国内外现状和理论基础

1、无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称 UAV）是进行无人侦查或攻击时搭载侦察设备和攻击系统的无人飞行平台。无人机是一个系统而不是单一的飞行器，它由飞行器、地面指挥平台、发射与回收设备、有效载荷、数据传输设备以及支持维护等部分组成。无人机没有飞行员控制，而是由机载的飞行驱动程序、自动驾驶仪和地面的无线电遥控等设备进行飞行控制的，地面的指挥中心通过无线电遥控设备发出命令给无人机，无人机接收到命令后进行相关操作然后将数据传回地面，它的起飞、着陆方式和一般飞机差不多，在军事、民用监察、信息对抗、灾难援助、电力布线等方面都有着很高的应用价值国内外现有的无人机上的图像传输系统主要采

2、用的还是模拟流传输方式，这种方式具有占带宽、抗干扰性差、传输距离短等缺点，实际侦查工作中要求所采集图像效果好和传输实时性，但是模拟信号数据量大，要进行无线传输势必限制带宽，这样便影响了发送的采集图像信息的实际效果；并且在实际侦查工作时，存在着许多的干扰因素，模拟信号易受干扰，这样会使收到的数据失真；无人机要深入危险区域进行侦查，传输距离将成为重大的影响因素。因此传统的图像传输系统已经满足不了实际需求，无人机无线图像传输系统有着很高的研究需求。国外进行研制微型无人机的历史比较长,距今已有30多年的时间了,但普遍都是基于微型无人机的飞机机体原理、发动机引擎以及飞机的隐形化进行的研究,而对其数据链路

3、,即无线视频图像传输系统的研究很少,且其大部分集中在理论算法的研究上。再加上国外对我国技术保密和军事封锁的缘故,国内也无法获得其无人机更多的技术细节。美国AIAA公司的“Black Widow”无人机,采用COMS彩色摄像头作为其图像采设备,该图像传输系统的分辨率510*488,模拟制视频流,通信系统采用FM调制,载频2.4GHz,最大传输距离2km。美国Timonthy Kinkaid设计的微型图像无线传输系统,采用一个彩色相机,可拍摄380行分辨率的图像,模拟制视频流,载频2.4GHz,全方位探测天线IAN F.AKYILDIZ等人研究的无线移动机器人,可以采集环境中的视频和音频流,以及静

4、态图像。该图像系统采用一个罗技Pro4000网路摄像机,分辨率640*480,采用IEEE802.11B无线传输协议,基于Linux操作系统,每秒可传输15帧QCIF格式的JPEG视频流。比利时J.Thone等人设计了一种2Mbps速率的无线图像数据发射器。采用模拟电路搭建的FSK调制方式,接收端采用FPGA XC3S200控制,通过USB接口将图像数据传给上位机。图像质量为VGA,速率1517帧/秒。相比于国外,国内在无人机方面的设计研究开始的较晚,研究进度和技术水平相对不太成熟。清华大学研制的一种微型无线传输系统,由机载摄像机与发射模块和地面接收设备构成。采用模拟视频流,1.2GHz、FM

5、调制无线发射,28幅图像每秒。电子科技大学设计的鸽载微型无线图像传输系统,可昼夜检测战场信息,采用模拟和数字两种方案设计。模拟方案的发射部分采用模拟制式发射,工作频率为1.2GHZ,调制带宽为10MHz。数字方案选用安捷伦ADCM-1650微型摄像头,发射部分采用Nrf905,最高速率可达100Kbps,系统整体传输速率较低。图像的采集压缩传输是当前热门的研究课题，具有很高的应用价值。本文基于无人机平台，使用的 接口采集图像，然后使用库压缩视频图像，最后使用开源项目传输压缩后的图像数据，可以方便地移植和使用。本文作者的创新点：设计提出了结合嵌入式技术视频压缩编码技术无线通信技术网络技术等多项技

