基于PC104无人机网络视频系统的构建

　　无人机具有体积小、重量轻、灵活机动、成本低等特点，可以用于对地侦察拍照，还可以广泛应用于军事侦察、地质勘探以及对火灾等危险区域的勘察预报等，因而在无人机上构建一个网络视频系统就显得十分重要。本文以基于 PC104的无人机为基础，构建一个网络视频系统，其中，无人机视频数据的采集、压缩、解压缩、传输都是无人机网络视频系统中的关键技术，本文将针对这几部分的关键问题进行研究。

　　1 系统结构及工作原理

　　该系统的下位机主要由深圳桑达公司的PC104工控机、罗技快看太空版MP摄像头（USB接口）、linksysWRT54GC-CN无线路由器及外围电路组成，采用嵌入式Linux 2.4.26操作系统，主要负责视频数据的采集，压缩及将数据发送到上位机。上位机是包含有无线网卡的PC电脑，主要负责视频数据的接收、解压和显示，上下位机通过UDP/IP网络协议进行数据的传输，采用socket网络编程可以实现网络的互联及数据的收发。

　　PC104工控机采用嵌人式专用CPU PⅢ533～933 MHz，板载DDR内存高达128

　　MB，提供2个RS 232串行接口，2个USB接口，1个并行口，软盘驱动器接口，IDE硬盘驱动器，10/100 Base-TX Ethernet接口，CRT/LCD显示器接口和固态盘插座，支持DiskOnChip 8～288 MB。PC104工控机的操作和使用与PC机相同，安装系统硬件后，即可开机进行BIOS设置，输入电压必须为+5 V，其波动范围不超过5%。

　　2 视频数据采集的软件实现

　　Video4Linux（V4L）是嵌入式Linux下视频设备的内核驱动，他为Linux下的视频设备提供了一系列的接口函数，在编译和配置内核阶段，必须增加V4L模块和USB摄像头驱动模块的支持。对于USB接口摄像头，其驱动程序中需要提供基本的I/O操作函数 open，read，write，close的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O通道的控制接口函数ioctl的实现等，并把他们定义在 struct file operations中。这样当应用程序对设备文件进行诸如open等系统调用操作时，Linux内核将通过fileoperations结构访问驱动程序提供的函数。在系统平台上对USB摄像头进行驱动，首先把USB控制器驱动模块静态编译进内核，使平台中支持USB接口，再在需要使用摄像头采集时，使用insmode动态加载其驱动模块，这样摄像头就可正常工作了。

　　在USB摄像头被驱动后，再利用Video4Linux支持的几个视频采集相关的数据结构进行编程，就可以实现视频数据的采集。图1是嵌入式Linux下视频数据采集的流程：

　　使用ioctl（devfd，VIDIOCSYNC，&vid_mmap）函数判断一帧图像是否截取完毕，成功返回表示截取完毕，之后就可把图像数据保存成文件的形式。为了得到连续帧视频图像，可在单帧的基础上，利用vid_buf.frames值确定采集完摄像头帧缓冲区帧数据进行循环的次数。在循环语句中，也是使用VIDIOCMCAPTURE ioctl和VIDIOCSYNC ioct1函数完成每帧截取，但要给采集到的每帧图像赋地址，利用语句buf=map+vid_buf.off-sets［frame］，然后保存成文件的形式。

　　3 视频数据压缩原理

　　无人机系统的下位机要求实时传输视频数据到上位机，由于视频数据量较大且网络带宽非常宝贵，对视频数据选用一种高压缩比的文件格式显得十分重要。 JPEG是联合图像专家组（Joint Picture Expert Group）的英文缩写，是国际标准化组织（ISO）和CCITT联合制定的静态图像的压缩编码标准。和相同图像质量的其他常用文件格式（如 GIF，TIFF，PCX）相比，JPEG是目前静态图像中压缩比最高的，而图像质量却差不多。正是由于JPEG的高压缩比，使得他广泛地应用于多媒体和网络编程中。

　　JPEG-专家组开发了两种基本的压缩算法，一种是采用以离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用有损压缩算法时，在压缩比为25：1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出他们之间的区别，因此得到了广泛的应用。JPEG压缩是有损压缩，他利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。JPEG算法框图如图2所示。

　　压缩编码大致分成3个步骤：

　　（1） 通过DCT去除数据冗余。DCT是影像压缩的重要步骤，他通过正交变换将图像由空间域转换为频率域。对于N×N维的数据，经变换以后仍然得到N×N的数据，虽然DCT变换本身并不对影像进行压缩，但变换消除了N×N维数据之间的冗余性。DCT变换是压缩过程中量化和编码的基础。

（2） 使用量化表对DCT系数