微型无人机图像无线传输系统方案与关键技术_高珍
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
信息需通过机载图像无线传输系统实现 .但高分辨率
图像数据量甚大 , 而微型无人机体积质量又有严格限 制 , 故图像数据的高速可靠传输是微型无人机面临的
一大挑战 .国外对此问题早有研究 , 但由于技术的保密
性 , 资料较少.国内在该方面的研究起步较晚 , 技术相 对落后 , 主要采用模拟传输方式 , 系统易受干扰 , 且传
输距离有限 .而研究较成熟的无人机载图像实时传输 系统 ,其图像质量指标 、信道编码效率等均不高 , 且抗 多径干扰差[ 3] .因此迫切需要研究新的微型无人机数
字图像无线传输系统 .
作者针对微型无人机图像无线传输系统工作的 特殊性 , 提出了一种新的数字图像传输方案 .该方案
采用基于 5/ 3 提升小波变换的改进集合分裂嵌入块 (SPECK)图像压缩算法和基于 Turbo 码的信道纠错 编码及扩频技术 , 通过对重要图像信息进行压缩 、编
收稿日期 :2007-12-27 基金项目 :国家部委预研基金项目(62301110404) 作者简介 :高珍(1978 —), 男 , 博士生 , E-mail :gaozh211 @yahoo .com .cn ;邓甲昊(1958 —), 男, 教授 , 博士生导师 , E-mai l :bitdjh @sohu .com.
所示 , 首先信息序列 u 经过一个 N 位交织器 , 形成 新序列 u1 ;u 与 u1 分别进入两个分量编码器 RSC1 和 RSC2(结构相同), 生成序列 x1 和 x2 ;然后 x1 和 x2 经过删余器周期性地删除一些校验位 , 形成校验 序列 x′ ;u 和 x′经过复用转换生成 T urbo 码序列 x .
表 2 坦克图像的 RPSN 比较 Tab.2 RPSN comparison of tank picture
压缩算法
SPIH T S PEC K S PBLS
32 ∶1 30.47 30.39 30.80
RPSN/ dB 16 ∶1 33.57 33.46 33.39
8 ∶1 36.80 36.61 36.42
此 , 本方案利用 5 /3 提升 小波提取 图像的重 要系 数 , 这样可有效提高算法的实时性 .
表 1 D9/ 7 小波和 5/ 3 小波提升结构性能比较 Tab .1 Performance comparison of D9/ 7 and 5/ 3
wavelet lifting scheme
Scheme and Key Technologies of Wireless Image Transmission System for Micro Unmanned Air Vehicles
GAO Zhen , DENG Jia-hao , SUN Ji , SONG So ng
(Na tional K ey Labor atory of M echatro nic Enginee ring a nd Co ntrol , Beijing Institute of T echno lo gy , Beijing 100081 , China)
t ransf orm ;set partitioning embedded block coder(SPECK)algorithm ;spread spectrum tech-
nology
微型无人机(MUAV)概念创立于 1992 年[ 1] , 由于 其体积小 、重量轻 、隐蔽性好, 故被广泛用于军事侦察 、 航空摄影等领域[ 2] .这些应用所获得的高分辨率图像
大 , 而无线信道带宽窄 、误码率高 , 故需对其进行图 像压缩 .根据本文图像压缩的特点可采用 D9/ 7 小 波或5 /3 小波提取其重要特征信息 .具体实现采用 提升方案 , 步骤分为分裂 、预测和更新 3 步 .预测和 更新实现信号高低频的分离 , 仅需移位 、加减运算 , 简单快捷 , 同址运算可节省大量存储资源 , 易于硬件 实现 .针对本系统图像压缩的高实时性要求 , 若给定 一幅 L ×W 图像 , 分别采用 D9/ 7 和 5/ 3 提升小波 实现 , 其性能对比如表 1 所示 , 其中 J 表示小波分解 层数 .
+2)
.
(i0 -1 ≤2n +1 <i l +1)
(1 )
更新 y(2n)=xext(2n)+
y(2n -1)+y(2n +1)+2 4
.
(i0 ≤2n < il)
(2 )
式中 :[ ＊] 表 示取 小 于 其数 值 的 整数 ;xex t (2n),
xext(2n +2)表示经边界延拓后的序列值 ;i0 , il 为序
由表 1 可知 , D9/ 7 小波算法较复杂 , 占硬件资 源较多 , 运算时间较长 , 硬件实现复杂 ;相比 D9 / 7 , 5 / 3 小波算法 简单 , 占硬 件资 源少 , 运 算量 少 .因
图 2 5/ 3 提升小波变换原理图 Fig .2 Schem at ic diagram of 5/ 3 lif ti ng w avelet
(北京理工大学 机电工程与控制国家重 点实验室 , 北京 100081)
摘 要 :针对微型无人机(MU AV)图像模拟传 输的不 足及图像 实时 、可靠 的传输 要求 , 提出了 一套采 用基于 5/ 3 提升小波的改进集合分 裂嵌入块(S PECK)图 像压缩算 法 、基于 T urbo 码的 信道纠 错编码 及扩频 技术的数 字图像 无线传输系统方案 .在阐述本方案结构原理的基础上 , 着 重讨论了 它所涉 及的关 键技术 及对策 .实验 结果表 明 , 本 方案具有图像压缩 率高 、运 算 速度 快 、实 时性 好 、抗 差错 能力 强 及传 输可 靠 等特 点 , 适 用于 MU AV 的特 殊 工作 需求 . 关键词 :微型无人机(MU AV);图 像无线传输 ;5/ 3 提升小波变换 ;集合分 裂嵌入块编码算法 ;扩频技术 中图分类号 :V 279.2 文献标识码 :A 文章编号 :1001-0645(2008)12-1078-05
列首 、尾项 , 其提升结构原理图如图 2 所示 .
