分布式視頻編碼技術(shù)在收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用—基于DSP塊

廖慶濤

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造技術(shù)學(xué)院,重慶 401120)

0 引言

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中,收割機(jī)駕駛員在復(fù)雜的作物田間作業(yè)時(shí),必須反復(fù)工作數(shù)小時(shí)才能沿著作物壟引導(dǎo)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)。一種用于防止疲勞并提高生產(chǎn)率和操作安全性的解決方案,是通過(guò)集成自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)引導(dǎo)收割機(jī)駕駛員進(jìn)行作業(yè)的。近年來(lái),各國(guó)學(xué)者都在進(jìn)行收割自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究,也取得了一定的進(jìn)展。本文提出了一種基于DSP塊的分布式視頻編碼技術(shù)的收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng),可以根據(jù)作業(yè)區(qū)域形狀對(duì)收割路徑進(jìn)行導(dǎo)航。

1 分布式視頻編碼技術(shù)

1.1 DVC理論基礎(chǔ)

DVC(Distributed Video Coding)是20世紀(jì)70年代由Slepian和Wolf為無(wú)損編碼建立分布式源編碼(DSC)信息理論界限,以及Wyner和Ziv在解碼器上使用SI(Service Information)進(jìn)行有損編碼的結(jié)果。無(wú)損DSC指的是通過(guò)利用統(tǒng)計(jì)依賴性,分別對(duì)兩個(gè)相關(guān)隨機(jī)源進(jìn)行編碼和聯(lián)合解碼。

假設(shè)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)依賴性的隨機(jī)序列分別為X和Y,在對(duì)X和Y進(jìn)行編解碼的過(guò)程中,可以通過(guò)熵編碼實(shí)現(xiàn)RX和RY的速率,使得RX≥H(X)和Ry≥H(Y)。其中,H(X)和H(Y)分別是X和Y的熵。Slepian-Wolf(SW)定理證明了聯(lián)合解碼可以獲得更好的速率,并且能夠?qū)偹俾蔙X+Ry給出更嚴(yán)格的界限。由SW建立的允許速率區(qū)域?qū)?yīng)于圖1中的陰影區(qū)域,其表達(dá)式為

圖1 Slepian-Wolf界限定義的可實(shí)現(xiàn)速率區(qū)域Fig.1 Realizable Rate Regions Defined by Slepian-Wolf Boundary

RX≥H(X|Y),RY≥H(Y|X)

(1)

RX+RY≥H(X,Y)

(2)

用SI方法實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的解碼被認(rèn)為是DSC的特例。在這種情形下,X源取決于某些SI的Y源,其對(duì)應(yīng)于圖1中所示的區(qū)域邊界上的灰色區(qū)域。不久之后,Wyner和Ziv在解碼器中建立了用于有損壓縮的邊界,作為對(duì)SW定理中SI的擴(kuò)展。在這種情況下,X源在編碼中不再取決于SI的Y源,而解碼器可以訪問(wèn)SI以產(chǎn)生具有一定失真D的X源。

1.2 DVC編解碼系統(tǒng)的構(gòu)成

本文采用的分布式視頻編碼DVC系統(tǒng)如圖2所示。視頻數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器后,幀會(huì)被分成兩組:第1組是關(guān)鍵幀,會(huì)被送到常規(guī)AVC / H.264幀內(nèi)編碼器;第2組是WZ幀,在WZ編碼之前會(huì)對(duì)WZ幀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、變換然后量化,接著會(huì)使用與AVC/H.264中相同的4×4可分離整型變換,其具有與離散余弦變換(DCT)類似的特點(diǎn)。然后,將相同的頻帶的數(shù)據(jù)幀組合在一起并提取不同的位平面,將其送到turbo編碼器。

圖2 分布式視頻編碼DVC常規(guī)架構(gòu)Fig.2 The Conventional Architecture of Distributed Video Coding DVC

在解碼器處,關(guān)鍵幀通常會(huì)被先解碼,用于生成WZ解碼器的SI。在單視圖的情況下,運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)間插值(MCTI)用于生成SI。為此,MCTI使用關(guān)鍵幀來(lái)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)。MCTI是在中點(diǎn)內(nèi)插得到的運(yùn)動(dòng)矢量,如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)間插值(MCTI)示意圖Fig.3 Motion Compensation Time Interpolation (MCTI) Diagram

