一種野外單兵非固定視頻采集的無線傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

王偉東

1 選題的背景及意義

因?yàn)楦鱾€(gè)國家的政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素在不斷的變化，未來的戰(zhàn)場也在不斷的發(fā)生變化，但是主導(dǎo)未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)樣式是信息戰(zhàn)。在未來戰(zhàn)爭中贏得信息戰(zhàn)保持好主導(dǎo)的優(yōu)勢，成為了各國軍事家重點(diǎn)研究和關(guān)注的問題。只有擁先進(jìn)的武器裝備和高素質(zhì)軍隊(duì)人才能在未來信息化的戰(zhàn)場中勝利。未來單兵系統(tǒng)凝聚了世界最先進(jìn)的信息技術(shù)水平，它的框架中包括了敵我識別、通信系統(tǒng)、武器平臺和自我防護(hù)設(shè)備，因而使得單兵不再是個(gè)人，而是機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，較好生存于復(fù)雜條件下，同時(shí)作戰(zhàn)中有著更大殺傷力的一個(gè)作戰(zhàn)單元。

單兵系統(tǒng)中，單兵通信系統(tǒng)起著不可替代的作用，在瞬息萬變的戰(zhàn)場中，能否實(shí)時(shí)、迅速、有效的將戰(zhàn)場信息傳遞到指揮部去，關(guān)系到上級能否全面掌控和了解整個(gè)戰(zhàn)場信息，乃至于整個(gè)戰(zhàn)爭的勝敗。因而我們對于無線視頻如何更好的傳送的研究在單兵通信系統(tǒng)中的作用顯得更加重要。CMOS圖像傳感器和nRF24L01無線收發(fā)模塊功耗低、成本小、工作穩(wěn)定，而MPEG-4傳輸速率要求低、兼容性好、有很好的壓縮比。本論文結(jié)合CMOS圖像采集、MPEG-4視頻壓縮編碼和nRF24L01無線收發(fā)模塊，目的在于實(shí)現(xiàn)基于DSP的視頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于瞬息萬變的戰(zhàn)場形勢，使得單兵與上級實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、便捷和有效的信息溝通，能夠最大程度的提高指揮效率，減少傷亡，贏得整個(gè)戰(zhàn)爭便更有把握。本文主要介紹總體框圖，通過對比研究確定每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方案。

2 總體框圖

論文設(shè)計(jì)的無線視頻采集系統(tǒng)主要基于DSP TMS320DM642和以nFR24L01為核心的收發(fā)模塊PRT6000實(shí)現(xiàn)的?？傮w實(shí)現(xiàn)框架圖如下：

具體工作流程：當(dāng)打開開關(guān)或者復(fù)位時(shí)，從FLASH加載程序進(jìn)行初始化之后，CMOS傳感器進(jìn)行信息收集，在并其內(nèi)部進(jìn)行采樣量化， SRAM存儲器對CMOS采集到 的大量信息進(jìn)行緩存，以便DSP的MPEG-4編碼器進(jìn)行有序編碼。將發(fā)射模塊設(shè)為接受方式，使得信息能隨時(shí)發(fā)送出去。在接收端，信息通過USB建立的通道傳給主機(jī)進(jìn)行信息的融合、處理等。

3 各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 視頻采集的實(shí)現(xiàn)

單兵作戰(zhàn)，進(jìn)行信息采集，主要是使得作戰(zhàn)指揮室能盡快摸清地形，對于圖像的質(zhì)量要求并不苛刻，況且，在電源有限的情況下，需要功耗要足夠?。淮笠?guī)模使用，價(jià)格也是我們主要考慮的內(nèi)容。因此，我將順應(yīng)主流，采用CMOS來實(shí)現(xiàn)視頻采集。該模塊包括鏡頭、傳感器、存儲設(shè)備三個(gè)部分。鏡頭采集到的信息成像于傳感器的感光陣列上，外圍控制電路作用于CMOS上，將模擬信息全部轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信息并有序存儲于SDRAM中。

3.2 視頻壓縮的實(shí)現(xiàn)

