基于ARM的無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)應(yīng)用

 引言

微型無人偵察機的首要任務(wù)是實現(xiàn)圖像信息的實時獲取與無線傳輸。研究較成熟的無人機載圖像實時傳輸系統(tǒng)，其圖像質(zhì)量指標、信道編碼效率等均不高，且抗多徑干擾差。同時，由于微小型飛行器的載重及能量供給非常有限，對機載部分的功耗、重量、安裝尺寸等都提出了更為嚴格的要求。因此，開發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無線傳輸系統(tǒng)尤為重要。本文所研究的主要內(nèi)容以某微型無人偵察機的需求為背景，提出了一種視頻圖像的無線數(shù)字傳輸方式，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、實時性好及傳輸可靠等特點。

本文設(shè)計的基于ARM的嵌入式微小型無人機無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計和Linux下的軟件設(shè)計。該系統(tǒng)在MCU4010嵌入式微處理器的協(xié)調(diào)和調(diào)度下統(tǒng)一工作，采甩專用MPEG-4音視頻編碼芯片MPG-440A將采集生成的數(shù)字視頻予以編碼壓縮處理。

　　1 系統(tǒng)原理

　　微型無人機要求提供實時、高質(zhì)量的偵察圖像。本文所采用的攝像與無線傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH芯片和SDRAM內(nèi)存以及無線網(wǎng)卡等組成。

由于受微型無人機的載荷所限，該系統(tǒng)首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機采集視頻信號，然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像，轉(zhuǎn)化生成分辨率較高的數(shù)字圖像。編碼后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大，且無線通信信道的帶寬有限，難以保證視頻圖像的實時傳輸，因此需要對數(shù)字視頻圖像進行編碼壓縮，在保證一定畫質(zhì)的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量。壓縮工作通?？梢赃x用軟件或?qū)Ｓ糜布硗瓿?。然而專用編碼壓縮軟件代碼規(guī)模較大，設(shè)備要求高，且機載微處理器功能有限，使其應(yīng)用受到限制。為保證系統(tǒng)最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專用編碼芯片對采集后得到的數(shù)字圖像進行硬件編碼壓縮，生成MPEG-4碼流，實時性好，可靠性高。模塊工作和碼流流向由ARM微處理器調(diào)度管理，同時，微處理器通過RS 485和攝像模塊相連，傳輸攝像機鏡頭的控制信號，如變倍、變焦等。機載云臺也通過RS485獲得用戶的遠程控制信號，并通過水平和垂直方向的位置改變來響應(yīng)用戶的不同僨察需求。在完成數(shù)字視頻偵察系統(tǒng)的開發(fā)后，為系統(tǒng)加入了基于開放的802.11協(xié)議的無線加密傳輸模塊，為系統(tǒng)的安全工作帶來保證，避免了無線視頻系統(tǒng)的安全漏洞。

　　2 硬件設(shè)計

微型無人機視頻處理與傳輸系統(tǒng)主要包括視頻采集及處理模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊2個子系統(tǒng)，是整個微型無人機視頻系統(tǒng)中的核心部分。

本文視頻編碼器采用的編碼器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次發(fā)表的低價格低消耗功率但提供高質(zhì)量影像輸出的影像編碼器。在它的輸入前端有階梯狀濾波器，不用為系統(tǒng)添加額外的濾波器。同時，ADV7180還提供了DNR/CTI的影像強化輸出調(diào)整，ADLLT更獨步全球提供給系統(tǒng)在弱信號的處理上強有力的支持，使傳輸?shù)膱D像更加平穩(wěn)。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡化，只需設(shè)定少數(shù)的暫存器就可輸出高質(zhì)量影像，無需為影像編碼器設(shè)定繁瑣復(fù)雜的程序。

視頻壓縮芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如圖2所示，它是針對網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸所設(shè)計的MPEG-4專屬芯片。MPG-440A支持高階影像數(shù)字監(jiān)控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動態(tài)調(diào)整IP幀比率與動態(tài)調(diào)整質(zhì)量，是特殊場合監(jiān)控用的最佳影像處理器，可產(chǎn)生最小比特率并符合長時間儲存要求。

主控芯片選取的是Imagia公司的MCP4010-32位RISC嵌入式微處理器，見圖3。它使用.ARM 922 T核，工作頻率高達200 MHz，內(nèi)部帶有存儲器管理單元(MMU)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，是視頻采集和處理模塊的核心，可達到D1分辨率實時編碼壓縮的效能。