虛擬信道用于模擬原始幀和SI幀中DCT系數(shù)之間的相關(guān)性,其顯示DCT系數(shù)的殘差遵循拉普拉斯分布。在編碼重建過(guò)程使用SI和解碼箱來(lái)恢復(fù)原始幀直到需求的質(zhì)量值。若解碼器適合于對(duì)應(yīng)于解碼的二進(jìn)制位的量化間隔,則解碼器接收SI的DCT值作為重構(gòu)的值;否則,其會(huì)將DCT值截?cái)酁榱炕g隔。

本文研究的分布式視頻編碼DVC系統(tǒng)方案是以解碼器驅(qū)動(dòng)的,系統(tǒng)中編碼器的奇偶校驗(yàn)位的請(qǐng)求是經(jīng)由反饋信道執(zhí)行的,以保證成功解碼。若解碼的位平面的錯(cuò)誤概率低于10-3,且其CRC與從編碼器接收的CRC匹配,則認(rèn)為解碼成功。

2 收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)

本文研究的收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)示意圖如圖4所示。收割機(jī)(PRO688,久保田)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為49.2kW,質(zhì)量為2780kg,喂入量可以達(dá)到2.5kg/s,割幅寬度為1.45m。收割機(jī)系統(tǒng)中采用基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口,用于接收來(lái)自本研究中導(dǎo)航系統(tǒng)控制設(shè)備的指令。

圖4 收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)示意圖Fig.4 Drawing of Rapid Navigation System Platform for Harvester

收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵元件是工業(yè)相機(jī),通過(guò)平移傾斜裝置安裝在收割機(jī)駕駛室上方。該工業(yè)相機(jī)距地面約2.8m,為Microvision公司的MV-EM120M/C工業(yè)相機(jī)。平移傾斜裝置用于在垂直平面內(nèi)在21°的范圍內(nèi)上下傾斜工業(yè)相機(jī),以獲得在收割機(jī)前面的A和B之間的視頻圖像信息。工業(yè)相機(jī)和平移傾斜裝置的規(guī)格如表1和表2所示。

表1 工業(yè)相機(jī)規(guī)格描述Table 1 Specification descriptino of industrial camera

表2 平移傾斜裝置描述Table 2 Pan tilt device description

3 收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 收割機(jī)工作區(qū)域模型

為了導(dǎo)航收割機(jī)沿著作物區(qū)域行進(jìn),前提是了解田地形狀。在本文研究中,通過(guò)工業(yè)相機(jī)在行栽大豆田中測(cè)量距離數(shù)據(jù)的空間分布來(lái)模擬田間剖面,以建立收割機(jī)工作區(qū)域模型。收割機(jī)在笛卡爾坐標(biāo)系下的實(shí)際單幀測(cè)量如圖5所示。

圖5 收割機(jī)工作區(qū)域模型示意圖Fig.5 The model sketch of harvester working area

圖5描繪了檢測(cè)到的大豆植物的空間分布,該區(qū)域模型看起來(lái)像一個(gè)不完整的正弦波或方波。本研究中,給定區(qū)域的作物最大高度HC和行間距d分別為1m和0.75m。由于系統(tǒng)存在一定的誤差精度,左邊的一些異常值直接丟棄,可以得到一系列測(cè)量值g(i),i= 0,...,N-1。其中,N為測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量。本文中,工作區(qū)域分布被建模為5個(gè)周期方波,周期為P,幅度為HC,脈沖寬度為W,無(wú)初始相位。第1個(gè)周期f0(t)的表達(dá)式為

f0(x)=A[u(x)-u(x-W)]

(3)

其中,u(x)表示x處的單位值。

整個(gè)完整的工作區(qū)域可以用一個(gè)方波函數(shù)f0(t)表示,其表達(dá)式為

f(x)=f0(x-nP),n=0,+/-1,+/-2,…

(4)

3.2 收割機(jī)工作區(qū)域的計(jì)算

由于場(chǎng)分布可以表示為方波,因此可以計(jì)算出模型系列f(x)與工業(yè)相機(jī)測(cè)量的工作區(qū)域樣本序列g(shù)(i)之間的最大相關(guān)性Cmax,來(lái)確定田間的大豆作物。計(jì)算延遲d時(shí)刻的相關(guān)性Cmax的表達(dá)式為

