專用無線圖像傳輸系統(tǒng)設計

葛憲生， 杜玉海，趙　亮

(中國電波傳播研究所，山東　青島　266107)

葛憲生 (1983—)，男，山東單縣人，工程師，主要研究方向為無線電監(jiān)測，信號處理；

E-mail：gxsqm@163.com

杜玉海 (1982—)，男，山西太原人，工程師，主要研究方向為數字信號處理；

趙　亮 (1980—)，男，山東濟南人，高級工程師，主要研究方向為通信信號處理。

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工程與應用

專用無線圖像傳輸系統(tǒng)設計

葛憲生， 杜玉海，趙亮

(中國電波傳播研究所，山東青島266107)

摘要：為了解決通用的利用3G、衛(wèi)通等公共網絡進行圖像傳輸應用中，保密性和穩(wěn)定性差、運營商限制多等問題，本文提出了一種專用的無線圖像傳輸系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)利用高速電臺組建的無線通信專網，將遠端現場的動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像傳回主控中心，實現了圖像的無線傳輸和共享。系統(tǒng)中定制開發(fā)的圖像處理單元利用定制的算法，提高了傳輸的保密性和可靠性，本地顯示功能使遠端現場更易操作，更有針對性。系統(tǒng)可廣泛用于電子偵察、現場監(jiān)控等領域，具有較好的工程應用和推廣價值。

關鍵詞：圖像傳輸；高速電臺；通信專網

0引言

隨著移動通信的發(fā)展，通用的圖像傳輸系統(tǒng)已經非常成熟，公安、消防人員可利用3G等網絡，很輕易的將現場圖像傳回指揮中心；記者也可將千里之外采訪的畫面通過衛(wèi)星通信傳至直播室。這些方式的最大好處在于網絡覆蓋面積大，無需用戶管理，技術成熟，但也存在很多問題，比如有些地方網絡狀況不好，通信運營商的設備限制，傳輸速率不高，大數據量傳輸費用昂貴，一些保密內容不能在公網上傳輸[1]。

針對這些問題，本文提出一種專用的無線圖像傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電臺組建專網，采用靈活的圖像采集方式和定制的處理算法，實現圖像的無線傳輸和共享。

1系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)建設的主要目的是將遠端現場的動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像傳回主控中心，使多個用戶可以同時獲取相同或者不同遠端目標現場的圖像，提高主控中心的指揮效率。它主要由多個遠端現場、一個主控中心和無線通信專網組成，組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

每個遠端現場主要包括圖像采集單元和處理單元。本方案沒有采用通用的具有壓縮功能的網絡攝像機，主要是因為其采集和處理方式固定，無法與主控中心交互，并且沒有本地監(jiān)視功能。針對這些缺點，系統(tǒng)將采集和處理分離。采集單元可以選用普通攝像頭、數碼攝像機及專用圖像采集模塊等不同設備，采集方式靈活，滿足不同場合下圖像傳輸的需要。處理單元基于ARM平臺，在標準的H.264視頻壓縮的基礎上，利用定制的處理算法，實現不同頻譜占用度、信噪比等通信條件下的傳輸。針對保密要求，對處理數據進行編碼加密處理。采用交織校驗等措施，提高傳輸的可靠性性。開發(fā)通信模塊，與主控中心進行雙向交互。具有本地顯示功能，遠端現場操作人員可以對正在傳輸圖像的目標、范圍、清晰度等有直觀的感受，進行靈活調整，具有更強的操作性。另外，實際應用中，主控中心可對遠端的目標進行長時間不間斷監(jiān)視。當對某些細節(jié)特別感興趣時，系統(tǒng)還可傳輸更高清晰度的靜態(tài)圖像，對目標進行更精準的分析。

主控中心由視頻系統(tǒng)、局域網和計算機等設備組成。典型應用中，視頻系統(tǒng)中的多個用戶可以同時獲取相同或者不同遠端目標現場的圖像，并分別對不同遠端設備進行遠程控制。

