遠程機器人監控系統的研制

摘 要： 分析了利用遠程網(wǎng)絡(luò )對機器人進(jìn)行遙操作控制的主要技術(shù)關(guān)鍵，在此基礎上介紹了遙操作控制系統的設計思想和總體結構，并闡述了視頻圖像壓縮的流程，其中所采用的幀間壓縮方式是當前的創(chuàng )新技術(shù)，最后給出了系統性能的定量分析結果。

關(guān)鍵詞： 遠程機器人 離散余弦交換 哈夫曼編碼

隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的迅速發(fā)展和機器人應用的逐步推廣，對遠程機器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和監測，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。我們所承擔的國家863項目“利用遠程網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的機器人遙操作研究”正是在這樣的背景下展開(kāi)的。

１ 總體結構和模塊劃分

通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對遠程機器人的監控，是指用戶(hù)在本地發(fā)送控制命令給遠端的機器人，由遠端機器人的控制系統對控制命令加以解釋、執行，從而控制機器人完成相應的動(dòng)作。同時(shí)，由遠端的攝象機把現場(chǎng)的圖像加以采集。由于視頻圖像信息的數據量非常大，不可能在Internet網(wǎng)絡(luò )上實(shí)時(shí)傳輸，因此，必須先對圖像信息進(jìn)行壓縮，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到用戶(hù)站點(diǎn)。用戶(hù)站點(diǎn)把接收到的已壓縮的圖像信息進(jìn)行解壓縮，還原成原來(lái)的圖像。隨后，用戶(hù)可根據總的調度程序給遠端機器人發(fā)出新的控制命令，遠端機器人再完成相應的動(dòng)作。同樣，又通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把機器人的動(dòng)作情況傳送到用戶(hù)站點(diǎn)。于是，遠端機器人的一舉一動(dòng)都能及時(shí)地呈現在用戶(hù)的面前，這就是所謂的現場(chǎng)感。

為了把控制命令和運動(dòng)過(guò)程都記錄下來(lái)，為以后的分析、研究提供準確的數據，有必要建立控制命令和運動(dòng)過(guò)程數據庫。按這樣的設想，該系統的總體結構如圖1所示。

系統采用客戶(hù)機／服務(wù)器（client／Server）體系結構。對于控制命令來(lái)說(shuō)，客戶(hù)機接受用戶(hù)提供的機器人控制命令，然后形成相應的命令幀格式，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。服務(wù)器對接收到的控制命令進(jìn)行分析解釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)機器人的控制系統驅動(dòng)機器人執行相應的命令。對于視頻圖像來(lái)說(shuō)，首先由客戶(hù)機采集視頻圖像，然后進(jìn)行數據壓縮，再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。服務(wù)器則把從網(wǎng)絡(luò )上接收到的圖像數據進(jìn)行組合，完成相應的解壓工作，恢復視頻圖像的本來(lái)面目。

從整個(gè)系統的工作過(guò)程可以看出，從對控制命令的處理這一角度來(lái)看，本地是客戶(hù)機，遠端是服務(wù)器，而從對視頻圖像的處理這一角度來(lái)看，遠端是客戶(hù)機，本地是服務(wù)器。也就是說(shuō)，客戶(hù)機／服務(wù)器結構不是從物理上的本地或遠端來(lái)劃分的，而是從邏輯上的不同功能來(lái)劃分的。之所以這樣劃分，是因為在該系統中，視頻圖像的處理和傳輸過(guò)程是相對獨立的，而不是控制命令的簡(jiǎn)單應答和反饋信息?？傊?，客戶(hù)機主動(dòng)發(fā)出各種信息，而服務(wù)器則被動(dòng)地接收來(lái)自客戶(hù)機的信息，并進(jìn)行相應的處理。

２ 視頻圖像壓縮傳輸的基本流程

系統首先建立獲取窗口，然后指定回調函數。系統獲取的圖像存放在一段連續的內存中，以回調函數的形式傳送給編程人員。在回調函數中，先進(jìn)行壓縮處理，然后把大數據塊打包，再把數據包按序號依次發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò )上。本地站點(diǎn)接收到數據包以后，按序號組合成數據塊，然后解壓縮，最后在給定窗口上重現視頻圖像。視頻圖像壓縮傳輸過(guò)程如圖2所示。

