秦曉明

(焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引言

拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于提高其調(diào)度分配效率和作業(yè)質(zhì)量具有重要的意義。受到作業(yè)環(huán)境的影響,拖拉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)意義上的攝像機(jī)和PC機(jī)相連接組成的監(jiān)控系統(tǒng)不太可行,因?yàn)檫@種方案不僅成本高,而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也比較低,系統(tǒng)的整體效率也不高。嵌入式DSP處理器體積小、功能多、編程方便,可以將視頻采集、視頻編碼處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ芗捎谝惑w,并且利用計(jì)算機(jī)可以對(duì)多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,如果將其使用在拖拉機(jī)遠(yuǎn)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,對(duì)于提高監(jiān)控系統(tǒng)的效率和質(zhì)量會(huì)發(fā)揮重要的作用。

1 監(jiān)控視頻壓縮編碼以及傳輸技術(shù)

拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的農(nóng)機(jī)工具之一,常用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的運(yùn)輸、播種機(jī)和收割機(jī)的牽引設(shè)備。拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控不僅可以提高拖拉機(jī)的調(diào)度分配效率,而且對(duì)于作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)也具有非常重要的意義。一個(gè)完整的拖拉機(jī)監(jiān)控視頻系統(tǒng)不僅包括視頻編解碼器,還應(yīng)該包括前端數(shù)據(jù)采集、圖像預(yù)處理、圖像傳輸、圖像后處理及播放顯示等功能部分,基本框架如圖1所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻是人類獲取遠(yuǎn)程信息的重要形式,視頻包含的信息量大,可以直觀生動(dòng)地對(duì)遠(yuǎn)程的環(huán)境發(fā)生的情景進(jìn)行展現(xiàn),根據(jù)人視覺(jué)的特點(diǎn),視頻信號(hào)可以以時(shí)間軸為依據(jù)進(jìn)行離散化處理,由此產(chǎn)生了一種新概念叫做幀率。根據(jù)圖像的大小和幀率可以得到傳輸信號(hào)需要的帶寬,如果圖像采用的是4:2:0格式,則可以計(jì)算得到圖像的分辨率為720×576,幀率為30f/s,每個(gè)YUV分量用8bit表示,則比特率為

bit_rate=12×width×height·flame_rate

=142Mbit/s

(1)

但是,這個(gè)比特率一般是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,為了保證視頻的正常傳輸,需要對(duì)視頻進(jìn)行壓縮編碼后再進(jìn)行傳輸。從1991年的MPEG-1視頻編碼技術(shù)誕生以來(lái),視頻編碼技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,編碼效率也不斷提高。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,高吞吐量和高可靠性的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被逐步開(kāi)始應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)通信中,特別是DFDM正交頻分多路復(fù)用技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)較高的視頻傳輸速率。

2 嵌入式拖拉機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是由5部分組成,包括視頻顯示終端、視頻采集終端、視頻信號(hào)壓縮處理模塊、視頻信號(hào)傳輸模塊和控制模塊,其總體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中,視頻采集模塊主要是對(duì)拖拉機(jī)作業(yè)過(guò)程的視頻進(jìn)行采集,然后對(duì)采集的視頻信號(hào)通過(guò)采樣、濾波、A/D轉(zhuǎn)換成后變成數(shù)字信號(hào),對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行格式變換后,一方面視頻可以被壓縮,另一方面圖像編碼也可以成為兼容格式,其流程如圖3所示。

圖3 視頻采集模塊流程

視頻信號(hào)采集完成后,為了保證視頻信號(hào)的順利傳輸,需要對(duì)視頻進(jìn)行壓縮處理。在壓縮過(guò)程中,首先要保證視頻符合指標(biāo),還要保證解碼后圖像的質(zhì)量,通過(guò)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化,保證視頻的正常傳輸,如圖4所示。

