無人機數字圖像傳輸系統設計

歐陽玉梅　劉盛宇

【摘 要】針對目前無人機通信和圖像處理領域出現的清晰度低、傳輸距離短、功耗高等問題，本文對無人機數字圖像傳輸系統方案進行設計和算法仿真，確定方案的可行性。

【關鍵詞】無人機；數字圖像傳輸；COFDM；圖像壓縮編碼

0 圖像傳輸系統結構

近年來，隨著無人機技術的迅猛發展，基于無人飛行器得到了廣泛的關注，應用前景十分可觀，在航拍、娛樂、電力、安防、農業、森林防火、警用等不同細分領域都能發揮非常重要的作用。目前，在無人機應用中，無線數字圖像傳輸是無人機通信和圖像處理領域的一個熱點和難點，圖像傳輸系統的性能是區分無人機檔次的一個關鍵因素。同時數字圖傳還面臨著技術復雜程度較高，頻帶利用率低，對同步要求較高的問題。本文為實現高帶寬效率、高清晰度、功耗低、易實現的圖像壓縮以及遠距離（1km內）傳輸的無線數字圖像傳輸而對系統各模塊算法進行了設置，系統傳輸方案如圖1所示。

圖1 無線圖像傳輸方案

無人機端由攝像頭進行視頻采集開始，將拍攝到的視頻信號經過圖像壓縮編碼和COFDM調制，最后在射頻前端放大后由5.8GHz頻段的無線模塊發射出去，地面站接收到視頻信號后再做解調解碼，最后對視頻信號進行識別處理。

1 系統各模塊實現原理

1.1 圖像壓縮編碼

本設計采用MPEG-4壓縮編碼是因為MPEG4只處理視頻信號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視頻編碼關鍵技術有以下幾種：

1.1.1 視頻對象提取技術

視頻對象分割是指先通過低通濾波、中值濾波、形態濾波來對原始視頻/圖像信號進行簡化，然后對視頻/圖像信號進行顏色、紋理、運動、幀差、位移幀差乃至語義等特征提取，再基于某種均勻性標準來確定分割決策，根據所提取特征將視頻數據進行歸類，最后做相關后處理以實現濾噪及邊界的準確提取。

1.1.2 VOP視頻編碼技術

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

1.1.3 視頻編碼可分級性技術

MPEG-4提出了FGS（精細可伸縮性）視頻編碼算法和PFGS（漸進精細可伸縮性）視頻編碼算法。 PFGS是對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增強層圖像作為參考為當前幀在增強層圖像編碼時進行運動補償，從而使運動補償更有效，從而提高編碼效率。

1.1.4 運動估計與運動補償技術

MPEG-4表征運動補償類型的幀格式有I-VOP、P-VOP、B-VOP。MPEG-4采用了H.263中的重疊運動補償技術及半像素搜索技術，并且同時引入重復填充技術和修改的塊匹配技術以支持任意形狀的VOP區域。

1.2 COFDM調制

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

圖2 COFDM調制框圖

1.2.1 卷積碼

圖2中卷積碼的編碼器是由一個有k個輸入端、n個輸出端、N-1節移位寄存器所構成的有限狀態的有記憶系統，即時序網絡。卷積碼的典型編碼器結構為（n，k，N-1），卷積碼在任意給定單元時刻，編碼器輸出的n個碼元中，每一個碼元不僅和此時刻輸入的k個信息元有關，還與前連續N-1個時刻輸入的信息元有關。卷積碼編碼過程中相互關聯的碼元為N個，它表明編碼過程中互相約束的碼元數，監督位監督著這N段時間內的信息。典型的卷積碼一般選較小的n和k（k

1.2.2 OFDM調制

將高速率的串行視頻流經過串/并變換將其轉換成N路的并行低速率的子數據流。這樣得到的N路并行低速率的子數據流對N個子載波進行各自不同的QPSK調制。具體的實現過程是在輸入端輸入一個二進制的信號，通過串/并轉換后對其進行IFFT運算，再插入循環前綴就生成一個OFDM信號。插入一個保護間隔（循環前綴）是為了分離相鄰碼元防止碼間干擾，再經過D/A變換后形成OFDM已調的信號s。在地面站，去除之前添加的保護間隔經過串/并轉換和FFT后還原出OFDM的調制信號，最后再經通過并/串轉換出所輸入的信號。對OFDM調制用MATLAB進行仿真，產生OFDM調制信號的程序如下。

Signal=rand（1，para*Ns*2）>0.5； %產生0，1 隨即序列，符號數為para*Ns*2

串/并變換由SigPara（i，j）=Signal（i*j）實現，再進行QPSK調制，關鍵算法為：

ich（：，j）=SigPara（：，2*j-1）； %取出奇數列

qch（：，j）=SigPara（：，2*j）； %取出偶數列

將調制后的數據送入IFFT端口進行IFFT變換，程序如：“y=ifft（x）；”

將IFFT變換后的信號分成I、Q兩路，再經并/串轉換再調制到高頻載波上，程序如下

ich3=[ich2（fl-gl+1：fl，：）；ich2]；

qch3=[qch2（fl-gl+1：fl，：）；qch2]；

將加入了保護間隔（即循環前綴）的信號進行并串變換，然后送入信道進行傳送：

ich4=reshape（ich3，1，（fl+gl）*Ns）；

qch4=reshape（qch3，1，（fl+gl）*Ns）；

最后形成發射數據：TrData=ich4+qch4.*sqrt（-1）；

將已調信號TrData發射出去后，再地面站接收，進行相反的處理即可。

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直接序列擴頻技術來提高系統抗干擾的能力，適合遠程數據傳輸。

2 總結

本文針對目前無人機圖像傳輸系統存在的問題進行分析，并結合目前市場的需求對無人機圖像傳輸系統視頻壓縮編碼算法、以及COFDM算法進行分析，并對OFDM算法進行了仿真。

【參考文獻】

[1]方水平.OFDM原理及其設備應用[J].北京工業職業技術學院學報，2004.

[2]陶勇，傅洪亮，管愛紅.基于OFDM 技術的無線通信系統仿真與分析[J].2009.

[3]李建東，郭梯云，等.移動通信[M]4版，西安電子科技大學出版社，2006.

[責任編輯：田吉捷]