視頻壓縮主要采取視頻編碼，以便較少視頻序列碼率達(dá)到信息最小化的目的。當(dāng)前常用的編碼標(biāo)準(zhǔn)有：MPEG和H.26x系列。

本課題采用的是MPEG-4壓縮技術(shù)。MPEG-4壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮比是MPEG-1的450倍，以往的標(biāo)準(zhǔn)都是基于矩形幀進(jìn)行壓縮的編碼標(biāo)準(zhǔn)。而它對信息進(jìn)行的分割是立體式的，它的編碼標(biāo)準(zhǔn)是基于對象的。首先它將對象從空間和時(shí)間上分割成相互聯(lián)系的視頻和音頻信號，然后再對這些信號進(jìn)行編碼處理的。

該標(biāo)準(zhǔn)的一大特點(diǎn)是它提出VOP（Video Objeuct Plane）這個(gè)概念[4]，它是指我們可以通過人眼比較敏感對象，例如形狀、運(yùn)動(dòng)、紋理，把得到的有序信息中的每幀當(dāng)做不相同的VOP組成，但是同一個(gè)對象連續(xù)VOP記做VO。

MPEG-4基于對象編碼主要有：形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理編碼三種。

形狀編碼：一個(gè)二維的對象，不論何種樣式，我們都能夠?qū)崿F(xiàn)對它的單獨(dú)編碼，此編碼中，每個(gè)對象都包括二形狀編碼和灰度級形狀編碼，英文縮寫為BSC和GSC。正因?yàn)樗捎昧薆SC、GSC，我們才能夠?qū)崿F(xiàn)基于對象編碼。

運(yùn)動(dòng)編碼：此編碼為了減少圖像信息中的時(shí)間冗余，采用了運(yùn)動(dòng)預(yù)測和補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這樣的功能。有三種編碼方式：

1）幀內(nèi)編碼模式（ I-VOP ）： 只用對象本身的信息來編碼。

2）單向預(yù)測編碼模式（ P-VOP ）： 依據(jù)它前面一個(gè)VOP進(jìn)行分析，預(yù)測并糾正補(bǔ)償編碼。

3）雙向預(yù)測編碼模式（ B-VOP ）： 依據(jù)它前后VOP進(jìn)行分析，預(yù)測并糾正補(bǔ)償編碼。

紋理編碼：紋理信息由I-VOP 的像素值和P-VOP 編碼的分析估計(jì)相差得到的數(shù)值兩部分組成。信息的色度和亮度分量用來表示一個(gè)VOP 的紋理信息，為了能夠達(dá)到容易、容錯(cuò)性能好等目的，論文根據(jù)MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)前面介紹關(guān)于分開的編碼理論，先將VOP分割16×16部分，每一部分采用8×8的二維DCT變換，量化得到的系數(shù)，并對VO預(yù)測編碼，我們獲得的系數(shù)進(jìn)行順序的編碼即可。

3.3 視頻無線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

近些年由于信心的迅速發(fā)展，無線通信技術(shù)的產(chǎn)生使人們的生活變得更加方便和簡單，目前最為流行的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)：藍(lán)牙、802.11標(biāo)準(zhǔn)和IrDA。

本文采用的無線收發(fā)模塊PTR6000是一種以nRF24L01為核心的且工作在2.4GHz的無線收發(fā)模塊[6]。

nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片。它協(xié)議簡單，對用戶透明。使用兩層 PCB 板，成本低，同時(shí)，該芯片還有以下主要特點(diǎn)：

1）采用GFSK調(diào)制，傳輸速率2Mbps，能很強(qiáng)的抗干擾，特別適合單兵迅速、保密方面的要求。

2）有125個(gè)可以選擇的頻道，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)通信和跳頻通信。

3）1.9～3.6V的工作電壓，在 2Mbps接收速率下，工作電流僅12.3mA。還包括空閑和掉電模式等，由于射頻芯片選取直接影響單兵通信系統(tǒng)的通信時(shí)間長短。而極低功耗的該芯片值得當(dāng)選。

4）它的接口配置是標(biāo)準(zhǔn)的SPI工作方式，易于和DSP連接。

4 小結(jié)

本文介紹了實(shí)現(xiàn)無線視頻傳輸?shù)囊粋€(gè)總體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對采集模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了說明，介紹了MPEG-4壓縮技術(shù)，同時(shí)綜合考慮功耗、價(jià)格等因素決定采用由nRF24L01射頻芯片實(shí)現(xiàn)無線傳輸，并結(jié)合此系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和實(shí)際要求，就幾個(gè)方面需要把一些原則進(jìn)行了簡單的說明。