2圖像處理單元設計

圖像處理單元是本系統(tǒng)定制開發(fā)的核心設備，是專用無線圖像傳輸系統(tǒng)區(qū)別于其他通用系統(tǒng)的重要部分，這里對其進行詳細介紹。

2.1硬件方案

圖像處理單元基于三星S3C6410的ARM11平臺進行開發(fā)，配置4.3寸液晶顯示屏，S3C6410是一款基于三星的低功耗，高性能的用于通用處理的RSIC處理器，采用64/32 bit的內部總線架構，還有很多強大的硬件加速器，包括運動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放。S3C6410包括優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數據帶寬要求。

圖像處理單元中，圖像信息從Camera接口輸入，從網口輸出，主要完成動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像的信息處理，本地的顯示、存儲和回放和處理參數設置等功能。圖像采集得到的動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像輸入到ARM平臺，采用定制的處理軟件對其進行壓縮，然后進行編碼、加密等操作，形成信息流；可以本地顯示、存儲和回放，并經過數據傳輸模塊管理，然后發(fā)送出去。

處理單元原理框圖如圖2所示。

圖2　圖像處理單元原理框圖

圖像處理單元示意圖如圖3所示。

圖3　圖像處理單元示意圖

2.2軟件方案

奶油加入糖后打發(fā)，穩(wěn)定花紋，裝入裱花袋。在蛋糕上擠上奶油，放上草莓；然后在草莓上擠上奶油，在蛋糕上再次放上草莓。用黑芝麻當作雪人眼睛即可。

圖像處理單元采用Windows CE操作系統(tǒng)，可根據實際需要定制成最小系統(tǒng)，并通過USB設備接口和串口寫入單板機中的Flash中，固化后可以長期穩(wěn)定使用。高級語言編輯系統(tǒng)采用Visual Studio 2005，開發(fā)圖像處理單元軟件，實現對硬件進行靈活控制，完成設備的功能。

圖像處理單元的軟件功能主要包括動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像的處理、參數設置和顯示存儲回放和數據傳輸管理。信息處理中，動態(tài)視頻處理基于H.264壓縮標準，靜態(tài)圖像采用JPEG格式，然后將信息流進行線性交織編碼。通過把數據均勻分成若干部分，形成交織矩陣，打亂碼字比特之間的相關性，將信道中傳輸過程中的成群突發(fā)錯誤轉換為隨機錯誤。對交織編碼后的數據進行CRC校驗，提高了系統(tǒng)的可靠性。在數據的某些位置增加標識位和獨特代碼，對數據進行加密，提高了系統(tǒng)的保密性。

軟件結構圖如圖4所示。

圖4　圖像處理單元軟件結構圖

3無線通信專網建設

無線通信專網建設主要考慮系統(tǒng)中各站點的分布、地理環(huán)境，遠端現場的個數，通信距離等因素，經過理論分析和現場測試，確定傳輸的頻段、傳輸速率和發(fā)射功率以及接收的靈敏度等指標，才能建立穩(wěn)定的通信系統(tǒng)[2]。

實際應用中，標清格式的視頻經過H.264壓縮后，數據量約為2 Mbps，多個遠端現場的數據量會更大，一般需要工作在微波頻段的高速率數傳電臺才能實現[3]。

微波頻段的電磁波為視距傳播，由于地球曲率的影響，兩個點(天線高度分別為H米和h米)之間最大可視距離D公里為

(1)

圖5　通信距離計算示意圖

假設主控中心天線架設在樓頂(高約20 m)，遠端現場天線架設在房頂(高約4 m)，則最大可視距離為26.66 km。

信號從發(fā)射機發(fā)出，經過饋線和天線和自由空間衰減，到接收機時，場強電平為

Pr=Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-Lo

(2)

