微小型無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
微型無(wú)人偵察機(jī)的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時(shí)獲取與無(wú)線(xiàn)傳輸。國(guó)外對(duì)此問(wèn)題早有研究，但由于技術(shù)的封鎖，目前可供借鑒的資料較少。例如美國(guó)研制的“黑寡婦”圖像無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，采用調(diào)頻體制，視頻發(fā)射器重1．4 g(占整機(jī)的12％)，有效傳輸距離1．5 km。美國(guó)桑德斯公司的MicroStar微型飛行器也配備有圖像無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，其中攜帶的偵察微型攝像機(jī)重4 g，每秒可拍攝30幀清晰的地面畫(huà)面。搭載的PRISM無(wú)線(xiàn)電通信信息傳送系統(tǒng)，重6g，有效傳輸范圍達(dá)到了5 km。國(guó)內(nèi)在該方面的研究起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，主要采用模擬傳輸方式，頻率使用率低，系統(tǒng)易受干擾。而研究較成熟的無(wú)人機(jī)載圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，其圖像質(zhì)量指標(biāo)、信道編碼效率等均不高，且抗多徑干擾差。同時(shí)，由于微小型飛行器的載重及能量供給非常有限，對(duì)機(jī)載部分的功耗、重量、安裝尺寸等都提出了更為嚴(yán)格的要求。因此，開(kāi)發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)尤為重要。本文所研究的主要內(nèi)容以某微型無(wú)人偵察機(jī)的需求為背景，提出了一種視頻圖像的無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸方式，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性好及傳輸可靠等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理
微型無(wú)人機(jī)要求提供實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的偵察圖像。本文所采用的攝像與無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH芯片和SDRAM內(nèi)存以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡等組成。

由于受微型無(wú)人機(jī)的載荷所限，該系統(tǒng)首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機(jī)采集視頻信號(hào)，然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像，轉(zhuǎn)化生成分辨率較高的數(shù)字圖像。編碼后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大，且無(wú)線(xiàn)通信信道的帶寬有限，難以保證視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，因此需要對(duì)數(shù)字視頻圖像進(jìn)行編碼壓縮，在保證一定畫(huà)質(zhì)的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量。壓縮工作通?？梢赃x用軟件或?qū)Ｓ糜布?lái)完成。然而專(zhuān)用編碼壓縮軟件代碼規(guī)模較大，設(shè)備要求高，且機(jī)載微處理器功能有限，使其應(yīng)用受到限制。為保證系統(tǒng)最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專(zhuān)用編碼芯片對(duì)采集后得到的數(shù)字圖像進(jìn)行硬件編碼壓縮，生成MPEG-4碼流，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。模塊工作和碼流流向由ARM微處理器調(diào)度管理，同時(shí)，微處理器通過(guò)RS 485和攝像模塊相連，傳輸攝像機(jī)鏡頭的控制信號(hào)，如變倍、變焦等。機(jī)載云臺(tái)也通過(guò)RS485獲得用戶(hù)的遠(yuǎn)程控制信號(hào)，并通過(guò)水平和垂直方向的位置改變來(lái)響應(yīng)用戶(hù)的不同僨察需求。在完成數(shù)字視頻偵察系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)后，為系統(tǒng)加入了基于開(kāi)放的802．11協(xié)議的無(wú)線(xiàn)加密傳輸模塊，為系統(tǒng)的安全工作帶來(lái)保證，避免了無(wú)線(xiàn)視頻系統(tǒng)的安全漏洞。

2 硬件設(shè)計(jì)
微型無(wú)人機(jī)視頻處理與傳輸系統(tǒng)主要包括視頻采集及處理模塊、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊2個(gè)子系統(tǒng)，是整個(gè)微型無(wú)人機(jī)視頻系統(tǒng)中的核心部分。
本文視頻編碼器采用的編碼器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次發(fā)表的低價(jià)格低消耗功率但提供高質(zhì)量影像輸出的影像編碼器。在它的輸入前端有階梯狀濾波器，不用為系統(tǒng)添加額外的濾波器。同時(shí)，ADV7180還提供了DNR／CTI的影像強(qiáng)化輸出調(diào)整，ADLLT更獨(dú)步全球提供給系統(tǒng)在弱信號(hào)的處理上強(qiáng)有力的支持，使傳輸?shù)膱D像更加平穩(wěn)。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡(jiǎn)化，只需設(shè)定少數(shù)的暫存器就可輸出高質(zhì)量影像，無(wú)需為影像編碼器設(shè)定繁瑣復(fù)雜的程序。
視頻壓縮芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如圖2所示，它是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸所設(shè)計(jì)的MPEG-4專(zhuān)屬芯片。MPG-440A支持高階影像數(shù)字監(jiān)控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動(dòng)態(tài)調(diào)整IP幀比率與動(dòng)態(tài)調(diào)整質(zhì)量，是特殊場(chǎng)合監(jiān)控用的最佳影像處理器，可產(chǎn)生最小比特率并符合長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存要求。