無人機(jī)數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐陽玉梅　劉盛宇

【摘 要】針對(duì)目前無人機(jī)通信和圖像處理領(lǐng)域出現(xiàn)的清晰度低、傳輸距離短、功耗高等問題，本文對(duì)無人機(jī)數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和算法仿真，確定方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；數(shù)字圖像傳輸；COFDM；圖像壓縮編碼

0 圖像傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于無人飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀，在航拍、娛樂、電力、安防、農(nóng)業(yè)、森林防火、警用等不同細(xì)分領(lǐng)域都能發(fā)揮非常重要的作用。目前，在無人機(jī)應(yīng)用中，無線數(shù)字圖像傳輸是無人機(jī)通信和圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，圖像傳輸系統(tǒng)的性能是區(qū)分無人機(jī)檔次的一個(gè)關(guān)鍵因素。同時(shí)數(shù)字圖傳還面臨著技術(shù)復(fù)雜程度較高，頻帶利用率低，對(duì)同步要求較高的問題。本文為實(shí)現(xiàn)高帶寬效率、高清晰度、功耗低、易實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮以及遠(yuǎn)距離（1km內(nèi)）傳輸?shù)臒o線數(shù)字圖像傳輸而對(duì)系統(tǒng)各模塊算法進(jìn)行了設(shè)置，系統(tǒng)傳輸方案如圖1所示。

圖1 無線圖像傳輸方案

無人機(jī)端由攝像頭進(jìn)行視頻采集開始，將拍攝到的視頻信號(hào)經(jīng)過圖像壓縮編碼和COFDM調(diào)制，最后在射頻前端放大后由5.8GHz頻段的無線模塊發(fā)射出去，地面站接收到視頻信號(hào)后再做解調(diào)解碼，最后對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理。

1 系統(tǒng)各模塊實(shí)現(xiàn)原理

1.1 圖像壓縮編碼

本設(shè)計(jì)采用MPEG-4壓縮編碼是因?yàn)镸PEG4只處理視頻信號(hào)幀與幀之間存在差異的元素，而舍棄無差異的元素，因此大大減少了合成視頻文件的大小，從而壓縮率大大提高且成像清晰。MPEG-4視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種：

1.1.1 視頻對(duì)象提取技術(shù)

視頻對(duì)象分割是指先通過低通濾波、中值濾波、形態(tài)濾波來對(duì)原始視頻/圖像信號(hào)進(jìn)行簡化，然后對(duì)視頻/圖像信號(hào)進(jìn)行顏色、紋理、運(yùn)動(dòng)、幀差、位移幀差乃至語義等特征提取，再基于某種均勻性標(biāo)準(zhǔn)來確定分割決策，根據(jù)所提取特征將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，最后做相關(guān)后處理以實(shí)現(xiàn)濾噪及邊界的準(zhǔn)確提取。

1.1.2 VOP視頻編碼技術(shù)

視頻對(duì)象平面（VOP，Video Object Plane）是視頻對(duì)象（VO）在某一時(shí)刻的采樣，MPEG-4在編碼過程中不同視頻對(duì)象有不同的編碼策略，對(duì)前景視頻對(duì)象的壓縮編碼盡可能保留細(xì)節(jié)和平滑；對(duì)背景視頻對(duì)象則采用高壓縮率的編碼策略，甚至傳輸背景視頻對(duì)象而是在解碼端由其他背景拼接而成。

1.1.3 視頻編碼可分級(jí)性技術(shù)

MPEG-4提出了FGS（精細(xì)可伸縮性）視頻編碼算法和PFGS（漸進(jìn)精細(xì)可伸縮性）視頻編碼算法。 PFGS是對(duì)FGS編碼效率的改善算法，其基本思想是使用前一幀重建的某個(gè)增強(qiáng)層圖像作為參考為當(dāng)前幀在增強(qiáng)層圖像編碼時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而使運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償更有效，從而提高編碼效率。

1.1.4 運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

MPEG-4表征運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償類型的幀格式有I-VOP、P-VOP、B-VOP。MPEG-4采用了H.263中的重疊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)及半像素搜索技術(shù)，并且同時(shí)引入重復(fù)填充技術(shù)和修改的塊匹配技術(shù)以支持任意形狀的VOP區(qū)域。

