帶寬受限下的復(fù)合材料缺陷檢測(cè)及傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題研究

史磊 姜有奇 婁勇

摘 要：針對(duì)復(fù)合材料圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，本研究基于圖像傳輸任務(wù)，提出一套傳輸帶寬分配算方法。首先，根據(jù)圖像信號(hào)對(duì)傳輸帶寬進(jìn)行控制，并設(shè)置了基于任務(wù)的權(quán)重函數(shù)，建立了圖像傳輸帶寬分配模型。然后采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，在總傳輸量沒(méi)有超過(guò)最大傳輸帶寬條件下，根據(jù)權(quán)重函數(shù)進(jìn)行帶寬分配。最后，通過(guò)修改采集到的圖像分辨率和幀率實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸帶寬的控制，避免了因傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞圖像失幀的問(wèn)題。通過(guò)將設(shè)計(jì)的算法運(yùn)用到實(shí)際圖像采集中，驗(yàn)證了算法的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;圖像采集;傳輸帶寬;帶寬分配算法

中圖分類號(hào)：TQ050.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0054-04

Research on Composite Material Defect Detection and Transmission Network Congestion Problem with Limited Bandwidth

Shi Lei， Jiang Youqi，Lou Yong

（School of Electronics and Information， Shaanxi Institute of Mechatronic Technology， Baoji 721001， China）

Abstract：Aiming at the congestion of composite image transmission network， this paper proposes a set of transmission bandwidth allocation algorithm based on image transmission task. Firstly， the transmission bandwidth is controlled according to the image signal， and the weight function based on the task is set up， and the image transmission bandwidth allocation model is established. Then， the multi-objective optimization method is used to allocate the bandwidth according to the weight function under the condition that the total transmission volume does not exceed the maximum transmission bandwidth. Finally， by modifying the image resolution and frame rate， the transmission bandwidth is controlled， and the problem of image frame loss due to transmission network congestion is avoided. Through the application of the designed algorithm to the actual image acquisition， the feasibility and practicability of the algorithm are verified.

Key words：composite materials; image acquisition; transmission bandwidth; bandwidth allocation algorithm

現(xiàn)代制造業(yè)中，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，相較于單一的材料，復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、耐腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)，因此在航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu)對(duì)一定程度上決定了其整體性能，因此通過(guò)觀察采集到的復(fù)合材料組成結(jié)構(gòu)，可以有效檢測(cè)到復(fù)合材料缺陷。目前，關(guān)于復(fù)合材料的圖像采集技術(shù)主要集中在材料表面缺陷檢測(cè)和識(shí)別，而對(duì)于圖像的傳輸擁塞問(wèn)題研究較少。針對(duì)該問(wèn)題，考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬限制條件下圖像傳輸?shù)氖?，提出一套針?duì)復(fù)合材料圖像傳輸?shù)膸挿峙渌惴椒?，以解決在復(fù)合材料圖像缺陷檢測(cè)圖像傳輸中存在的帶寬問(wèn)題。

1 基于任務(wù)的帶寬分配模型

圖像傳輸中，傳輸帶寬受到圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量的影響，而圖像的信號(hào)數(shù)據(jù)量又與圖像的分辨率和幀率有很大的關(guān)系。即傳輸帶寬與分辨率、幀率的關(guān)系可用公式（1）表示。

式（1）中，R、F分別表示圖像信號(hào)的分辨率和幀率;a表示編碼協(xié)議或圖像的復(fù)雜度，β表示傳輸網(wǎng)絡(luò)的系數(shù)。