我們采用的是混合編碼方案，其視頻圖像壓縮的基本流程如圖3所示。首先判斷是否為關(guān)鍵幀，若是關(guān)鍵幀，則先進(jìn)行離散余弦變換DCT（Discrete Cosine Transform)，然后對DCT系數作量化處理，再對量化后的交流（AC）系數以Z形路徑進(jìn)行行程編碼RLE（Run－Length Encoding)，最后進(jìn)行哈夫曼編碼；若不是關(guān)鍵幀，則采用幀間壓縮。

對于幀間壓縮，我們比較了兩種不同的方式。

第一種方式以象素為基礎，首先將其與上一幀作差，得到一個(gè)稀疏的矩陣。在作差的過(guò)程中，采用小范圍匹配的方法去掉一部分噪聲，然后采用改進(jìn)的行程編碼得到最后結果。再把當前幀圖像保存在指定的內存區內，作為下一幀作差的參考幀。

第二種方式是以宏塊為基礎的運動(dòng)補償方式，首先計算運動(dòng)矢量，然后采用行程編碼RLE和哈夫曼編碼。由于機器人的運動(dòng)主要是平移和轉動(dòng)，而缺少局部的細微變化，用運動(dòng)補償可以達到較高的壓縮比和相當好的圖像質(zhì)量。

由于與遠程站點(diǎn)之間通過(guò)Internet網(wǎng)進(jìn)行傳輸時(shí)，信道的數據傳輸率不是固定的，因此，系統中通過(guò)信道測試反饋信息來(lái)改變量化時(shí)的步長(cháng)，從而調節視頻信息的數碼率，以便更好地適應信道傳輸率的變化。

３ 實(shí)驗數據和性能分析

我們對幾種不同的壓縮算法進(jìn)行了比較。為了接近Internet網(wǎng)的數據傳輸率，采用的數據流量為10kb／s。具體的實(shí)驗數據如表1所示。

由上述數據可畫(huà)出使用IC壓縮器（IC Compressor)進(jìn)行定流量壓縮時(shí)，幀頻和壓縮比隨圖像格式而變化的曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖中曲線(xiàn)可以看出，隨著(zhù)圖像的變大，壓縮比大大提高，而幀頻則隨之下降。這是因為，當圖像變大時(shí)，背景相應變大，而在背景幾乎不變的情況下，幀間壓縮的壓縮比會(huì )相當大，從而使總的壓縮比明顯提高；隨著(zhù)圖像的增大，數據量將成倍增加，在數據傳輸率一定的條件下，幀頻必然會(huì )下降。

使用定質(zhì)量（Fix Quality)壓縮時(shí)，幀頻和壓縮比隨質(zhì)量而變化的曲線(xiàn)圖5所示。

從如上曲線(xiàn)可以看出，隨著(zhù)對圖像質(zhì)量要求的提高，幀頻和壓縮比均呈下降趨勢。這是因為，對于特定的壓縮算法，要提高圖像質(zhì)量必須要增加壓縮后的數據量，壓縮比自然會(huì )下降；而在網(wǎng)絡(luò )數據傳輸率一定的條件下，傳輸一幀的圖像數據所用的時(shí)間就會(huì )增加，從而在單位時(shí)間內能傳輸的幀數必然要減少。

對于實(shí)驗的第一種混合編碼方式，其結果明顯優(yōu)于以上方式，在圖像質(zhì)量一定的情況下，幀頻和壓縮比均有明顯提高。

對于采用的第二種混合編碼方式，在數據傳輸率較低的情況下，達到了較高的壓縮比、較好的圖像質(zhì)量和基本實(shí)時(shí)的視頻效果。

實(shí)驗數據中給出的幀頻和壓縮比計算如下：記錄圖像采集開(kāi)始和結束的時(shí)刻，在播放過(guò)程中統計幀數，用幀數除以時(shí)間差即為幀頻：

幀頻＝幀數／（結束時(shí)間－開(kāi)始時(shí)間）

用圖像信息應傳輸的字節數除以實(shí)際傳輸的字節數即為壓縮比：