|
無人機具有體積小、重量輕、靈活機動、成本低等特點，可以用于對地偵察拍照，還可以廣泛應用于軍事偵察、地質勘探以及對火災等危險區域的勘察預報等，因而在無人機上構建一個網絡視頻系統就顯得十分重要。本文以基于PC104的無人機為基礎，構建一個網絡視頻系統，其中，無人機視頻數據的采集、壓縮、解壓縮、傳輸都是無人機網絡視頻系統中的關鍵技術，本文將針對這幾部分的關鍵問題進行研究。 1 系統結構及工作原理 該系統的下位機主要由深圳桑達公司的PC104工控機、羅技快看太空版MP攝像頭(USB接口)、linksysWRT54GC-CN無線路由器及外圍電路組成，采用嵌入式Linux 2.4.26操作系統，主要負責視頻數據的采集，壓縮及將數據發送到上位機。上位機是包含有無線網卡的PC電腦，主要負責視頻數據的接收、解壓和顯示，上下位機通過UDP/IP網絡協議進行數據的傳輸，采用socket網絡編程可以實現網絡的互聯及數據的收發。 PC104工控機采用嵌人式專用CPU PⅢ533～933 MHz，板載DDR內存高達128MB，提供2個RS 232串行接口，2個USB接口，1個并行口，軟盤驅動器接口，IDE硬盤驅動器，10/100 Base-TX Ethernet接口，CRT/LCD顯示器接口和固態盤插座，支持DiskOnChip 8～288 MB。PC104工控機的操作和使用與PC機相同，安裝系統硬件后，即可開機進行BIOS設置，輸入電壓必須為+5 V，其波動范圍不超過5%。 2 視頻數據采集的軟件實現 Video4Linux(V4L)是嵌入式Linux下視頻設備的內核驅動，他為Linux下的視頻設備提供了一系列的接口函數，在編譯和配置內核階段，必須增加V4L模塊和USB攝像頭驅動模塊的支持。對于USB接口攝像頭，其驅動程序中需要提供基本的I/O操作函數open，read，write，close的實現，對中斷的處理實現，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數ioctl的實現等，并把他們定義在struct file operations中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open等系統調用操作時，Linux內核將通過fileoperations結構訪問驅動程序提供的函數。在系統平臺上對USB攝像頭進行驅動，首先把USB控制器驅動模塊靜態編譯進內核，使平臺中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時，使用insmode動態加載其驅動模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。 在USB攝像頭被驅動后，再利用Video4Linux支持的幾個視頻采集相關的數據結構進行編程，就可以實現視頻數據的采集。圖1是嵌入式Linux下視頻數據采集的流程： 使用ioctl(devfd，VIDIOCSYNC，&vid_mmap)函數判斷一幀圖像是否截取完畢，成功返回表示截取完畢，之后就可把圖像數據保存成文件的形式。為了得到連續幀視頻圖像，可在單幀的基礎上，利用vid_buf.frames值確定采集完攝像頭幀緩沖區幀數據進行循環的次數。在循環語句中，也是使用VIDIOCMCAPTURE ioctl和VIDIOCSYNC ioct1函數完成每幀截取，但要給采集到的每幀圖像賦地址，利用語句buf=map+vid_buf.off-sets[frame]，然后保存成文件的形式。 3 視頻數據壓縮原理 無人機系統的下位機要求實時傳輸視頻數據到上位機，由于視頻數據量較大且網絡帶寬非常寶貴，對視頻數據選用一種高壓縮比的文件格式顯得十分重要。JPEG是聯合圖像專家組(Joint Picture Expert Group)的英文縮寫，是國際標準化組織(ISO)和CCITT聯合制定的靜態圖像的壓縮編碼標準。和相同圖像質量的其他常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前靜態圖像中壓縮比最高的，而圖像質量卻差不多。正是由于JPEG的高壓縮比，使得他廣泛地應用于多媒體和網絡編程中。 