基于無人機平臺的H.264視頻傳輸系統(tǒng)的設計

沈陽理工大學信息科學與工程學院 吳 凱

基于無人機平臺的H.264視頻傳輸系統(tǒng)的設計

沈陽理工大學信息科學與工程學院 吳 凱

視頻傳輸系統(tǒng)是無人機執(zhí)行任務的重要組成部分，本文設計一套嵌入式視頻采集傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Hi3520D為硬件核心平臺，采用linux實時操作系統(tǒng)，圖像采集使用高清網絡攝像頭。將攝像頭采集的圖像數據進行H．264壓縮，通過UDP組播協(xié)議方式，將H．264碼流經數據鏈傳輸到地面接收站，實現解碼并實時顯示。本系統(tǒng)可以完成小型無人機偵察功能。具有廣泛的應用前景。

Hi3520D；linux；圖像采集；H．264；UDP

1 引言

近年來，各地區(qū)、各部門在綜合規(guī)劃、國土整治監(jiān)控等方面，無不需要最新、最完整的地形地物資料。以無人機為空中遙感平臺的技術，正是適應這一需要而發(fā)展起來的一項新型應用性技術。隨著視頻采集處理以及無線傳輸技術的高速發(fā)展，無人機視頻采集與傳輸系統(tǒng)正在向高清化和網絡化發(fā)展。H.264視頻壓縮技術因具有低碼率和網絡適應性強等特點被廣泛推廣[1]。本文搭建了一套基于Hi3520D芯片的圖像采集、壓縮以及傳輸系統(tǒng)，將嵌入式技術與圖像處理技術相結合，通過網絡把采集到的視頻圖像信息通過數據鏈無線傳輸到遠程計算機并實時顯示。

2 系統(tǒng)整體方案設計

視頻傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)主要分三個部分：視頻圖像的采集、圖像的編碼、編碼圖像的傳輸[2]。

系統(tǒng)工作流程：高清攝像頭將采集的圖像數據傳輸到Hi3520D處理器，進行壓縮處理并傳輸到發(fā)送數據鏈，接收端數據鏈接收到圖像數據經手持控制器或VLC播放端解碼播放。

2.1 系統(tǒng)的硬件架構設計

本系統(tǒng)采用的是華為公司的基于ARM11內核的Hi3520D高性能通信媒體處理芯片，其主頻可以達到660MHZ，支持8路多協(xié)議編解碼能力，集成優(yōu)異的視頻引擎和編解碼算法，具有豐富的外圍接口。攝像頭采用?？蹈咔逦炇盗袛z像頭，具有豐富的接口設計，畫面清晰，體積小等特點。無線通信模塊采用BOYUAV 601無線通信模塊，標稱無線傳輸最大速率為4Mbps，具有重量輕，防靜電設計，超強散熱設計等特點，適用于小型無人機平臺。

2.2 系統(tǒng)軟件架構設計

該系統(tǒng)的軟件設計主要包括操作系統(tǒng)、H.264視頻編碼和傳輸。操作系統(tǒng)選擇linux操作系統(tǒng)，提供了豐富的網絡功能，具有良好的可移植性。H.264編碼庫選用HiMPP庫。網絡傳輸協(xié)議選用UDP組播協(xié)議[3]。

3 應用程序的設計與實現

應用程序使用模塊化程序設計，包括3個模塊：①圖像采集；②圖像壓縮；③圖像傳輸。

3.1 圖像采集設計

V4L2是針對免驅usb設備的編程框架，提供了一套API接口用以采集音頻和視頻數據。Linux對于USB攝像頭驅動的支持及V4L2的支持需要在內核中進行配置[4]。V4L2的視頻采集主要是通過ioctl函數傳遞不同的控制命令來設置采集圖像的參數。其中ioctl函數的原型為:int ioctl(int fd,int request)。第一個參數是用open函數打開視頻通道后返回的的設備描述符；第二個參數是具體的命令標志符。采集流程如圖1所示。

圖1 圖像采集流程

圖2 視頻編碼流程

3.2 視頻編碼器設計

H.264是一種高性能的視頻編解碼技術。H.264采用統(tǒng)一的VLC符號編碼[5]，以及基于4塊的整數變換、分層編碼設計，這些措施使得H.264得算法具有很高的編碼效率、網絡適應性，能夠更好的適應IP和無線網絡的應用。視頻編碼流程如圖2所示。