6、术的无线视频传输系统，采用嵌入式技术和实时多任务操作系统，基于无线数据传送视频压缩实时传输控制，使系统有很高的应用价值。本文研究了 H.264 视频压缩算法编解码框架及关键技术。H.264 具有高压缩比、高质量、低码率的特性，但是算法也变得复杂，影响了编码效率。H.264 的实现版本主要有三种：JM、X264、T264，将三者的优缺点作对比，JM 是官方发布的源代码，包含了各种算法，主要用于学术研究，缺乏应用性；T264 是国内组织基于 H.264 发布的实用性代码，但目前技术还不够成熟；而 X264 有选择性地提取了 JM和T264 的技术亮点，不论从编码速度还是实用性方面都提高了很多，所以

7、本文选用 X264 作为算法原型。 DSP 的高运算速度可以满足本文对于实时性的要求, 选用 TMS320 DM6446作为硬件平台，但是由于 X264 算法的源代码是在 VC 环境下开发的，需要完成向 DSP 上的移植，主要的移植工作有代码的裁剪、存储空间的分配以及根据编译器的差异而做的各方面的修改。移植后的代码的编码效率无法达到实时，需进行优化。本文通过对 X264 代码的各函数的开销的研究，主要做了以下优化工作：编码器选项、运动估计算法、以及内联函数等方面的优化。其中对运动估计算法做了深入研究、对比实验，选用钻石搜索算法并对其进行了优化。从实验得到的统计数据可以看出，结果图像质量保持良好

8、，且经过优化后的 X264 代码的编码速度有了很大的提高。本文分析了现有的无线图像传输系统和微型无人机实际情况,提出了本系统详细的总体设计方案,即采用不依赖于网络和计算机平台的图像采集压缩和传输方案。该方案将系统分为机载图像采集压缩部分和地面站图像接收显示部分。深入研究了H.264视频压缩算法和DM6446 DSP开发平台,针对实用X264的算法进行了程序和内存开销研究以及相关DSP应用的研究。利用VC平台对X264算法进行仿真分析,掌握算法的运算过程,进而移植到CCS软仿环境中进行算法仿真,并结合实际硬件板卡设计了的DSP内存分配,仿真实现了X264编码算法的DSP移植,得到了视频压缩编码码

9、流。设计实现了无线传输模块,在保证图像传输质量和速率的前提下,试验结果表明该设计可达到预期设计的无线传输距离要求。本文以为核心处理器，以嵌入式为板级操作系统，设计出一套可供无人机使用的低功耗视频实时压缩系统。与传统的嵌入式视频 软件编码压缩系统相比，本系统依赖 内嵌的视频协处理硬核处理 编码，具有功耗低，处理延迟小，外部电路简单等诸多优势。同时系统以嵌入式为板级操作系统，实时性强，可稳定高效的管理视频采集、硬核调度、串口通讯、数据输出等诸多任务。1. ITU-T H.261 标准该标准是最早的以块模式进行混合编码的标准，采用了帧内编码、16×16 宏块运动补偿预测、8×8

10、块 DCT、量化和熵编码技术。H.261 目标是 p*64bit/s 编解码器（p=1，30），即在 ISDN（Integrated Services Digital Network)上以此速率开展视频会议和视频电话业务2. MPEG-1 标准MPEG-1 标准，码率约为 1.5Mbit/s。MPEG-1 标准仅仅设定了比特流结构及解码方法，用户可以通过针对性地设置一些重要参数如运动估计、码率控制等来形成所需的高效低廉的编解码器3. MPEG-2 标准标准为实现高级工业方面的标准图像分辨率和更快的传输速度而设计的。MPEG-2 方案的比特率为 310Mbit/s，增加了隔行扫描图像的支持，MP

