遠程機器人監(jiān)控系統(tǒng)的研制
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摘 要： 分析了利用遠程網(wǎng)絡對機器人進行遙操作控制的主要技術關鍵，在此基礎上介紹了遙操作控制系統(tǒng)的設計思想和總體結(jié)構(gòu)，并闡述了視頻圖像壓縮的流程，其中所采用的幀間壓縮方式是當前的創(chuàng)新技術，最后給出了系統(tǒng)性能的定量分析結(jié)果。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/242395.htm關鍵詞： 遠程機器人 離散余弦交換 哈夫曼編碼
隨著計算機網(wǎng)絡的迅速發(fā)展和機器人應用的逐步推廣，對遠程機器人進行實時的控制和監(jiān)測，已經(jīng)越來越受到人們的關注。我們所承擔的國家863項目“利用遠程網(wǎng)絡技術的機器人遙操作研究”正是在這樣的背景下展開的。
１ 總體結(jié)構(gòu)和模塊劃分
通過Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)對遠程機器人的監(jiān)控，是指用戶在本地發(fā)送控制命令給遠端的機器人，由遠端機器人的控制系統(tǒng)對控制命令加以解釋、執(zhí)行，從而控制機器人完成相應的動作。同時，由遠端的攝象機把現(xiàn)場的圖像加以采集。由于視頻圖像信息的數(shù)據(jù)量非常大，不可能在Internet網(wǎng)絡上實時傳輸，因此，必須先對圖像信息進行壓縮，然后通過網(wǎng)絡傳送到用戶站點。用戶站點把接收到的已壓縮的圖像信息進行解壓縮，還原成原來的圖像。隨后，用戶可根據(jù)總的調(diào)度程序給遠端機器人發(fā)出新的控制命令，遠端機器人再完成相應的動作。同樣，又通過網(wǎng)絡把機器人的動作情況傳送到用戶站點。于是，遠端機器人的一舉一動都能及時地呈現(xiàn)在用戶的面前，這就是所謂的現(xiàn)場感。
為了把控制命令和運動過程都記錄下來，為以后的分析、研究提供準確的數(shù)據(jù)，有必要建立控制命令和運動過程數(shù)據(jù)庫。按這樣的設想，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)采用客戶機／服務器（client／Server）體系結(jié)構(gòu)。對于控制命令來說，客戶機接受用戶提供的機器人控制命令，然后形成相應的命令幀格式，發(fā)送到網(wǎng)絡上。服務器對接收到的控制命令進行分析解釋，并通過機器人的控制系統(tǒng)驅(qū)動機器人執(zhí)行相應的命令。對于視頻圖像來說，首先由客戶機采集視頻圖像，然后進行數(shù)據(jù)壓縮，再發(fā)送到網(wǎng)絡上。服務器則把從網(wǎng)絡上接收到的圖像數(shù)據(jù)進行組合，完成相應的解壓工作，恢復視頻圖像的本來面目。
從整個系統(tǒng)的工作過程可以看出，從對控制命令的處理這一角度來看，本地是客戶機，遠端是服務器，而從對視頻圖像的處理這一角度來看，遠端是客戶機，本地是服務器。也就是說，客戶機／服務器結(jié)構(gòu)不是從物理上的本地或遠端來劃分的，而是從邏輯上的不同功能來劃分的。之所以這樣劃分，是因為在該系統(tǒng)中，視頻圖像的處理和傳輸過程是相對獨立的，而不是控制命令的簡單應答和反饋信息。總之，客戶機主動發(fā)出各種信息，而服務器則被動地接收來自客戶機的信息，并進行相應的處理。
２ 視頻圖像壓縮傳輸?shù)幕玖鞒?/b>
系統(tǒng)首先建立獲取窗口，然后指定回調(diào)函數(shù)。系統(tǒng)獲取的圖像存放在一段連續(xù)的內(nèi)存中，以回調(diào)函數(shù)的形式傳送給編程人員。在回調(diào)函數(shù)中，先進行壓縮處理，然后把大數(shù)據(jù)塊打包，再把數(shù)據(jù)包按序號依次發(fā)送到Internet網(wǎng)絡上。本地站點接收到數(shù)據(jù)包以后，按序號組合成數(shù)據(jù)塊，然后解壓縮，最后在給定窗口上重現(xiàn)視頻
