际开发过程 中 也是比较复杂和繁琐的。此外 这些编解码 的 实现在不同平台上的优化和完善程度也是不一样的。同时 Google 公司 在主导开发 Android 时还需要考虑到部分编解码算法的商业版权许可问题。这些功能上的缺失就需要产品开发商进一步弥补,需要跟专利或版权持有者购买相应的使用版权。比如要在产品中支持 rm、 rmvb 多媒体格式,产品开发商就需要 向 Real Networks 公司购买商业许可,在产品中集成支持 rm、 rmvb 格式的源码实现,这样在产品的后期销售过程中才不会导致商业上的纠纷。 1 绪论 3 1.3 论文 的 结构 本选题来源于西安芯意半导体科技有限责任公司的 一个 研发项目,该设计是在Android2.3 手机操作系统基础上进行的,是基于 Android 的 stagefright 框架。 本论文 的主要工作是在 Android 的多媒体 框架中完成的,主要是扩展新组件和添加新功能 —— 添加 WMA 音频格式和实现 基于 V1 芯片的 视频硬件解码功能。 论文的结构安排如下: 第一章 : 绪论。主 要 分析了 选题背景 、 研究意义 、 Android 中的多媒体应用的现状和发展前景 , 提出 论文 结构。 第二章 : 相关技术概述。列举并详细描述研究过程中涉及到的关键理论和技术,其中包括 Android 的 多媒体系统的框架 、 OpenMAX 标准规范 、 Linux 内核相关概念,和开发环境的搭建。 第三章 : 通过 在 Android 的多媒体系统中添加 WMA 音频 来实现对多媒体系统音频功能的增强。首先,介绍 WMA 文件格式和文件解码流程;其次, WMA 解码方案的选择;再次,根据 Android 多媒体系统中音频播放器的结构,分析了添加 WMA 音频的方案; 最后,详细的介绍了对 WMA 音频解码的总体设计和实现 。 第 四章: 首先 介绍 基于 V1 解码芯片的硬件解码的层次结构设计 ,同时对 OpenMAX标准的组件做了重点的分析研究;其次, 对 基于 V1 解码芯片的硬件解码在不同层次进行 分析与设计 ;再次, 根据之前的分析完成对 基于 V1 解码芯片的硬件解码的总体设计和实现 。 第五章 :测试。首先介绍 WMA 格式音频模块的测试、测试结果 ; 最后 介绍 基于V1 解码芯片的硬件解码模块的测试 、测试环境、测试步骤、及测试结果。 第六章:总结和展望。对论文内容进行概括总结,并就当前还存在的问题提出了可能的解决 方向,同时 对有待于 完善的部分或功能做 了 简单 的 介绍。西安科技大学硕士学位论文 4 2 Android 多媒体系统 及 相关 技术介绍 本文所设计 实现 的基于 V1 解码芯片的 硬件 解码 和添加 WMA 音频格式都是基于Android2.3 系统 开发的。 由于 Android 基于 Linux 内核,在开发 Android 驱动程序时还会用到 Linux 及其驱动开发的相关技术。 2.1 Android 多媒体技术 2.1.1 Android 多媒体框架 Android 多媒体系统从上层到下层包括:应用层、 Java 框架层、本地库框架、硬件抽象层 HAL 等模块。如图 2.1 所示: C a m e r a S o u n d R e c o d e r M e d i a P l a y e rS t a g e f r i g h tS u r f a c e F l i n g e rC a m e r a H A L O v e r l a yA u d i o F l i n g e rA u d i o H A LC a m e r a 驱 动 A u d i o 驱 动 D i s p l a y 驱 动多 媒 体 J a v a 应 用 程 序多 媒 体 J a v a 框 架多 媒 体 J a v a J N I本 地 框 架 多 媒 体 服 务l i b u il i b m e d i aM e d i a S e r v i c eV e d i o 系 统A u d i o 系 统L i n u x 内 核I P C图 2.1 Android 多媒体框架 Andorid 多媒体可以简单的划分为多媒体本地框架 libmedia、 stagefright、 Audio 系统和 Video 系统四个部分 : ( 1) 本地框架 libmedia: Media 库是 Android 多媒体系统的核心部分,它实现了多媒体播放器可记录器的整
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