11、EG-2 依据不同的压缩比分成了五个档次，按照视频清晰度分成了四个档次，可以组成 20 种组合，提供了较广泛的范围满足不同画面质量、带宽和存储器的要求4. ITU-T H.263 标准H.263标准与 H.261 标准相似，但是H.263在不同的比特率上都提高了图像的质量，通过采用针对低码率而改进的变长编码和运动补偿预测，其中对于后者，H.261 采用的是整像素精度运动估计方法，而 H.263 编解码器的运动估计中使用的是半像素精度，大大地除掉了图像中高频分量。H.263相对于H.261所做的改变使得图像的质量并没有下降，而且在此基础上降低了自身的码率，只有H.261的一半5. ITU H.2

12、63+/H.263+标准在完全兼容 H.263 标准的基础上，对于无线通信或者分组式网络通信，增强了抗干扰性。2000 年 11 月，第三版H.263+随之诞生，H.263+以之前的标准为基础，新添加了3 个高级模式。这些新增的模式主要包括：参考帧采样模式、高级帧内编码模式、交替帧间 VLC选择模式、分片结构模式、参考帧选择模式、数据分割模式、可分级编码等。6. MPEG-4 标准MPEG-4 标准，其支持移动通讯、电话网络，且码率范围 564Kbps；也可应用于电视和电影，且保持 4Mbps 的码率，目前适用于网络数字视频监控的主流嵌入式数字录像机(Digital Video Recorde

13、r)和数字视频流服务器(Digital Video Streamer)。MPEG-4 标准采用了分层编码，支持 4800bit/s 到 4Mbit/s 的高码率范围，同时低码率支持 5Kbit/s 到64Kbit/s。7. H.264/AVC 标准新一代适应于低比特率传输的H.264/AVC 标准，它属于 MPEG-4，是在其基础上发展起来的高级视频编码标准。不但压缩比大大地提高，而且较好地适应于各网络，提高了网络传输的安全性。只是规定输出比特流结构和针对比特流的解码方法。在运动预测、残差的 DCT 变换、变换系数的量化，以及熵编码实现中加入了新的技术和特别处理，相对比于以往的标准，在大部分码

14、率的情况下H.264最大程度地节约50%的比特率，H.264使用了特殊的语法结构，提高了网络的友好性，增强了适用的信道的多样性；由于IP 网络传输时会遇到数据丢失，或者在安全性差的网络中传输容。易产生误码，H.264 增强了抗误码能力，能够有效地处理这些问题。而且应用范围非常广泛，H.264 不仅能适用于低延时的场合如视频会议、视频监控等，这些都要求实时通信；而且在不限制延时的场合如视频存储等也发挥自如。随着硬件支持视频文件分辨率越来越高和高清视频影音的发展，视频格式转换已经成为了影音研究的热门课题。目前常见的视频格式主要有 AVI、MPEG、MOV、RM等，视频格式转换根据转码用途不同，可以

15、分成几种常见的转码模式：通过视频格式转换实现网络视频在电脑之外其他硬件设备上的播放，如 RMVB 转 MP4、RMVB 转 3GP、RMVB转 DVD、FLV 转 MP4、FLV 转 3GP，FLV 转 DVD，通过视频格式转换减小体积，提高保存便利性，如 TS 转 RMVB、TS 转 AVI、TP 转 RMVB、MTS 转 DVD、MTS 转 RMVB 等。视频格式转换的原理是通过视频格式编码规范对视频进行解码，再根据目标格式编码规范重新编码，实现质的变化，但视频播放内容并无不同。视频格式转换的功能主要是将视频文件转换成体积小，清晰度高，便于网络上的传播和满足用户的感官享受。格式转换编码是将

16、多媒体的一种编码方式处理成为所需的另一种编码格式，对压缩码流重新编码处理以满足传输通道或解码器进行编码的特殊要求。从广义上讲转码包括多媒体内部及相互之间的转换类型，前者是将图像编码标准转换成另一种图像编码标准，而后者如文字转换成文本并最终转换成三维图像。转码技术是满足多媒体传输时间的关键技术，速率控制在达到高质量视觉视频转换的过程中起到重要作用。通常情况下，大部分编码器速率控制是转码器尽量减少原始图像之间的扭曲和在重建的基础上优化失真图像。编码和解码算法随着格式不同也在不断改进，在满足图像和声音的前提下，通过压缩视频文件和更改视频流，将原始格式转换成需要的格式。分布式视频数据处理就是对大量的视