在對(duì)復(fù)合材料的缺陷進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，由于多個(gè)攝像機(jī)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)不同的任務(wù)，因此圖像傳感器的預(yù)期傳輸權(quán)重較高。當(dāng)預(yù)期權(quán)重大于實(shí)際權(quán)重時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致圖像傳輸信號(hào)超過(guò)限定傳輸帶寬，進(jìn)而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁堵，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像信號(hào)傳輸。為解決這一問(wèn)題，需要對(duì)圖像傳感器的預(yù)期傳輸權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，使其在傳輸帶寬的最高限度中進(jìn)行傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)擁堵。為使每一個(gè)圖像傳感器采集到的圖像既滿足圖像傳輸質(zhì)量的要求，同時(shí)又滿足最高傳輸帶寬限制，設(shè)x表示圖像采集攝像機(jī)的狀態(tài)向量，δ（x）表示圖像采集攝像機(jī)的任務(wù)向量，δi（x）表示攝像機(jī)執(zhí)行任務(wù)i的程度，v表示攝像機(jī)的移動(dòng)速度，ROIi表示圖像面積組成的攝像機(jī)狀態(tài)向量。那么則有：

同時(shí)任務(wù)達(dá)成指標(biāo)為：

上式表示任務(wù)i的完成情況，其值越大，表示圖像傳輸信號(hào)所需的實(shí)際傳輸帶寬就越大。式中，Ri、Fi分別表示采集到的復(fù)合材料圖像分辨率和幀率，表示預(yù)期傳輸權(quán)重函數(shù)。由此可得：

式中，均表示為系數(shù)。取值為[0，1]。當(dāng)發(fā)生變化，預(yù)期權(quán)重與實(shí)際傳輸權(quán)重的閾值相等，且滿足：

另外，由于傳輸帶寬會(huì)根據(jù)圖像傳感器的任務(wù)完成指標(biāo)分配帶寬，因此往往出現(xiàn)帶寬分配不公平的情況，無(wú)法保證所有圖像傳感器的最基本圖像信號(hào)傳輸，故設(shè)計(jì)傳輸帶寬的公平性指標(biāo)：

式（6）表示攝像機(jī)所有傳感器占用傳輸帶寬的公平程度，其值越大，表示分配越公平。

實(shí)際圖像信號(hào)傳輸中，圖像傳感器任務(wù)達(dá)成度越高、傳輸帶寬分配公平性越高，那么在有限帶寬條件下，既可以完成圖像采集任務(wù)，同時(shí)又可以保證圖像的傳輸質(zhì)量。因此，定義系統(tǒng)的帶寬分配目標(biāo)函數(shù)：

式（7）（8）為分配模型的目標(biāo)函數(shù);式（9）（11）分別表示采集到的圖像分辨率和幀率調(diào)節(jié)范圍;式（11）表示傳輸帶寬最大限制。由于傳輸帶寬的最大限制，使得圖像傳感器任務(wù)達(dá)成度越高和傳輸帶寬分配公平性這兩個(gè)指標(biāo)不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，故需要優(yōu)化該方案。

2 優(yōu)化帶寬分配目標(biāo)函數(shù)求解

常用的多目標(biāo)優(yōu)化算法包括多目標(biāo)粒子群算法、多目標(biāo)進(jìn)化算法等，這類算法雖然能對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，但優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜。鑒于本研究進(jìn)針對(duì)圖像傳感器任務(wù)達(dá)成度和傳輸帶寬分配公平性兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，故選用最大值最小值的方法簡(jiǎn)化多目標(biāo)優(yōu)化分配問(wèn)題，即使所有圖像傳感器的最小優(yōu)化函數(shù)值最大。通過(guò)最大值最小值方法優(yōu)化函數(shù)可得：

由式（12）和（1）可得：

為在高傳輸權(quán)重的時(shí)候保持高采集幀率，令

當(dāng)所有圖像傳感器的實(shí)際的傳輸權(quán)重在理論傳輸權(quán)重范圍內(nèi)時(shí)，傳輸帶寬分配的公平性可用經(jīng)過(guò)歸一化處理的傳輸任務(wù)達(dá)成度指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行表示，原優(yōu)化模型也簡(jiǎn)化為：