1.2 COFDM調(diào)制

COFDM（編碼正交頻分復(fù)用）是一種集信道編碼和OFDM調(diào)制技術(shù)于一體的高頻譜利用率且可對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展的調(diào)制技術(shù)。信道編碼可以采用卷積碼等。OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，與傳統(tǒng)的多載波調(diào)制相比，OFDM調(diào)制的各個(gè)子載波間可相互重疊，并且各子載波之間具有正交性，從而節(jié)省了帶寬資源，如圖2所示。

圖2 COFDM調(diào)制框圖

1.2.1 卷積碼

圖2中卷積碼的編碼器是由一個(gè)有k個(gè)輸入端、n個(gè)輸出端、N-1節(jié)移位寄存器所構(gòu)成的有限狀態(tài)的有記憶系統(tǒng)，即時(shí)序網(wǎng)絡(luò)。卷積碼的典型編碼器結(jié)構(gòu)為（n，k，N-1），卷積碼在任意給定單元時(shí)刻，編碼器輸出的n個(gè)碼元中，每一個(gè)碼元不僅和此時(shí)刻輸入的k個(gè)信息元有關(guān)，還與前連續(xù)N-1個(gè)時(shí)刻輸入的信息元有關(guān)。卷積碼編碼過程中相互關(guān)聯(lián)的碼元為N個(gè)，它表明編碼過程中互相約束的碼元數(shù)，監(jiān)督位監(jiān)督著這N段時(shí)間內(nèi)的信息。典型的卷積碼一般選較小的n和k（k

1.2.2 OFDM調(diào)制

將高速率的串行視頻流經(jīng)過串/并變換將其轉(zhuǎn)換成N路的并行低速率的子數(shù)據(jù)流。這樣得到的N路并行低速率的子數(shù)據(jù)流對(duì)N個(gè)子載波進(jìn)行各自不同的QPSK調(diào)制。具體的實(shí)現(xiàn)過程是在輸入端輸入一個(gè)二進(jìn)制的信號(hào)，通過串/并轉(zhuǎn)換后對(duì)其進(jìn)行IFFT運(yùn)算，再插入循環(huán)前綴就生成一個(gè)OFDM信號(hào)。插入一個(gè)保護(hù)間隔（循環(huán)前綴）是為了分離相鄰碼元防止碼間干擾，再經(jīng)過D/A變換后形成OFDM已調(diào)的信號(hào)s。在地面站，去除之前添加的保護(hù)間隔經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換和FFT后還原出OFDM的調(diào)制信號(hào)，最后再經(jīng)通過并/串轉(zhuǎn)換出所輸入的信號(hào)。對(duì)OFDM調(diào)制用MATLAB進(jìn)行仿真，產(chǎn)生OFDM調(diào)制信號(hào)的程序如下。

Signal=rand（1，para*Ns*2）>0.5； %產(chǎn)生0，1 隨即序列，符號(hào)數(shù)為para*Ns*2

串/并變換由SigPara（i，j）=Signal（i*j）實(shí)現(xiàn)，再進(jìn)行QPSK調(diào)制，關(guān)鍵算法為：

ich（：，j）=SigPara（：，2*j-1）； %取出奇數(shù)列

qch（：，j）=SigPara（：，2*j）； %取出偶數(shù)列

將調(diào)制后的數(shù)據(jù)送入IFFT端口進(jìn)行IFFT變換，程序如：“y=ifft（x）；”

將IFFT變換后的信號(hào)分成I、Q兩路，再經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換再調(diào)制到高頻載波上，程序如下

ich3=[ich2（fl-gl+1：fl，：）；ich2]；

qch3=[qch2（fl-gl+1：fl，：）；qch2]；

將加入了保護(hù)間隔（即循環(huán)前綴）的信號(hào)進(jìn)行并串變換，然后送入信道進(jìn)行傳送：

ich4=reshape（ich3，1，（fl+gl）*Ns）；

qch4=reshape（qch3，1，（fl+gl）*Ns）；

最后形成發(fā)射數(shù)據(jù)：TrData=ich4+qch4.*sqrt（-1）；

將已調(diào)信號(hào)TrData發(fā)射出去后，再地面站接收，進(jìn)行相反的處理即可。

1.3 無線傳輸

無線傳輸部分采用5.8GHz無線傳輸模塊TX5802模塊，該模塊采用了DS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)來提高系統(tǒng)抗干擾的能力，適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

2 總結(jié)

本文針對(duì)目前無人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，并結(jié)合目前市場的需求對(duì)無人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)視頻壓縮編碼算法、以及COFDM算法進(jìn)行分析，并對(duì)OFDM算法進(jìn)行了仿真。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]