國內(nèi)外現(xiàn)狀和理論基礎

1、無人機（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱 UAV）是進行無人偵查或攻擊時搭載偵察設備和攻擊系統(tǒng)的無人飛行平臺。無人機是一個系統(tǒng)而不是單一的飛行器，它由飛行器、地面指揮平臺、發(fā)射與回收設備、有效載荷、數(shù)據(jù)傳輸設備以及支持維護等部分組成。無人機沒有飛行員控制，而是由機載的飛行驅(qū)動程序、自動駕駛儀和地面的無線電遙控等設備進行飛行控制的，地面的指揮中心通過無線電遙控設備發(fā)出命令給無人機，無人機接收到命令后進行相關(guān)操作然后將數(shù)據(jù)傳回地面，它的起飛、著陸方式和一般飛機差不多，在軍事、民用監(jiān)察、信息對抗、災難援助、電力布線等方面都有著很高的應用價值國內(nèi)外現(xiàn)有的無人機上的圖像傳輸系統(tǒng)主要采

2、用的還是模擬流傳輸方式，這種方式具有占帶寬、抗干擾性差、傳輸距離短等缺點，實際偵查工作中要求所采集圖像效果好和傳輸實時性，但是模擬信號數(shù)據(jù)量大，要進行無線傳輸勢必限制帶寬，這樣便影響了發(fā)送的采集圖像信息的實際效果；并且在實際偵查工作時，存在著許多的干擾因素，模擬信號易受干擾，這樣會使收到的數(shù)據(jù)失真；無人機要深入危險區(qū)域進行偵查，傳輸距離將成為重大的影響因素。因此傳統(tǒng)的圖像傳輸系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了實際需求，無人機無線圖像傳輸系統(tǒng)有著很高的研究需求。國外進行研制微型無人機的歷史比較長,距今已有30多年的時間了,但普遍都是基于微型無人機的飛機機體原理、發(fā)動機引擎以及飛機的隱形化進行的研究,而對其數(shù)據(jù)鏈路

3、,即無線視頻圖像傳輸系統(tǒng)的研究很少,且其大部分集中在理論算法的研究上。再加上國外對我國技術(shù)保密和軍事封鎖的緣故,國內(nèi)也無法獲得其無人機更多的技術(shù)細節(jié)。美國AIAA公司的“Black Widow”無人機,采用COMS彩色攝像頭作為其圖像采設備,該圖像傳輸系統(tǒng)的分辨率510*488,模擬制視頻流,通信系統(tǒng)采用FM調(diào)制,載頻2.4GHz,最大傳輸距離2km。美國Timonthy Kinkaid設計的微型圖像無線傳輸系統(tǒng),采用一個彩色相機,可拍攝380行分辨率的圖像,模擬制視頻流,載頻2.4GHz,全方位探測天線IAN F.AKYILDIZ等人研究的無線移動機器人,可以采集環(huán)境中的視頻和音頻流,以及靜

4、態(tài)圖像。該圖像系統(tǒng)采用一個羅技Pro4000網(wǎng)路攝像機,分辨率640*480,采用IEEE802.11B無線傳輸協(xié)議,基于Linux操作系統(tǒng),每秒可傳輸15幀QCIF格式的JPEG視頻流。比利時J.Thone等人設計了一種2Mbps速率的無線圖像數(shù)據(jù)發(fā)射器。采用模擬電路搭建的FSK調(diào)制方式,接收端采用FPGA XC3S200控制,通過USB接口將圖像數(shù)據(jù)傳給上位機。圖像質(zhì)量為VGA,速率1517幀/秒。相比于國外,國內(nèi)在無人機方面的設計研究開始的較晚,研究進度和技術(shù)水平相對不太成熟。清華大學研制的一種微型無線傳輸系統(tǒng),由機載攝像機與發(fā)射模塊和地面接收設備構(gòu)成。采用模擬視頻流,1.2GHz、FM