當(dāng)時(shí)，它的公平性指標(biāo)函數(shù)被歸一化到同一區(qū)間，有利于優(yōu)化算法的比較。

3 算法驗(yàn)證

3.1 預(yù)期權(quán)重與運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

根據(jù)攝像機(jī)的圖像采集任務(wù)，本研究首先設(shè)計(jì)了攝像機(jī)的預(yù)期權(quán)重和運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)以上述參數(shù)，設(shè)計(jì)圖像傳感器的傳輸權(quán)重函數(shù)：在此基礎(chǔ)上，攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前圖像采集任務(wù)合理分配傳輸帶寬。假設(shè)機(jī)器人使用高清攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，后標(biāo)清攝像機(jī)以最低標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，且機(jī)器人整體向前移動(dòng)，即不變，則可計(jì)算出傳輸帶寬剩余量為9Mbit。應(yīng)用帶寬分配算法對(duì)高清攝像機(jī)和后標(biāo)清攝像機(jī)傳輸帶寬進(jìn)行分配，得到攝像機(jī)的總傳輸帶寬在8.1～8.4Mbit之間，小于9Mbit，說(shuō)明該傳輸帶寬在最大傳輸帶寬限制之內(nèi)。

本研究在CPU3.2GHz、內(nèi)存512M的硬件環(huán)境，VC++6.0的軟件環(huán)境下，采用灰度為256級(jí)的BMP位圖格式圖像進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 采集圖像

通過(guò)攝像機(jī)采集到的復(fù)合材料紋理特征如圖1所示。

3.3 帶寬分配實(shí)驗(yàn)

3.3.1 傳輸權(quán)重系數(shù)變化曲線

應(yīng)用帶寬分配算法進(jìn)行帶寬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)攝像機(jī)正常采集儀表圖像，并成功傳送到了監(jiān)控終端。此時(shí)，監(jiān)控終端可根據(jù)圖像信號(hào)，調(diào)節(jié)高清攝像機(jī)和前標(biāo)清攝像機(jī)的傳輸權(quán)重，得到如圖2所示的攝像機(jī)傳輸權(quán)重系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。

3.3.2 實(shí)際帶寬時(shí)間變化

系統(tǒng)在不同帶寬限制條件下執(zhí)行相同任務(wù)時(shí)，實(shí)際傳輸帶寬隨時(shí)間變化如圖3所示。由圖3可知，在任意帶寬限制條件下，帶寬分配算法均滿足實(shí)際傳輸帶寬在限定的最大傳輸帶寬之內(nèi)，同時(shí)也保證的對(duì)傳輸帶寬的最大利用率。

3.3.3 帶寬分配效果

通過(guò)對(duì)比高清攝像機(jī)采用傳輸帶寬分配算法和未采用傳輸帶寬分配算法的丟幀率，可得到如圖4所示的丟幀率對(duì)比圖。由圖可知，在t=60～80s和t=140～180s兩個(gè)時(shí)間段，未采用傳輸帶寬分配算法的高清攝像機(jī)丟幀率在60%以上，說(shuō)明攝像機(jī)采集到的圖像信號(hào)因網(wǎng)絡(luò)阻塞原因幾乎已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行傳輸。而采用傳輸帶寬分配算法后，高清攝像機(jī)的丟幀率維持在30%以下，說(shuō)明該算法有效避免了網(wǎng)絡(luò)阻塞。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)復(fù)合材料圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞情況分析，提出一套傳輸帶寬分配算方法以解決該問(wèn)題。首先，根據(jù)圖像信號(hào)對(duì)傳輸帶寬進(jìn)行控制，并設(shè)置了基于任務(wù)的權(quán)重函數(shù)，建立了圖像傳輸帶寬分配模型。然后采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，在總傳輸量沒(méi)有超過(guò)最大傳輸帶寬條件下，根據(jù)權(quán)重函數(shù)進(jìn)行帶寬分配。最后，通過(guò)修改采集到的圖像分辨率和幀率實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸帶寬的控制，避免了因傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞圖像失幀的問(wèn)題。通過(guò)將設(shè)計(jì)的算法運(yùn)用到實(shí)際圖像采集中，驗(yàn)證了算法的可行性和實(shí)用性。

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