基于PC104無(wú)人機網(wǎng)絡(luò )視頻系統的構建

　　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128 MB，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