JPEG-專家組開發了兩種基本的壓縮算法，一種是采用以離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)為基礎的有損壓縮算法，另一種是采用以預測技術為基礎的無損壓縮算法。使用有損壓縮算法時，在壓縮比為25：1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難于找出他們之間的區別，因此得到了廣泛的應用。JPEG壓縮是有損壓縮，他利用了人的視角系統的特性，使用量化和無損壓縮編碼相結合來去掉視角的冗余信息和數據本身的冗余信息。JPEG算法框圖如圖2所示。 壓縮編碼大致分成3個步驟： (1) 通過DCT去除數據冗余。DCT是影像壓縮的重要步驟，他通過正交變換將圖像由空間域轉換為頻率域。對于N×N維的數據，經變換以后仍然得到N×N的數據，雖然DCT變換本身并不對影像進行壓縮，但變換消除了N×N維數據之間的冗余性。DCT變換是壓縮過程中量化和編碼的基礎。 (2) 使用量化表對DCT系數進行量化。量化表是一個量化系數矩陣，通過量化可以降低整數的精度，減少整數存儲所需的位數。量化過程除掉了一些高頻分量，損失了高頻分量上的細節。由于人類視覺系統對高空間頻率遠沒有低頻敏感，經過量化處理的圖像從視覺效果來看損失很小。由于低空間頻率中包含大量的影像信息，經過量化處理后，在高空間頻率段，出現大量連續的零，這有利于以后通過編碼減小數據量。 (3) 對量化后的DCT系數進行編碼使其熵達到最小。遙感圖像數據經過DCT和量化之后，在高頻率段會出現大量連續的零，采用Huffman可變字長編碼，可使冗余量達到最小。 譯碼或者叫做解壓縮的過程與壓縮編碼過程正好相反。根據上述JPEG數據壓縮解壓原理，在C編譯器和集成開發環境(Code Composer Studio，CCS)中開發實現了圖像壓縮解壓程序，便可應用于無人機視頻數據的處理中。視頻數據壓縮處理程序的接口如下： 4 網絡傳輸協議及socket編程 根據OSI網絡標準定義，網絡由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層7層組成。而在實際應用中，網絡結構可采用鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層4層模型。 在TCP/IP協議組中，IP協議是網絡層協議。TCP協議是一種面向連接的協議，他能夠提供可靠的、全雙工的網絡通信服務，具有確認、數據流控制、多路復用和數據同步等功能，適合高質量數據的傳輸，是目前應用最為廣泛的網絡傳輸協議之一。但是，由于TCP協議實現復雜，網絡開銷大，以及其提供的確認與超時重傳機制都給數據傳輸帶來很大的時延。因此TCP協議不適合傳輸實時視頻數據和突發性的大量數據。 UDP協議是無連接協議，報文交換機理簡單，不存在多重確認機制，從而減少了因建立連接和撤除連接所需要的巨大開銷。每個分組都攜帶完整的目的地址，在各分組系統中獨立傳送，他不保證分組的先后順序，不進行分組出錯的恢復與重傳，因此無法保證傳輸的可靠性和服務質量。但是相對于TCP協議，UDP協議減少了確認、同步等操作，節省了很大的網絡開銷。他能夠提供高傳輸效率的數據報服務，能夠實現數據的實時性傳輸，在數據的實時傳輸中應用廣泛。為了保證無人機視頻數據傳輸的實時性，采用IP協議和UDP協議作為系統的通信協議。 系統中網絡傳輸部分的軟件實現采用socket(套接口)編程技術，系統調用socket()函數，返回一個整型的socket描述符，視頻數據傳輸便是通過該socket函數實現的。常用的socket類型對應于傳輸協議也有兩種：流式socket和數據報式socket。前者使用TCP協議，后者使用UDP協議，本系統中采用的是數據報式socket。以下是下位機socket編程的主要實現： 由上位機的無線網卡負責接收下位機的視頻數據，并根據JPEG圖像的解壓原理對視頻數據進行解壓縮并顯示。圖3，圖4可以看到從下位機采集到視頻數據并通過處理之后發到上位機然后顯示出來的效果。 5 結 語 本文主要介紹了一種基于PC104無人機的視頻系統構建方法和流程，以PC104工控機為主要硬件平臺，完成了對攝像頭視頻數據的采集、壓縮、傳輸等過程的詳細介紹和軟件設計，采用網絡UDP/IP網絡傳輸協議和socket編程傳輸視頻數據，保證了一定程度上的實時性，可以滿足無人機地質勘探、火災偵察等領域的應用。 |