Pr：正常接收電平(dBm)；

Pt：發(fā)信功率(dBm)；

Gt、Gr：收發(fā)天線增益(dBm)；

Lt、Lr：收發(fā)饋線損耗(dBm)；

Lo：自由空間損耗(dBm)，Lo=32.45+20logf (MHz) +20logD (km)。其中f為信號頻率。

接收場強Pr與接收機的門限電平(即在誤碼率小于10-6時，接收機要求的場強電平值，不同的電臺，該指標不同，一般為-110 dBm)差距即為衰落儲備。Pr與接收門限電平差距越大，衰落儲備越多，抗干擾能力越強，誤碼越少，一般要求衰落儲備在20 dB以上[4]。

系統(tǒng)建設時，根據實際應用場景，確定電臺的頻段、發(fā)射功率、接收靈敏度、調制方式，天線類型、架設高度等參數，使上下行信號達到足夠的抗干擾能力，才能實現有效可靠的無線圖像傳輸。這里給出一般的技術指標供實際建設參考。

電臺：頻段902~928 MHz，信道帶寬5 MHz、10 MHz、20 MHz可調，接收靈敏度-92 dBm(6 Mbps)，最大發(fā)射功率28 dBm，通信方式OFDM，調制方式QPSK，數據接口RJ45網口[5]；

主控中心全向天線：頻段900~930 MHz，信道帶寬30 MHz，天線增益5.5 dBi，架設高度20 m；

遠端現場八木天線：頻段900~930 MHz，信道帶寬83 MHz，天線增益12 dBi，架設高度4 m；

經計算，理想通信距離約為5 km，最大可以同時傳輸8個遠端現場的標清格式的視頻。

4結語

本文提出的專用無線圖像傳輸系統(tǒng)，利用高速電臺組建的無線通信專網，將遠端現場的動態(tài)視頻和靜態(tài)圖像傳回主控中心，實現了圖像的無線傳輸和共享。系統(tǒng)中定制開發(fā)的圖像處理單元利用定制的算法，提高了傳輸的保密性和可靠性，本地顯示功能使遠端現場更易操作，更有針對性。本文還分析了組建專網的基礎理論和一般的技術指標，對系統(tǒng)的實際建設具有參考意義。

實踐表明，本系統(tǒng)具有較好的工程應用和推廣價值。

參考文獻：

[1]史毅. 無人值守變電站遠程圖像監(jiān)控及傳輸系統(tǒng)設計[J]. 安防科技，2007，(8)：55-59.

[2]楊鋒，崔東旭，張俊舉，許輝，陸劉兵. 基于網絡傳輸的實時圖像融合系統(tǒng)設計[J]. 應用光學，2013，34(5)：785-790.

[3]陳力新. 數字圖像遠程監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸及組網方式[J]. 南華大學學報，2002，16(2)：62-65.

[4]謝子清，王如雙. 便攜式數字圖像微波中繼傳輸的設計 [J]. 無線電通信技術，2004，30(4)：55-57.

[5]武者東等. 頻率調制信號調制方式識別方法 [J]. 中國電子科學院學報，2015，10(2)：199-203.

葛憲生 (1983—)，男，山東單縣人，工程師，主要研究方向為無線電監(jiān)測，信號處理；

E-mail：gxsqm@163.com

杜玉海 (1982—)，男，山西太原人，工程師，主要研究方向為數字信號處理；

趙亮 (1980—)，男，山東濟南人，高級工程師，主要研究方向為通信信號處理。

A Design of Special Wireless Image Transmission System

GE Xian-Sheng，DU Yu-Hai，ZHAO Liang

(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107, China)

Abstract:In order to solve the problem of poor confidentiality and stability in the image transmission application based on the public network，a design of special wireless image transmission system is proposed. The system send the dynamic video and static images back to the master control center by special high speed radio, realized and shared wireless image transmission. The system develops the image processing unit using customized algorithm, improving the confidentiality and reliability of transmission, local display function makes the distal site more accessible. The system can be widely used in electronic reconnaissance, field monitoring and other fields, and has better application and popularization value.

Key words:Image transmission; high speed radio; Communication network

作者簡介

中圖分類號：TN911.3

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5692(2016)01-103-04

收稿日期：2015-11-22

修訂日期：2016-01-09

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.020