圖4 視頻信號(hào)處理模塊流程

拖拉機(jī)監(jiān)控視頻信號(hào)處理完成后,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ烙袃煞N形式可以選擇,包括TCP傳輸和UDP多播傳輸。其中,UDP多播傳輸可以將1個(gè)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給多個(gè)接收成員,TCP傳輸主要是單一的任務(wù)傳輸。在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求選擇:如果監(jiān)控終端有多個(gè)接收者可以采用UDP多播形式傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);如果監(jiān)控終端只有1個(gè)接收者,則采用TCP傳輸形式。其原理如圖5所示。

圖5 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送處理流程

拖拉機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控終端,傳輸過(guò)程可以采用TCP/IP協(xié)議。為了提高視頻的實(shí)時(shí)傳輸效率,對(duì)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,并根據(jù)相關(guān)協(xié)議對(duì)視頻進(jìn)行壓縮,如圖6所示。

控制模塊主要是負(fù)責(zé)視頻顯示終端、視頻采集終端、視頻信號(hào)壓縮處理模塊、視頻信號(hào)傳輸模塊的系統(tǒng)控制。通過(guò)發(fā)送指令和接受指令數(shù)據(jù),必要時(shí)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊的協(xié)調(diào),最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖6 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計(jì)

3 拖拉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中非常重要的牽拉工具,隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人駕駛拖拉機(jī)也被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。

圖7為國(guó)外的一款無(wú)人駕駛拖拉機(jī)牽引的播種設(shè)備在進(jìn)行播種作業(yè)。其作業(yè)過(guò)程中可以利用實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)對(duì)作業(yè)情況及運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),視頻采集模塊采用TVP5150PBS,視頻模塊對(duì)視頻解碼轉(zhuǎn)換性能較好;DSP選用DM642,該型號(hào)的DSP可以實(shí)現(xiàn)與TVP5150的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行無(wú)縫連接,其連接關(guān)系如圖8所示。

圖7 無(wú)人駕駛拖拉機(jī)牽引播種作業(yè)場(chǎng)景

圖8 視頻采集和DSP模塊接口

為了驗(yàn)證方案的可行性,對(duì)壓縮編碼重建的視頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,來(lái)檢驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。失真度是檢驗(yàn)信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要指標(biāo),其可以用多種方法進(jìn)行定義。常用的有3種,包括絕對(duì)誤差總和(SAD)、絕對(duì)誤差均值(MAD)和均方誤差(MSE)。通過(guò)對(duì)壓縮編碼重建的信號(hào)和原始信號(hào)進(jìn)行比較,可以得到失真度。最常用的MAD公式為

(2)

圖像或者視頻對(duì)象的失真度可以取各相應(yīng)宏塊失真度的平均值,在拖拉機(jī)采集的監(jiān)控視頻中要考慮前景圖像。因此,可以定義幀的失真度為

(3)

其中,αj為視頻對(duì)象的權(quán)值;N為幀內(nèi)視頻對(duì)象的數(shù)目。

對(duì)于視頻信號(hào)傳輸質(zhì)量的檢驗(yàn),還可以通過(guò)峰值信噪比,宏塊峰值信噪比定義為

(4)

與失真度一樣,幀的視頻對(duì)象的PSNR可以取各相應(yīng)宏塊PSNR的均值,也可以取加權(quán)平均值。本次主要是通過(guò)失真度對(duì)監(jiān)控視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 失真度測(cè)試結(jié)果

續(xù)表1

在不同距離條件下,對(duì)拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)視頻信號(hào)傳輸?shù)氖д娑冗M(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:在1 000～3 500m傳輸范圍內(nèi),失真度不超過(guò)0.6%,視頻傳輸信號(hào)的失真度較低,可以滿足拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

為了提高拖拉機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率和質(zhì)量,將DSP嵌入式系統(tǒng)引入到了拖拉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,利用DSP芯片和簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)監(jiān)控視頻的采集、處理、傳輸?shù)裙δ堋榱蓑?yàn)證方案的可行性,以失真度為測(cè)試對(duì)象,對(duì)拖拉機(jī)遠(yuǎn)程系統(tǒng)的視頻編碼和傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行了檢驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明:在不同距離的視頻壓縮編碼信號(hào)傳輸過(guò)程中,失真度都不高于0.6%,信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量較好。