       無線傳輸模塊采用Ralink公司提供的RT2561芯片方案的無線網(wǎng)卡，符合IEEE 802.11b/g/n標準，傳輸速率高達128 Mb/s(自適應(yīng))。支持標準32位Mini-PCI接口;具有MIMO天線技術(shù)，使傳輸更穩(wěn)定距離更廣;支持Windows/Linux/WinCE等操作系統(tǒng);工作頻率范圍為2.412～2.484 GHz;傳輸功率為18 dBm(典型值)。MCU4010和MCP440A如圖4所示，RT2561如圖5所示。

地面站采用便攜式設(shè)計，主要用來接收無人機實時發(fā)送回的視頻信號，并將其顯示出來，包括接收天線、筆記本計算機或PDA。該系統(tǒng)采用的接收天線為TDJ-2400BKC-Y室外板狀定向天線，其具有增益高、前后輻射比大、三維尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，是一種高質(zhì)量的室外通信天線，非常符合無人機在野外條件下的戰(zhàn)術(shù)需求。其頻率范圍為2 400～2 483 MHz，增益為10 dBi，水平面波瓣寬度為110°。

3 軟件設(shè)計

該設(shè)計采用基于Web服務(wù)器的B/S(Browser/Server)服務(wù)機制，B/S服務(wù)機制是隨著Internet技術(shù)的興起，對C/S(Client/Server)服務(wù)機制的改進，由于其先進的開發(fā)技術(shù)、優(yōu)越的可管理性和可維護性及簡單方便的應(yīng)用模式，正成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)最流行的應(yīng)用方式。它能將地面站的視頻偵察系統(tǒng)控制、偵察視頻瀏覽、開關(guān)量的控制、攝像云臺控制等在IE瀏覽器中予以實現(xiàn)，不用另行安裝軟件，使視頻偵察系統(tǒng)的操作、配制簡單化，實現(xiàn)了跨平臺性，客戶端在普通PC機、PDA等操作系統(tǒng)上均能運行，非常適合戰(zhàn)術(shù)無人機的野外作業(yè)。下面分別介紹本系統(tǒng)服務(wù)器端和客戶端的主要功能：

(1)服務(wù)器端主要功能：響應(yīng)Web連接服務(wù)，采集視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

(2)機載微處理器作為服務(wù)器，響應(yīng)客戶端的連接請求，并提供ActiveX控件的下載，利用Linux視頻子系統(tǒng)提供的API函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集代碼，接收MPG-440A傳送的MPEG-4格式二進制視頻數(shù)據(jù)。將接收到的數(shù)據(jù)整理后，通過Socket通訊以組播方式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到瀏覽器客戶端。

(3)客戶端部分的主要功能：連接機載Web服務(wù)器并下載ActiveX控件。

(4)為了減輕視頻服務(wù)器客戶端操作的負擔(dān)，提高軟件升級和維護的方便性，設(shè)計中將地面站的視頻圖像接收和視頻圖像顯示部分封裝在ActiveX控件中，在運行Linux的ARM串臺上移植嵌入式Web服務(wù)器Boa，響應(yīng)地面站的連接請求，并將ActiveX控件嵌入到網(wǎng)頁中發(fā)布。地面站通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器時，ActiveX控件就會經(jīng)過網(wǎng)頁傳輸?shù)娇蛻舳瞬⒆詣酉螺d安裝。一旦視頻偵察系統(tǒng)服務(wù)器端部分和ActiveX控件建立通信，就可通過Socket進行視頻數(shù)據(jù)的組播傳輸，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

      4 飛行實驗

該系統(tǒng)在某戰(zhàn)術(shù)無人機上進行了搭載飛行試驗，飛行高度約為200 m，攝像鏡頭的視角45°，平均飛行速度約為15 m/s。發(fā)射模塊將攝像頭拍攝到的數(shù)字視頻信號實時發(fā)送回地面，通過瀏覽器顯示的視頻截圖如圖6所示。機載飛行試驗表明，在3 km范圍內(nèi)，機載攝像與無線傳輸系統(tǒng)能較好地完成MAV攝像和傳輸任務(wù)，該系統(tǒng)尺寸小、重量輕、功耗低、工作穩(wěn)定，滿足MAV有效載荷的基本要求。但由于無人機本身的重量輕，慣性很小，在低速飛行狀態(tài)時，氣流擾動和機體本身的振動對攝像和傳輸?shù)馁|(zhì)量有影響，還需適當(dāng)采取減振措施，減少圖像在傳輸過程中產(chǎn)生的抖動。

　　5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于ARM的嵌入式微小型無人機無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本低，采用B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，以組播方式傳輸，節(jié)省系統(tǒng)資源，易于維護，升級方便，使用簡單。通過機載實驗證明該系統(tǒng)基本滿足微小型無人機的要求，能夠做到實時傳輸回?zé)o人機偵察范圍內(nèi)的視頻圖像。