5、調(diào)制無線發(fā)射,28幅圖像每秒。電子科技大學設計的鴿載微型無線圖像傳輸系統(tǒng),可晝夜檢測戰(zhàn)場信息,采用模擬和數(shù)字兩種方案設計。模擬方案的發(fā)射部分采用模擬制式發(fā)射,工作頻率為1.2GHZ,調(diào)制帶寬為10MHz。數(shù)字方案選用安捷倫ADCM-1650微型攝像頭,發(fā)射部分采用Nrf905,最高速率可達100Kbps,系統(tǒng)整體傳輸速率較低。圖像的采集壓縮傳輸是當前熱門的研究課題，具有很高的應用價值。本文基于無人機平臺，使用的 接口采集圖像，然后使用庫壓縮視頻圖像，最后使用開源項目傳輸壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，可以方便地移植和使用。本文作者的創(chuàng)新點：設計提出了結(jié)合嵌入式技術(shù)視頻壓縮編碼技術(shù)無線通信技術(shù)網(wǎng)絡技術(shù)等多項技

6、術(shù)的無線視頻傳輸系統(tǒng)，采用嵌入式技術(shù)和實時多任務操作系統(tǒng)，基于無線數(shù)據(jù)傳送視頻壓縮實時傳輸控制，使系統(tǒng)有很高的應用價值。本文研究了 H.264 視頻壓縮算法編解碼框架及關(guān)鍵技術(shù)。H.264 具有高壓縮比、高質(zhì)量、低碼率的特性，但是算法也變得復雜，影響了編碼效率。H.264 的實現(xiàn)版本主要有三種：JM、X264、T264，將三者的優(yōu)缺點作對比，JM 是官方發(fā)布的源代碼，包含了各種算法，主要用于學術(shù)研究，缺乏應用性；T264 是國內(nèi)組織基于 H.264 發(fā)布的實用性代碼，但目前技術(shù)還不夠成熟；而 X264 有選擇性地提取了 JM和T264 的技術(shù)亮點，不論從編碼速度還是實用性方面都提高了很多，所以

7、本文選用 X264 作為算法原型。 DSP 的高運算速度可以滿足本文對于實時性的要求, 選用 TMS320 DM6446作為硬件平臺，但是由于 X264 算法的源代碼是在 VC 環(huán)境下開發(fā)的，需要完成向 DSP 上的移植，主要的移植工作有代碼的裁剪、存儲空間的分配以及根據(jù)編譯器的差異而做的各方面的修改。移植后的代碼的編碼效率無法達到實時，需進行優(yōu)化。本文通過對 X264 代碼的各函數(shù)的開銷的研究，主要做了以下優(yōu)化工作：編碼器選項、運動估計算法、以及內(nèi)聯(lián)函數(shù)等方面的優(yōu)化。其中對運動估計算法做了深入研究、對比實驗，選用鉆石搜索算法并對其進行了優(yōu)化。從實驗得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)果圖像質(zhì)量保持良好

8、，且經(jīng)過優(yōu)化后的 X264 代碼的編碼速度有了很大的提高。本文分析了現(xiàn)有的無線圖像傳輸系統(tǒng)和微型無人機實際情況,提出了本系統(tǒng)詳細的總體設計方案,即采用不依賴于網(wǎng)絡和計算機平臺的圖像采集壓縮和傳輸方案。該方案將系統(tǒng)分為機載圖像采集壓縮部分和地面站圖像接收顯示部分。深入研究了H.264視頻壓縮算法和DM6446 DSP開發(fā)平臺,針對實用X264的算法進行了程序和內(nèi)存開銷研究以及相關(guān)DSP應用的研究。利用VC平臺對X264算法進行仿真分析,掌握算法的運算過程,進而移植到CCS軟仿環(huán)境中進行算法仿真,并結(jié)合實際硬件板卡設計了的DSP內(nèi)存分配,仿真實現(xiàn)了X264編碼算法的DSP移植,得到了視頻壓縮編碼碼

9、流。設計實現(xiàn)了無線傳輸模塊,在保證圖像傳輸質(zhì)量和速率的前提下,試驗結(jié)果表明該設計可達到預期設計的無線傳輸距離要求。本文以為核心處理器，以嵌入式為板級操作系統(tǒng)，設計出一套可供無人機使用的低功耗視頻實時壓縮系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的嵌入式視頻 軟件編碼壓縮系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)依賴 內(nèi)嵌的視頻協(xié)處理硬核處理 編碼，具有功耗低，處理延遲小，外部電路簡單等諸多優(yōu)勢。同時系統(tǒng)以嵌入式為板級操作系統(tǒng)，實時性強，可穩(wěn)定高效的管理視頻采集、硬核調(diào)度、串口通訊、數(shù)據(jù)輸出等諸多任務。1. ITU-T H.261 標準該標準是最早的以塊模式進行混合編碼的標準，采用了幀內(nèi)編碼、16×16 宏塊運動補償預測、8×8