圖像。視頻圖像壓縮傳輸過程如圖2所示。
我們采用的是混合編碼方案，其視頻圖像壓縮的基本流程如圖3所示。首先判斷是否為關鍵幀，若是關鍵幀，則先進行離散余弦變換DCT（Discrete Cosine Transform)，然后對DCT系數(shù)作量化處理，再對量化后的交流（AC）系數(shù)以Z形路徑進行行程編碼RLE（Run－Length Encoding)，最后進行哈夫曼編碼；若不是關鍵幀，則采用幀間壓縮。
對于幀間壓縮，我們比較了兩種不同的方式。
第一種方式以象素為基礎，首先將其與上一幀作差，得到一個稀疏的矩陣。在作差的過程中，采用小范圍匹配的方法去掉一部分噪聲，然后采用改進的行程編碼得到最后結(jié)果。再把當前幀圖像保存在指定的內(nèi)存區(qū)內(nèi)，作為下一幀作差的參考幀。
第二種方式是以宏塊為基礎的運動補償方式，首先計算運動矢量，然后采用行程編碼RLE和哈夫曼編碼。由于機器人的運動主要是平移和轉(zhuǎn)動，而缺少局部的細微變化，用運動補償可以達到較高的壓縮比和相當好的圖像質(zhì)量。
由于與遠程站點之間通過Internet網(wǎng)進行傳輸時，信道的數(shù)據(jù)傳輸率不是固定的，因此，系統(tǒng)中通過信道測試反饋信息來改變量化時的步長，從而調(diào)節(jié)視頻信息的數(shù)碼率，以便更好地適應信道傳輸率的變化。
３ 實驗數(shù)據(jù)和性能分析
我們對幾種不同的壓縮算法進行了比較。為了接近Internet網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率，采用的數(shù)據(jù)流量為10kb／s。具體的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。
由上述數(shù)據(jù)可畫出使用IC壓縮器（IC 
Compressor)進行定流量壓縮時，幀頻和壓縮比隨圖像格式而變化的曲線如圖4所示。
從圖中曲線可以看出，隨著圖像的變大，壓縮比大大提高，而幀頻則隨之下降。這是因為，當圖像變大時，背景相應變大，而在背景幾乎不變的情況下，幀間壓縮的壓縮比會相當大，從而使總的壓縮比明顯提高；隨著圖像的增大，數(shù)據(jù)量將成倍增加，在數(shù)據(jù)傳輸率一定的條件下，幀頻必然會下降。
使用定質(zhì)量（Fix Quality)壓縮時，幀頻和壓縮比隨質(zhì)量而變化的曲線圖5所示。
從如上曲線可以看出，隨著對圖像質(zhì)量要求的提高，幀頻和壓縮比均呈下降趨勢。這是因為，對于特定的壓縮算法，要提高圖像質(zhì)量必須要增加壓縮后的數(shù)據(jù)量，壓縮比自然會下降；而在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸率一定的條件下，傳輸一幀的圖像數(shù)據(jù)所用的時間就會增加，從而在單位時間內(nèi)能傳輸?shù)膸瑪?shù)必然要減少。
對于實驗的第一種混合編碼方式，其結(jié)果明顯優(yōu)于以上方式，在圖像質(zhì)量一定的情況下，幀頻和壓縮比均有明顯提高。
對于采用的第二種混合編碼方式，在數(shù)據(jù)傳輸率較低的情況下，達到了較高的壓縮比、較好的圖像質(zhì)量和基本實時的視頻效果。
實驗數(shù)據(jù)中給出的幀頻和壓縮比計算如下：記錄圖像采集開始和結(jié)束的時刻，在播放過程中統(tǒng)計幀數(shù)，用幀數(shù)除以時間差即為幀頻：
幀頻＝幀數(shù)／（結(jié)束時間－開始時間）
用圖像信息應傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)除以實際傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)即為壓縮比：
壓縮比＝應傳字節(jié)數(shù)／實傳字節(jié)數(shù)
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