1)HI_S32 HI_MPI_VENC_CreateGroup(VENC_GRP VeGroup);創(chuàng)建編碼通道組。

2)HI_S32 HI_MPI_VENC_CreateChn(VENC_CHN VeChn,const VENC_CHN_ATTR_S*pstAttr);創(chuàng)建編碼通道。

3)HI_S32 HI_MPI_VENC_RegisterChn(VENC_GRP VeGroup,VENC_CHN VeChn);注冊編碼通道到通道組，將編碼通道與編碼組綁定。

4)HI_S32 HI_MPI_VENC_StartRecvPic(VENC_CHN VeChn)。開啟編碼通道接收輸入圖像，采集的圖像數據輸入，編碼器開始接收圖像編碼。圖像壓縮處理完成并傳輸到發(fā)送數據鏈。

3.3 UDP組播系統(tǒng)設計

組播是一種一對多的網絡數據傳輸方式，發(fā)送端將數據向一個組播組內發(fā)送，網絡中的路由器通過底層的IGMP協(xié)議自動將數據發(fā)送到所有監(jiān)聽這個組的終端。

組播傳輸實現步驟如下：

1)sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)；創(chuàng)建socket用于UDP通訊2)groupSock.sin_addr.s_addr = inet_addr(quot;224.0.1.2quot;)；設置組播地址。

groupSock.sin_port=htons(7980)；設置端口。

3)sendto(sd, databuf,datalen,0,(struct sockaddr*)amp;groupSock,sizeof(groupSock))；通過sendto將H.264碼流發(fā)送到組播組。

4)關閉socket。

3.4 地面接收終端設備

在Windows平臺下，將接收數據鏈與計算機連接，例如組播地址為224.0.1.2，端口為7980。在VLC的地址欄輸入UDP://224.0.1.2:7980，可以播放從無人機實時傳輸的視頻圖像。當將手持設備加入組播組，可以實現在手持端實時顯示視頻。

4 功能測試

為了測試數據傳輸是否正確，在無人機飛行過程中，通過數據鏈將無人機平臺與地面控制站連接，可實時查看畫面。采集的圖像如圖3所示。

圖3 采集的圖像

通過測試，發(fā)現基于H.264壓縮的視頻傳輸系統(tǒng)可以在帶寬受限的情況下，保證視頻圖像的實時流暢的傳輸。相比MPEG-4壓縮方式，H.264具有更高的壓縮比，提高了編碼效率，在低碼流下可達到優(yōu)質圖像質量。相比傳統(tǒng)的單播傳輸方式，本文所采用的UDP組播可以同時滿足多個接收終端同時顯示，提高了系統(tǒng)的可操作性。

5 結束語

本文設計搭建了一套基于海思Hi3520D的無人機視頻傳輸系統(tǒng)，實現了視頻從無人機采集傳輸到地面實時顯示的功能，該系統(tǒng)可以實現在地面站多個設備的同時接收顯示。

本文創(chuàng)新點：設計提出結合嵌入式技術、視頻壓縮編碼技術、無線通信技術、網絡技術等，多項技術的無線視頻傳輸系統(tǒng)，采用linux實時多任務操作系統(tǒng)、H.264視頻壓縮、UDP組播傳輸等技術，使視頻傳輸實時性和清晰度得到很大提升，可以滿足無人執(zhí)行偵察任務要求，在以后具有很大的應用前景。

[1]畢厚杰,王建．新一代視頻壓縮編碼標準— —H．264/AVC(第2版)[M]．北京：人民郵電出版社,2013．

[2]邵春暉．基于Linux的智能家居網關研究與實現[D]．長安大學,2013．

[3]李校林,劉利權,張杰．基于RTP的H．264視頻流實時打包傳輸的研究[J]．計算機科學與工程,2012,34(5)：168-171．

[4]季宇．基于流媒體技術的移動視頻監(jiān)控服務系統(tǒng)[D]．天津：天津大學,2011．

[5]張海軍,吳克捷,張建軍 等．RTP傳輸控制的研究及實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)的設計與實現[J]．信息化縱橫,2009(5)：55-56．

遼寧省教育廳科學研究項目資助（LG201610）。