一種野外單兵非固定視頻采集的無線傳輸系統的總體設計

王偉東

1 選題的背景及意義

因為各個國家的政治、經濟、社會等因素在不斷的變化，未來的戰場也在不斷的發生變化，但是主導未來戰爭的作戰樣式是信息戰。在未來戰爭中贏得信息戰保持好主導的優勢，成為了各國軍事家重點研究和關注的問題。只有擁先進的武器裝備和高素質軍隊人才能在未來信息化的戰場中勝利。未來單兵系統凝聚了世界最先進的信息技術水平，它的框架中包括了敵我識別、通信系統、武器平臺和自我防護設備，因而使得單兵不再是個人，而是機動性能強，較好生存于復雜條件下，同時作戰中有著更大殺傷力的一個作戰單元。

單兵系統中，單兵通信系統起著不可替代的作用，在瞬息萬變的戰場中，能否實時、迅速、有效的將戰場信息傳遞到指揮部去，關系到上級能否全面掌控和了解整個戰場信息，乃至于整個戰爭的勝敗。因而我們對于無線視頻如何更好的傳送的研究在單兵通信系統中的作用顯得更加重要。CMOS圖像傳感器和nRF24L01無線收發模塊功耗低、成本小、工作穩定，而MPEG-4傳輸速率要求低、兼容性好、有很好的壓縮比。本論文結合CMOS圖像采集、MPEG-4視頻壓縮編碼和nRF24L01無線收發模塊，目的在于實現基于DSP的視頻傳輸系統，該系統應用于瞬息萬變的戰場形勢，使得單兵與上級實現實時、便捷和有效的信息溝通，能夠最大程度的提高指揮效率，減少傷亡，贏得整個戰爭便更有把握。本文主要介紹總體框圖，通過對比研究確定每個模塊的實現方案。

2 總體框圖

論文設計的無線視頻采集系統主要基于DSP TMS320DM642和以nFR24L01為核心的收發模塊PRT6000實現的。總體實現框架圖如下：

具體工作流程：當打開開關或者復位時，從FLASH加載程序進行初始化之后，CMOS傳感器進行信息收集，在并其內部進行采樣量化， SRAM存儲器對CMOS采集到 的大量信息進行緩存，以便DSP的MPEG-4編碼器進行有序編碼。將發射模塊設為接受方式，使得信息能隨時發送出去。在接收端，信息通過USB建立的通道傳給主機進行信息的融合、處理等。

3 各個模塊的實現

3.1 視頻采集的實現

單兵作戰，進行信息采集，主要是使得作戰指揮室能盡快摸清地形，對于圖像的質量要求并不苛刻，況且，在電源有限的情況下，需要功耗要足夠小；大規模使用，價格也是我們主要考慮的內容。因此，我將順應主流，采用CMOS來實現視頻采集。該模塊包括鏡頭、傳感器、存儲設備三個部分。鏡頭采集到的信息成像于傳感器的感光陣列上，外圍控制電路作用于CMOS上，將模擬信息全部轉換成相應的數字信息并有序存儲于SDRAM中。

3.2 視頻壓縮的實現

視頻壓縮主要采取視頻編碼，以便較少視頻序列碼率達到信息最小化的目的。當前常用的編碼標準有：MPEG和H.26x系列。

本課題采用的是MPEG-4壓縮技術。MPEG-4壓縮標準壓縮比是MPEG-1的450倍，以往的標準都是基于矩形幀進行壓縮的編碼標準。而它對信息進行的分割是立體式的，它的編碼標準是基于對象的。首先它將對象從空間和時間上分割成相互聯系的視頻和音頻信號，然后再對這些信號進行編碼處理的。

該標準的一大特點是它提出VOP（Video Objeuct Plane）這個概念[4]，它是指我們可以通過人眼比較敏感對象，例如形狀、運動、紋理，把得到的有序信息中的每幀當做不相同的VOP組成，但是同一個對象連續VOP記做VO。

MPEG-4基于對象編碼主要有：形狀、運動和紋理編碼三種。

形狀編碼：一個二維的對象，不論何種樣式，我們都能夠實現對它的單獨編碼，此編碼中，每個對象都包括二形狀編碼和灰度級形狀編碼，英文縮寫為BSC和GSC。正因為它采用了BSC、GSC，我們才能夠實現基于對象編碼。

運動編碼：此編碼為了減少圖像信息中的時間冗余，采用了運動預測和補償技術來實現這樣的功能。有三種編碼方式：

1）幀內編碼模式（ I-VOP ）： 只用對象本身的信息來編碼。

2）單向預測編碼模式（ P-VOP ）： 依據它前面一個VOP進行分析，預測并糾正補償編碼。

3）雙向預測編碼模式（ B-VOP ）： 依據它前后VOP進行分析，預測并糾正補償編碼。

紋理編碼：紋理信息由I-VOP 的像素值和P-VOP 編碼的分析估計相差得到的數值兩部分組成。信息的色度和亮度分量用來表示一個VOP 的紋理信息，為了能夠達到容易、容錯性能好等目的，論文根據MPEG-4標準前面介紹關于分開的編碼理論，先將VOP分割16×16部分，每一部分采用8×8的二維DCT變換，量化得到的系數，并對VO預測編碼，我們獲得的系數進行順序的編碼即可。

3.3 視頻無線傳輸的實現

近些年由于信心的迅速發展，無線通信技術的產生使人們的生活變得更加方便和簡單，目前最為流行的數據傳輸標準有三個：藍牙、802.11標準和IrDA。

本文采用的無線收發模塊PTR6000是一種以nRF24L01為核心的且工作在2.4GHz的無線收發模塊[6]。

nRF24L01是單片射頻收發芯片。它協議簡單，對用戶透明。使用兩層 PCB 板，成本低，同時，該芯片還有以下主要特點：

1）采用GFSK調制，傳輸速率2Mbps，能很強的抗干擾，特別適合單兵迅速、保密方面的要求。

2）有125個可以選擇的頻道，能夠實現點對多點通信和跳頻通信。

3）1.9～3.6V的工作電壓，在 2Mbps接收速率下，工作電流僅12.3mA。還包括空閑和掉電模式等，由于射頻芯片選取直接影響單兵通信系統的通信時間長短。而極低功耗的該芯片值得當選。

4）它的接口配置是標準的SPI工作方式，易于和DSP連接。

4 小結

本文介紹了實現無線視頻傳輸的一個總體設計方案，同時對采集模塊的實現進行了說明，介紹了MPEG-4壓縮技術，同時綜合考慮功耗、價格等因素決定采用由nRF24L01射頻芯片實現無線傳輸，并結合此系統應用環境和實際要求，就幾個方面需要把一些原則進行了簡單的說明。