17、频数据做解码和转码工作，集中计算资源、提高服务器利用率，并对视频转码提供统一的服务接口，保障视频服务功能。分布式：采用多台转码机器同时对视频文件进行转码。将视频在片源分段，将每段传输到对应的转码机器上，转码完成后将各段合并成一个视频文件，返回该视频。这种方式优点是并行转码，时间成本低，可以应对并发转码任务；缺陷是实现复杂，需要考虑分段同步以及断后合并等问题。商业转码系统：国内来看，主要有迅雷转码系统、腾讯云转码系统。迅雷转码系统实现的功能是将视频文件直接转码，不需要用户下载后转码，通过指定源片地址，生成新的目标格式视频的地址。经了解，迅雷转码系统主要是依靠分布式框架，结合FFmpeg开源视频处

18、理技术，将视频整体发送给集群节点，通过单节点计算完成转码任务。腾讯云转码需要用户提供名称和格式，然后根据用户要求，将视频提交至Hadoop集群，返回处理结果。国外厂商Amazon提供了AET（Amazon Elastic Transcoder）系统，能够支持的转码类型较多，在系统设计上也是采用分布是框架，主要依靠亚马逊云平台构成逻辑上的分布式，将单个任务封装成一个pipeline，随机分发给各节点转码，进而返回转码结果。此外针对本地数据的转码，国外有两个系统已经实际运营(You Convert It 及Online-convert)，这两个系统均能通过云端处理能力将本地的视频文件转码为用户需要

19、的格式。用户在使用时，将本地数据上传至其服务器，通过服务器转码后，用户再从服务器下载转码好的数据，整个过程的绝大部分时间消耗在网络传输上，且耗时较长，因此它们与迅雷云转码一样，也是采用离线的方式提供转码服务。学术界云转码系统：2008 年， Iqbal R等人研究了 P2P结构上的视频转码，他们尝试着用MPEG-21DIA来描述视频信息，通过对该信息的适配来完成视频的转码，构建的系统叫做DAg-stream。Jeonghun Noh等人于2012年提出了P2P结构转码系统的容错性方案。他们分析并解决了在利用 P2P 的结构对视频进行转码过程中由于节点的离开等现象造成的部分编码数据丢失时，如何“

20、修复”的问题，采用其它节点直接补偿的方式进行修复，在保证了系统容错性的同时却降低了转码的质量。由于P2P结构的动态性，采用这种分布式方式进行转码时，转码效果较差，且较难实现快速转码。因此，Zhenhua Li等人则利用云计算技术来解决转码问题。他们利用腾讯现有的基础设施和用户量，构建大型云转码系统Cloud Transcoder，该系统集下载、转码、缓存为一体。杨帆等人采用 Hadoop的方式构建分布式云转码平台，利用 HDFS 存储视频片段，将存储与转码集成一体，其转码能够提供一定的加速比，然而系统的设计的目的是并行转码，若想观看到转码的效果必须等待所有的片段转码完成，很难满足边播放边转码的需求。为了使得转码向实时性靠拢，Fareed Jokhio等人则另辟蹊径，采用MPI开发了新的分布式转码系统，在不同的转码节点之间构建 MPI 消息，以保证他们之间的通讯。系统的体系结构如图1-5所示，系统通过对源视频进行GOP切分，并采用不同的节点转码不同的分片，最后进行适当的拼接。Hadoop是一个由Apache基金会所开发的分布式系统基础架构。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下，开发分布式程序。充分利用集群的威力进行高速运算和存储。Hadoop实现了一个分