10、塊 DCT、量化和熵編碼技術(shù)。H.261 目標是 p*64bit/s 編解碼器（p=1，30），即在 ISDN（Integrated Services Digital Network)上以此速率開展視頻會議和視頻電話業(yè)務2. MPEG-1 標準MPEG-1 標準，碼率約為 1.5Mbit/s。MPEG-1 標準僅僅設定了比特流結(jié)構(gòu)及解碼方法，用戶可以通過針對性地設置一些重要參數(shù)如運動估計、碼率控制等來形成所需的高效低廉的編解碼器3. MPEG-2 標準標準為實現(xiàn)高級工業(yè)方面的標準圖像分辨率和更快的傳輸速度而設計的。MPEG-2 方案的比特率為 310Mbit/s，增加了隔行掃描圖像的支持，MP

11、EG-2 依據(jù)不同的壓縮比分成了五個檔次，按照視頻清晰度分成了四個檔次，可以組成 20 種組合，提供了較廣泛的范圍滿足不同畫面質(zhì)量、帶寬和存儲器的要求4. ITU-T H.263 標準H.263標準與 H.261 標準相似，但是H.263在不同的比特率上都提高了圖像的質(zhì)量，通過采用針對低碼率而改進的變長編碼和運動補償預測，其中對于后者，H.261 采用的是整像素精度運動估計方法，而 H.263 編解碼器的運動估計中使用的是半像素精度，大大地除掉了圖像中高頻分量。H.263相對于H.261所做的改變使得圖像的質(zhì)量并沒有下降，而且在此基礎上降低了自身的碼率，只有H.261的一半5. ITU H.2

12、63+/H.263+標準在完全兼容 H.263 標準的基礎上，對于無線通信或者分組式網(wǎng)絡通信，增強了抗干擾性。2000 年 11 月，第三版H.263+隨之誕生，H.263+以之前的標準為基礎，新添加了3 個高級模式。這些新增的模式主要包括：參考幀采樣模式、高級幀內(nèi)編碼模式、交替幀間 VLC選擇模式、分片結(jié)構(gòu)模式、參考幀選擇模式、數(shù)據(jù)分割模式、可分級編碼等。6. MPEG-4 標準MPEG-4 標準，其支持移動通訊、電話網(wǎng)絡，且碼率范圍 564Kbps；也可應用于電視和電影，且保持 4Mbps 的碼率，目前適用于網(wǎng)絡數(shù)字視頻監(jiān)控的主流嵌入式數(shù)字錄像機(Digital Video Recorde

13、r)和數(shù)字視頻流服務器(Digital Video Streamer)。MPEG-4 標準采用了分層編碼，支持 4800bit/s 到 4Mbit/s 的高碼率范圍，同時低碼率支持 5Kbit/s 到64Kbit/s。7. H.264/AVC 標準新一代適應于低比特率傳輸?shù)腍.264/AVC 標準，它屬于 MPEG-4，是在其基礎上發(fā)展起來的高級視頻編碼標準。不但壓縮比大大地提高，而且較好地適應于各網(wǎng)絡，提高了網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩?。只是?guī)定輸出比特流結(jié)構(gòu)和針對比特流的解碼方法。在運動預測、殘差的 DCT 變換、變換系數(shù)的量化，以及熵編碼實現(xiàn)中加入了新的技術(shù)和特別處理，相對比于以往的標準，在大部分碼

