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無(wú)人機具有體積小、重量輕、靈活機動(dòng)、成本低等特點(diǎn)，可以用于對地偵察拍照，還可以廣泛應用于軍事偵察、地質(zhì)勘探以及對火災等危險區域的勘察預報等，因而在無(wú)人機上構建一個(gè)網(wǎng)絡(luò )視頻系統就顯得十分重要。本文以基于PC104的無(wú)人機為基礎，構建一個(gè)網(wǎng)絡(luò )視頻系統，其中，無(wú)人機視頻數據的采集、壓縮、解壓縮、傳輸都是無(wú)人機網(wǎng)絡(luò )視頻系統中的關(guān)鍵技術(shù)，本文將針對這幾部分的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)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(wú)線(xiàn)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(fā)送到上位機。上位機是包含有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)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(guò)UDP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行數據的傳輸，采用socket網(wǎng)絡(luò )編程可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)及數據的收發(fā)。 PC104工控機采用嵌人式專(zhuān)用CPU PⅢ533～933 MHz，板載DDR內存高達128MB，提供2個(gè)RS 232串行接口，2個(gè)USB接口，1個(gè)并行口，軟盤(pán)驅動(dòng)器接口，IDE硬盤(pán)驅動(dòng)器，10/100 Base-TX Ethernet接口，CRT/LCD顯示器接口和固態(tài)盤(pán)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(kāi)機進(jìn)行BIOS設置，輸入電壓必須為+5 V，其波動(dòng)范圍不超過(guò)5%。 2 視頻數據采集的軟件實(shí)現 Video4Linux(V4L)是嵌入式Linux下視頻設備的內核驅動(dòng)，他為L(cháng)inux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(dòng)模塊的支持。對于USB接口攝像頭，其驅動(dòng)程序中需要提供基本的I/O操作函數open，read，write，close的實(shí)現，對中斷的處理實(shí)現，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數ioctl的實(shí)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(jìn)行諸如open等系統調用操作時(shí)，Linux內核將通過(guò)fileoperations結構訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序提供的函數。在系統平臺上對USB攝像頭進(jìn)行驅動(dòng)，首先把USB控制器驅動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內核，使平臺中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅動(dòng)模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。 在USB攝像頭被驅動(dòng)后，再利用Video4Linux支持的幾個(gè)視頻采集相關(guān)的數據結構進(jìn)行編程，就可以實(shí)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(jìn)行循環(huán)的次數。在循環(huán)語(yǔ)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(yǔ)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(wú)人機系統的下位機要求實(shí)時(shí)傳輸視頻數據到上位機，由于視頻數據量較大且網(wǎng)絡(luò )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(lián)合圖像專(zhuān)家組(Joint Picture Expert Group)的英文縮寫(xiě)，是國際標準化組織(ISO)和CCITT聯(lián)合制定的靜態(tài)圖像的壓縮編碼標準。和相同圖像質(zhì)量的其他常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前靜態(tài)圖像中壓縮比最高的，而圖像質(zhì)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(wǎng)絡(luò )編程中。 JPEG-專(zhuān)家組開(kāi)發(fā)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(shù)為基礎的無(wú)損壓縮算法。使用有損壓縮算法時(shí)，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(zhuān)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(wú)損壓縮編碼相結合來(lái)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(gè)步驟： (1) 通過(guò)DCT去除數據冗余。DCT是影像壓縮的重要步驟，他通過(guò)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(jīng)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(jìn)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(guò)程中量化和編碼的基礎。 (2) 使用量化表對DCT系數進(jìn)行量化。量化表是一個(gè)量化系數矩陣，通過(guò)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(guò)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(lèi)視覺(jué)系統對高空間頻率遠沒(méi)有低頻敏感，經(jīng)過(guò)量化處理的圖像從視覺(jué)效果來(lái)看損失很小。由于低空間頻率中包含大量的影像信息，經(jīng)過(guò)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(guò)編碼減小數據量。 (3) 對量化后的DCT系數進(jìn)行編碼使其熵達到最小。遙感圖像數據經(jīng)過(guò)DCT和量化之后，在高頻率段會(huì )出現大量連續的零，采用Huffman可變字長(cháng)編碼，可使冗余量達到最小。 譯碼或者叫做解壓縮的過(guò)程與壓縮編碼過(guò)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(kāi)發(fā)環(huán)境(Code Composer Studio，CCS)中開(kāi)發(fā)實(shí)現了圖像壓縮解壓程序，便可應用于無(wú)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(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議及socket編程 根據OSI網(wǎng)絡(luò )標準定義，網(wǎng)絡(luò )由物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、會(huì )話(huà)層、表示層和應用層7層組成。而在實(shí)際應用中，網(wǎng)絡(luò )結構可采用鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層4層模型。 在TCP/IP協(xié)議組中，IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議。TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，他能夠提供可靠的、全雙工的網(wǎng)絡(luò )通信服務(wù)，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(zhì)量數據的傳輸，是目前應用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議之一。但是，由于TCP協(xié)議實(shí)現復雜，網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)大，以及其提供的確認與超時(shí)重傳機制都給數據傳輸帶來(lái)很大的時(shí)延。因此TCP協(xié)議不適合傳輸實(shí)時(shí)視頻數據和突發(fā)性的大量數據。 UDP協(xié)議是無(wú)連接協(xié)議，報文交換機理簡(jiǎn)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(kāi)銷(xiāo)。每個(gè)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(jìn)行分組出錯的恢復與重傳，因此無(wú)法保證傳輸的可靠性和服務(wù)質(zhì)量。但是相對于TCP協(xié)議，UDP協(xié)議減少了確認、同步等操作，節省了很大的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)。他能夠提供高傳輸效率的數據報服務(wù)，能夠實(shí)現數據的實(shí)時(shí)性傳輸，在數據的實(shí)時(shí)傳輸中應用廣泛。為了保證無(wú)人機視頻數據傳輸的實(shí)時(shí)性，采用IP協(xié)議和UDP協(xié)議作為系統的通信協(xié)議。 系統中網(wǎng)絡(luò )傳輸部分的軟件實(shí)現采用socket(套接口)編程技術(shù)，系統調用socket()函數，返回一個(gè)整型的socket描述符，視頻數據傳輸便是通過(guò)該socket函數實(shí)現的。常用的socket類(lèi)型對應于傳輸協(xié)議也有兩種：流式socket和數據報式socket。前者使用TCP協(xié)議，后者使用UDP協(xié)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(shí)現： 由上位機的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)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(jìn)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(guò)處理之后發(fā)到上位機然后顯示出來(lái)的效果。 5 結 語(yǔ) 本文主要介紹了一種基于PC104無(wú)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(guò)程的詳細介紹和軟件設計，采用網(wǎng)絡(luò )UDP/IP網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議和socket編程傳輸視頻數據，保證了一定程度上的實(shí)時(shí)性，可以滿(mǎn)足無(wú)人機地質(zhì)勘探、火災偵察等領(lǐng)域的應用。 |
