基于PC104無人機網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)的構(gòu)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(zhì)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(gòu)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(gòu)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(guān)鍵技術(shù)，本文將針對這幾部分的關(guān)鍵問題進行研究。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)動器接口，IDE硬盤驅(qū)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(nèi)核驅(qū)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(nèi)核階段，必須增加V4L模塊和USB攝像頭驅(qū)動模塊的支持。對于USB接口攝像頭，其驅(qū)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(nèi)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?qū)υO備文件進行諸如open等系統(tǒng)調(diào)用操作時，Linux內(nèi)核將通過fileoperations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。在系統(tǒng)平臺上對USB攝像頭進行驅(qū)動，首先把USB控制器驅(qū)動模塊靜態(tài)編譯進內(nèi)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(qū)動模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。

　　在USB攝像頭被驅(qū)動后，再利用Video4Linux支持的幾個視頻采集相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(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(shù)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(jié)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(zhuǎn)換為頻率域。對于N