14、率的情況下H.264最大程度地節(jié)約50%的比特率，H.264使用了特殊的語法結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡的友好性，增強了適用的信道的多樣性；由于IP 網(wǎng)絡傳輸時會遇到數(shù)據(jù)丟失，或者在安全性差的網(wǎng)絡中傳輸容。易產(chǎn)生誤碼，H.264 增強了抗誤碼能力，能夠有效地處理這些問題。而且應用范圍非常廣泛，H.264 不僅能適用于低延時的場合如視頻會議、視頻監(jiān)控等，這些都要求實時通信；而且在不限制延時的場合如視頻存儲等也發(fā)揮自如。隨著硬件支持視頻文件分辨率越來越高和高清視頻影音的發(fā)展，視頻格式轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為了影音研究的熱門課題。目前常見的視頻格式主要有 AVI、MPEG、MOV、RM等，視頻格式轉(zhuǎn)換根據(jù)轉(zhuǎn)碼用途不同，可以

15、分成幾種常見的轉(zhuǎn)碼模式：通過視頻格式轉(zhuǎn)換實現(xiàn)網(wǎng)絡視頻在電腦之外其他硬件設備上的播放，如 RMVB 轉(zhuǎn) MP4、RMVB 轉(zhuǎn) 3GP、RMVB轉(zhuǎn) DVD、FLV 轉(zhuǎn) MP4、FLV 轉(zhuǎn) 3GP，F(xiàn)LV 轉(zhuǎn) DVD，通過視頻格式轉(zhuǎn)換減小體積，提高保存便利性，如 TS 轉(zhuǎn) RMVB、TS 轉(zhuǎn) AVI、TP 轉(zhuǎn) RMVB、MTS 轉(zhuǎn) DVD、MTS 轉(zhuǎn) RMVB 等。視頻格式轉(zhuǎn)換的原理是通過視頻格式編碼規(guī)范對視頻進行解碼，再根據(jù)目標格式編碼規(guī)范重新編碼，實現(xiàn)質(zhì)的變化，但視頻播放內(nèi)容并無不同。視頻格式轉(zhuǎn)換的功能主要是將視頻文件轉(zhuǎn)換成體積小，清晰度高，便于網(wǎng)絡上的傳播和滿足用戶的感官享受。格式轉(zhuǎn)換編碼是將

16、多媒體的一種編碼方式處理成為所需的另一種編碼格式，對壓縮碼流重新編碼處理以滿足傳輸通道或解碼器進行編碼的特殊要求。從廣義上講轉(zhuǎn)碼包括多媒體內(nèi)部及相互之間的轉(zhuǎn)換類型，前者是將圖像編碼標準轉(zhuǎn)換成另一種圖像編碼標準，而后者如文字轉(zhuǎn)換成文本并最終轉(zhuǎn)換成三維圖像。轉(zhuǎn)碼技術(shù)是滿足多媒體傳輸時間的關(guān)鍵技術(shù)，速率控制在達到高質(zhì)量視覺視頻轉(zhuǎn)換的過程中起到重要作用。通常情況下，大部分編碼器速率控制是轉(zhuǎn)碼器盡量減少原始圖像之間的扭曲和在重建的基礎上優(yōu)化失真圖像。編碼和解碼算法隨著格式不同也在不斷改進，在滿足圖像和聲音的前提下，通過壓縮視頻文件和更改視頻流，將原始格式轉(zhuǎn)換成需要的格式。分布式視頻數(shù)據(jù)處理就是對大量的視

17、頻數(shù)據(jù)做解碼和轉(zhuǎn)碼工作，集中計算資源、提高服務器利用率，并對視頻轉(zhuǎn)碼提供統(tǒng)一的服務接口，保障視頻服務功能。分布式：采用多臺轉(zhuǎn)碼機器同時對視頻文件進行轉(zhuǎn)碼。將視頻在片源分段，將每段傳輸?shù)綄霓D(zhuǎn)碼機器上，轉(zhuǎn)碼完成后將各段合并成一個視頻文件，返回該視頻。這種方式優(yōu)點是并行轉(zhuǎn)碼，時間成本低，可以應對并發(fā)轉(zhuǎn)碼任務；缺陷是實現(xiàn)復雜，需要考慮分段同步以及斷后合并等問題。商業(yè)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)：國內(nèi)來看，主要有迅雷轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)、騰訊云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)。迅雷轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是將視頻文件直接轉(zhuǎn)碼，不需要用戶下載后轉(zhuǎn)碼，通過指定源片地址，生成新的目標格式視頻的地址。經(jīng)了解，迅雷轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要是依靠分布式框架，結(jié)合FFmpeg開源視頻處

