嵌入式拖拉機視頻監控系統設計—基于DSP和視頻壓縮編碼

秦曉明

(焦作師范高等專科學校 計算機與信息工程學院,河南 焦作 454000)

0 引言

拖拉機遠程監控系統的設計對于提高其調度分配效率和作業質量具有重要的意義。受到作業環境的影響,拖拉機監控系統采用傳統意義上的攝像機和PC機相連接組成的監控系統不太可行,因為這種方案不僅成本高,而且系統的穩定性和安全性也比較低,系統的整體效率也不高。嵌入式DSP處理器體積小、功能多、編程方便,可以將視頻采集、視頻編碼處理和網絡傳輸等功能集成于一體,并且利用計算機可以對多個地點進行監控,如果將其使用在拖拉機遠程系統的設計上,對于提高監控系統的效率和質量會發揮重要的作用。

1 監控視頻壓縮編碼以及傳輸技術

拖拉機是農業生產過程中最常用的農機工具之一,常用于農業生產資料的運輸、播種機和收割機的牽引設備。拖拉機遠程監控不僅可以提高拖拉機的調度分配效率,而且對于作業質量的監測也具有非常重要的意義。一個完整的拖拉機監控視頻系統不僅包括視頻編解碼器,還應該包括前端數據采集、圖像預處理、圖像傳輸、圖像后處理及播放顯示等功能部分,基本框架如圖1所示。

遠程監控視頻是人類獲取遠程信息的重要形式,視頻包含的信息量大,可以直觀生動地對遠程的環境發生的情景進行展現,根據人視覺的特點,視頻信號可以以時間軸為依據進行離散化處理,由此產生了一種新概念叫做幀率。根據圖像的大小和幀率可以得到傳輸信號需要的帶寬,如果圖像采用的是4:2:0格式,則可以計算得到圖像的分辨率為720×576,幀率為30f/s,每個YUV分量用8bit表示,則比特率為

bit_rate=12×width×height·flame_rate

=142Mbit/s

(1)

但是,這個比特率一般是無法實現的,為了保證視頻的正常傳輸,需要對視頻進行壓縮編碼后再進行傳輸。從1991年的MPEG-1視頻編碼技術誕生以來,視頻編碼技術得到了長足的發展,編碼效率也不斷提高。隨著無線通信技術的發展,高吞吐量和高可靠性的無線網絡技術被逐步開始應用到網絡通信中,特別是DFDM正交頻分多路復用技術,可以實現較高的視頻傳輸速率。

2 嵌入式拖拉機視頻監控系統設計

拖拉機遠程監控系統主要是由5部分組成,包括視頻顯示終端、視頻采集終端、視頻信號壓縮處理模塊、視頻信號傳輸模塊和控制模塊,其總體框架結構如圖2所示。

圖2中,視頻采集模塊主要是對拖拉機作業過程的視頻進行采集,然后對采集的視頻信號通過采樣、濾波、A/D轉換成后變成數字信號,對數字信號進行格式變換后,一方面視頻可以被壓縮,另一方面圖像編碼也可以成為兼容格式,其流程如圖3所示。

圖3 視頻采集模塊流程

視頻信號采集完成后,為了保證視頻信號的順利傳輸,需要對視頻進行壓縮處理。在壓縮過程中,首先要保證視頻符合指標,還要保證解碼后圖像的質量,通過對代碼進行優化,保證視頻的正常傳輸,如圖4所示。

圖4 視頻信號處理模塊流程

拖拉機監控視頻信號處理完成后,需要對信號進行實時傳輸。視頻數據傳輸的通道有兩種形式可以選擇,包括TCP傳輸和UDP多播傳輸。其中,UDP多播傳輸可以將1個視頻數據發送給多個接收成員,TCP傳輸主要是單一的任務傳輸。在設計時可以根據需求選擇:如果監控終端有多個接收者可以采用UDP多播形式傳送實時數據;如果監控終端只有1個接收者,則采用TCP傳輸形式。其原理如圖5所示。

圖5 監控數據實時發送處理流程

拖拉機的遠程監控視頻需要通過網絡傳送到監控終端,傳輸過程可以采用TCP/IP協議。為了提高視頻的實時傳輸效率,對監控視頻數據進行打包,并根據相關協議對視頻進行壓縮,如圖6所示。

控制模塊主要是負責視頻顯示終端、視頻采集終端、視頻信號壓縮處理模塊、視頻信號傳輸模塊的系統控制。通過發送指令和接受指令數據,必要時通過對數據進行處理來實現各模塊的協調,最終實現遠程監控。

圖6 網絡傳輸模塊設計

3 拖拉機監控系統測試

拖拉機是農業生產中非常重要的牽拉工具,隨著農業自動化技術的發展,無人駕駛拖拉機也被應用到農業生產過程中。

圖7為國外的一款無人駕駛拖拉機牽引的播種設備在進行播種作業。其作業過程中可以利用實時監控技術對作業情況及運行軌跡進行實時監測,視頻采集模塊采用TVP5150PBS,視頻模塊對視頻解碼轉換性能較好;DSP選用DM642,該型號的DSP可以實現與TVP5150的視頻數據流進行無縫連接,其連接關系如圖8所示。

圖7 無人駕駛拖拉機牽引播種作業場景

圖8 視頻采集和DSP模塊接口

為了驗證方案的可行性,對壓縮編碼重建的視頻信號進行測試,來檢驗遠程監控系統的穩定性和可靠性。失真度是檢驗信號傳輸的一個重要指標,其可以用多種方法進行定義。常用的有3種,包括絕對誤差總和(SAD)、絕對誤差均值(MAD)和均方誤差(MSE)。通過對壓縮編碼重建的信號和原始信號進行比較,可以得到失真度。最常用的MAD公式為

(2)

圖像或者視頻對象的失真度可以取各相應宏塊失真度的平均值,在拖拉機采集的監控視頻中要考慮前景圖像。因此,可以定義幀的失真度為

(3)

其中,αj為視頻對象的權值;N為幀內視頻對象的數目。

對于視頻信號傳輸質量的檢驗,還可以通過峰值信噪比,宏塊峰值信噪比定義為

(4)

與失真度一樣,幀的視頻對象的PSNR可以取各相應宏塊PSNR的均值,也可以取加權平均值。本次主要是通過失真度對監控視頻信號的傳輸質量進行檢測,得到的測試結果如表1所示。

表1 失真度測試結果

續表1

在不同距離條件下,對拖拉機遠程監測系統視頻信號傳輸的失真度進行了測試,結果表明:在1 000～3 500m傳輸范圍內,失真度不超過0.6%,視頻傳輸信號的失真度較低,可以滿足拖拉機遠程監控系統的設計需求。

4 結論

為了提高拖拉機遠程監控系統的監測效率和質量,將DSP嵌入式系統引入到了拖拉機監控系統的設計上,利用DSP芯片和簡單的外圍電路實現了拖拉機監控視頻的采集、處理、傳輸等功能。為了驗證方案的可行性,以失真度為測試對象,對拖拉機遠程系統的視頻編碼和傳輸的可靠性進行了檢驗。測試結果表明:在不同距離的視頻壓縮編碼信號傳輸過程中,失真度都不高于0.6%,信號傳輸的質量較好。