基于PC104無人機網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)的構建

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(qū)域的勘察預報等，因而在無人機上構建一個網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)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(wǎng)絡視頻系統(tǒng)，其中，無人機視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮、解壓縮、傳輸都是無人機網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)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(tǒng)結構及工作原理

該系統(tǒng)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(tǒng)，主要負責視頻數(shù)據(jù)的采集，壓縮及將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。上位機是包含有無線網(wǎng)卡的PC電腦，主要負責視頻數(shù)據(jù)的接收、解壓和顯示，上下位機通過UDP/IP網(wǎng)絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，采用socket網(wǎng)絡編程可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的互聯(lián)及數(shù)據(jù)的收發(fā)。

PC104工控機采用嵌人式專用CPU PⅢ533～933 MHz，板載DDR內存高達128

MB，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(tài)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(tǒng)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(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)

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(shù)，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(shù)open，read，write，close的實現(xiàn)，對中斷的處理實現(xiàn)，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl的實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)。在系統(tǒng)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(tài)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(tài)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(shù)據(jù)結構進行編程，就可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。圖1是嵌入式Linux下視頻數(shù)據(jù)采集的流程：

使用ioctl(devfd，VIDIOCSYNC，&vid_mmap)函數(shù)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(shù)據(jù)保存成文件的形式。為了得到連續(xù)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(qū)幀數(shù)據(jù)進行循環(huán)的次數(shù)。在循環(huán)語句中，也是使用VIDIOCMCAPTURE ioctl和VIDIOCSYNC ioct1函數(shù)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(shù)據(jù)壓縮原理

無人機系統(tǒng)的下位機要求實時傳輸視頻數(shù)據(jù)到上位機，由于視頻數(shù)據(jù)量較大且網(wǎng)絡帶寬非常寶貴，對視頻數(shù)據(jù)選用一種高壓縮比的文件格式顯得十分重要。JPEG是聯(lián)合圖像專家組(Joint Picture Expert Group)的英文縮寫，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)絡編程中。

JPEG-專家組開發(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(qū)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，經變換以后仍然得到N×N的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)進行量化。量化表是一個量化系數(shù)矩陣，通過量化可以降低整數(shù)的精度，減少整數(shù)存儲所需的位數(shù)。量化過程除掉了一些高頻分量，損失了高頻分量上的細節(jié)。由于人類視覺系統(tǒng)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(xiàn)大量連續(xù)的零，這有利于以后通過編碼減小數(shù)據(jù)量。

(3) 對量化后的DCT系數(shù)進行編碼使其熵達到最小。遙感圖像數(shù)據(jù)經過DCT和量化之后，在高頻率段會出現(xiàn)大量連續(xù)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(jù)上述JPEG數(shù)據(jù)壓縮解壓原理，在C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境(Code Composer Studio，CCS)中開發(fā)實現(xiàn)了圖像壓縮解壓程序，便可應用于無人機視頻數(shù)據(jù)的處理中。視頻數(shù)據(jù)壓縮處理程序的接口如下：

4 網(wǎng)絡傳輸協(xié)議及socket編程

根據(jù)OSI網(wǎng)絡標準定義，網(wǎng)絡由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)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(wǎng)絡結構可采用鏈路層、網(wǎng)絡層、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)絡通信服務，具有確認、數(shù)據(jù)流控制、多路復用和數(shù)據(jù)同步等功能，適合高質量數(shù)據(jù)的傳輸，是目前應用最為廣泛的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議之一。但是，由于TCP協(xié)議實現(xiàn)復雜，網(wǎng)絡開銷大，以及其提供的確認與超時重傳機制都給數(shù)據(jù)傳輸帶來很大的時延。因此TCP協(xié)議不適合傳輸實時視頻數(shù)據(jù)和突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)。

UDP協(xié)議是無連接協(xié)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(tǒng)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?shù)目煽啃院头召|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(jié)省了很大的網(wǎng)絡開銷。他能夠提供高傳輸效率的數(shù)據(jù)報服務，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性傳輸，在數(shù)據(jù)的實時傳輸中應用廣泛。為了保證無人機視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，采用IP協(xié)議和UDP協(xié)議作為系統(tǒng)的通信協(xié)議。

系統(tǒng)中網(wǎng)絡傳輸部分的軟件實現(xiàn)采用socket(套接口)編程技術，系統(tǒng)調用socket()函數(shù)，返回一個整型的socket描述符，視頻數(shù)據(jù)傳輸便是通過該socket函數(shù)實現(xiàn)的。常用的socket類型對應于傳輸協(xié)議也有兩種：流式socket和數(shù)據(jù)報式socket。前者使用TCP協(xié)議，后者使用UDP協(xié)議，本系統(tǒng)中采用的是數(shù)據(jù)報式socket。以下是下位機socket編程的主要實現(xiàn)：

由上位機的無線網(wǎng)卡負責接收下位機的視頻數(shù)據(jù)，并根據(jù)JPEG圖像的解壓原理對視頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并通過處理之后發(fā)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(tǒng)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(shù)據(jù)的采集、壓縮、傳輸?shù)冗^程的詳細介紹和軟件設計，采用網(wǎng)絡UDP/IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議和socket編程傳輸視頻數(shù)據(jù)，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。