18、理技術(shù)，將視頻整體發(fā)送給集群節(jié)點，通過單節(jié)點計算完成轉(zhuǎn)碼任務。騰訊云轉(zhuǎn)碼需要用戶提供名稱和格式，然后根據(jù)用戶要求，將視頻提交至Hadoop集群，返回處理結(jié)果。國外廠商Amazon提供了AET（Amazon Elastic Transcoder）系統(tǒng)，能夠支持的轉(zhuǎn)碼類型較多，在系統(tǒng)設計上也是采用分布是框架，主要依靠亞馬遜云平臺構(gòu)成邏輯上的分布式，將單個任務封裝成一個pipeline，隨機分發(fā)給各節(jié)點轉(zhuǎn)碼，進而返回轉(zhuǎn)碼結(jié)果。此外針對本地數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼，國外有兩個系統(tǒng)已經(jīng)實際運營(You Convert It 及Online-convert)，這兩個系統(tǒng)均能通過云端處理能力將本地的視頻文件轉(zhuǎn)碼為用戶需要

19、的格式。用戶在使用時，將本地數(shù)據(jù)上傳至其服務器，通過服務器轉(zhuǎn)碼后，用戶再從服務器下載轉(zhuǎn)碼好的數(shù)據(jù)，整個過程的絕大部分時間消耗在網(wǎng)絡傳輸上，且耗時較長，因此它們與迅雷云轉(zhuǎn)碼一樣，也是采用離線的方式提供轉(zhuǎn)碼服務。學術(shù)界云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)：2008 年， Iqbal R等人研究了 P2P結(jié)構(gòu)上的視頻轉(zhuǎn)碼，他們嘗試著用MPEG-21DIA來描述視頻信息，通過對該信息的適配來完成視頻的轉(zhuǎn)碼，構(gòu)建的系統(tǒng)叫做DAg-stream。Jeonghun Noh等人于2012年提出了P2P結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的容錯性方案。他們分析并解決了在利用 P2P 的結(jié)構(gòu)對視頻進行轉(zhuǎn)碼過程中由于節(jié)點的離開等現(xiàn)象造成的部分編碼數(shù)據(jù)丟失時，如何“

20、修復”的問題，采用其它節(jié)點直接補償?shù)姆绞竭M行修復，在保證了系統(tǒng)容錯性的同時卻降低了轉(zhuǎn)碼的質(zhì)量。由于P2P結(jié)構(gòu)的動態(tài)性，采用這種分布式方式進行轉(zhuǎn)碼時，轉(zhuǎn)碼效果較差，且較難實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)碼。因此，Zhenhua Li等人則利用云計算技術(shù)來解決轉(zhuǎn)碼問題。他們利用騰訊現(xiàn)有的基礎設施和用戶量，構(gòu)建大型云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)Cloud Transcoder，該系統(tǒng)集下載、轉(zhuǎn)碼、緩存為一體。楊帆等人采用 Hadoop的方式構(gòu)建分布式云轉(zhuǎn)碼平臺，利用 HDFS 存儲視頻片段，將存儲與轉(zhuǎn)碼集成一體，其轉(zhuǎn)碼能夠提供一定的加速比，然而系統(tǒng)的設計的目的是并行轉(zhuǎn)碼，若想觀看到轉(zhuǎn)碼的效果必須等待所有的片段轉(zhuǎn)碼完成，很難滿足邊播放邊轉(zhuǎn)碼的需求。為了使得轉(zhuǎn)碼向?qū)崟r性靠攏，F(xiàn)areed Jokhio等人則另辟蹊徑，采用MPI開發(fā)了新的分布式轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)，在不同的轉(zhuǎn)碼節(jié)點之間構(gòu)建 MPI 消息，以保證他們之間的通訊。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，系統(tǒng)通過對源視頻進行GOP切分，并采用不同的節(jié)點轉(zhuǎn)碼不同的分片，最后進行適當?shù)钠唇印adoop是一個由Apache基金會所開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎架構(gòu)。用戶可以在不了解分布式底層細節(jié)的情況下，開發(fā)分布式程序。充分利用集群的威力進行高速運算和存儲。Hadoop實現(xiàn)了一個分