(5)

其中,mf和mg是相應(yīng)系列的平均值;f(i)是對(duì)應(yīng)于g(i)的f(x)樣本序列,i=0,1,...,N-1。若f(i-d)超出f(x)的范圍,則忽略該采樣點(diǎn)。

采用平移傾斜裝置,在垂直平面中上下旋轉(zhuǎn)工業(yè)相機(jī)獲取同一行但不同距離的農(nóng)作物位置。作物行和聯(lián)合收割機(jī)間距離示意如圖6所示。

圖6 作物行和聯(lián)合收割機(jī)間距離示意圖Fig.6 Diagram of the Distance between Crop Rows and Combines

其中,GPS用于收割機(jī)的自身實(shí)時(shí)定位;IMU為慣性測(cè)量裝置;P1處的農(nóng)作物通過(guò)工業(yè)相機(jī)以48°的傾斜角拍攝得到;P2是在傾斜角度為69°時(shí)檢測(cè)到的另一作物的位置。P1、P2間的直線可以認(rèn)定為分離切割與未切割區(qū)域的作物行,其在笛卡爾坐標(biāo)系下的表達(dá)式為

ax+by+c=0

(6)

其中,a、b和c為直線系數(shù)值。

可以將橫向偏移ε和偏轉(zhuǎn)角δ作為兩個(gè)參數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)向角φ,表達(dá)式為

φ=A1ε+A2δ

(7)

4 快速導(dǎo)航系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用DM642 DSP芯片為核心處理器,其專用于數(shù)字媒體和圖像處理應(yīng)用,主頻可達(dá)600MHz,處理性能高達(dá)4800MIPS,擁有2個(gè)20位的視頻口,可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)多路音頻/視頻信號(hào)的輸入/輸出及編解碼運(yùn)算。收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)硬件框架如圖7所示。

圖7 收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)硬件框架Fig.7 Hardware Framework of Rapid Navigation System for Harvester

由圖7可以看出:收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源模塊、視頻采集、JTAG仿真器和視頻編解碼等5部分組成。其工作流程為:工業(yè)相機(jī)采集到大豆作物的視頻圖像信息,由SAA7111A進(jìn)行簡(jiǎn)單的采樣、量化處理;然后,由DSP利用DVC技術(shù)進(jìn)行編解碼處理,并保存在SDRAM存儲(chǔ)器中;最后,為收割機(jī)工作區(qū)域模型的計(jì)算提供數(shù)據(jù)。

4.2 收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)軟件包括SAA7111A芯片初始化、DSP的視頻驅(qū)動(dòng)、DVC編解碼算法、工作區(qū)域模型與計(jì)算等程序,整個(gè)系統(tǒng)的核心是DVC編解碼算法和工作區(qū)域模型及計(jì)算程序。系統(tǒng)軟件各模塊框架如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件各模塊框架圖Fig.8 Framework Diagram of System Software Modules

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于DSP塊的分布式視頻編碼技術(shù)的收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性和可行性,對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)是對(duì)一塊矩形和扇形結(jié)合的大豆種植區(qū)域進(jìn)行收割,結(jié)果如圖9所示。其中,箭頭為收割機(jī)行走方向。

圖9 收割試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.9 Chart of harvesting test results

在針對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行收割作業(yè)時(shí),基于DSP塊的分布式視頻編碼技術(shù)的收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng)能夠規(guī)劃出最短工作路線,實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)航功能,證明了系統(tǒng)的有效性和可行性。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于DSP塊的分布式視頻編碼技術(shù)的收割機(jī)快速導(dǎo)航系統(tǒng),通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集視頻圖像數(shù)據(jù),利用DVC進(jìn)行視頻圖像的編解碼處理,得到大豆距離數(shù)據(jù)的空間分布,最后對(duì)作業(yè)工作區(qū)域進(jìn)行建模分析,根據(jù)在同一行中檢測(cè)到的作物植物的位置估計(jì)作物壟。試驗(yàn)結(jié)果表明:在針對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行收割作業(yè)時(shí),系統(tǒng)能夠規(guī)劃出最短工作路線,實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)航功能,證明了系統(tǒng)的有效性和可行性。