图 1 微型无人机数字图像无线传输系统结构图 F ig .1 Di g it al i mage transmi ssion system ar chi tectur e f or MUA V
2 图像无线传输系统关键技术及对策
2.1 高实时性图像压缩编码算法 据前分析知 , 微型摄像头输出的图像数据量甚
时间慢 、硬件实现复杂 ;SPECK 算法简单 、占存储量
小 、信噪比高 ;SPBL S 性能与 SPECK 相似 , 但硬件 实现复杂 .选取大小为 512 ×512 的坦克图像为实验
对象 , 从峰值信噪比(RPSN )、压缩比和编码速度对这
3 种算法作比较 , 小波基 选择 5/ 3 提升 小波 , 运用
小波 种类
乘加 法法 器器
寄 存 器
存储器 大小
运算周期
5/ 3
24
4
3 .5L
10J
+
4 3
L
W
1
-
1 4J
+2L
1
-1 2J
D9/ 7
6
8 40
5 .5L
22J
+Leabharlann Baidu
4 3
L
W
1
-
1 4J
+6L
1
-1 2J
5/ 3 提升小波算法为
预测 y(2n +1)=x ext (2n +1)-
xex t(2n)+xext(2n 2
第 28 卷 第 12 期 2008 年 12 月
北 京理 工大 学学 报 T ransactions of Beijing Institute o f T echno lo gy
V o l.28 N o .12 Dec .2008
微型无人机图像无线传输系统方案与关键技术
高珍 , 邓甲昊 , 孙骥 , 宋崧
Abstract :Aimed at the shortage of image analog transmission and the requirements of real-time reliable transmission for micro unmanned air vehicle , a digital image wireless transmission scheme is proposed , adopting the improved set partitioning embedded block coder(SPECK)compression algorithm based on 5/ 3 lifting wavelet ;with the channel error correction coding based on Turbo code and spread spect rum .On the base of representing this scheme , the key technologies and countermeasures are discussed .Experimental results show ed that this scheme possessed many characteristics, such as high compressibility , f ast operating speed, good real-time , st rong ability of resisting error etc , and is applicable for the specific needs of micro unmanned air vehicle . Key words :micro unmanned air vehicle (MUAV );image wireless transmission ;5/ 3 lif ting wavelet
作者根据其结构设 计的 T urbo 编码器 仿真模 型如图 4 所示 .基于该模型进行仿真 , 其中贝努利序 列产生器产生周期为 1 s 、长度为 378 bit 的数据帧 , 卷积编码器的参数设置为(3 ,[ 7 5] , 7), 通过到工作 区模块将生成的 T urbo 码序列保存在工作区中 , 然 后进行 T urbo 码准则识 别 、仿 真结果表 明设 计的 T urbo 编码器是正确的 .
第 12 期
高珍等 :微型无 人机图像无线传输系统方案与关键技术
1 07 9
码与渐进传输 , 使系统运算速度快 、实时性好 、抗差错 性强及传输可靠 .
1 系统组成及工作原理
作者提出的微型无人机数字图像无线传输系统 整体结构如图 1 所示 , 主要由机载探测与发射和地 面接收与识别两大子系统组成 .其基本原理是 :微型 摄像头采集目标图像信息 ;对采集到的信息进行压 缩编码 , 为实时 、准确地传输感兴趣图像信息 , 需选 择性能好 、易于硬件实现的图像压缩算法 , 对压缩后 的码流进行渐进传输 , 即优先传输重要的特征信息 , 以便目标识别 ;为了避免在恶劣电磁环境传输中产 生误码和码间干扰 , 需对压缩后的码流进行纠错编 码 ;然后通过基于扩频技术的高频信号发射电路 , 将 处理后的图像信息实时快速地传回地面指挥站 , 进 行目标图像信息处理与识别 ;将处理后的有用控制 信息远程无线传回机载设备 , 使机载设备和地面控 制中心实现不断的信息通信 .
因本文中研究的图像需在带宽窄 、误码率高的 无线信道中实时传输 , 故图像压缩需采用高效率和
压缩性能好的编码技术 , 目前 SP IH T (set parti tio-
ning i n hierarchical trees)、SP ECK 和 SPBLS (set
pa rtiti oning based on line scanning)算法具有良好 的压缩特性[ 4] .由分析得知 SP IH T 运算量大 、运行
MA T LAB 对其进行压缩和解压 缩处理 , 其 实验结 果如表 2 所示 .由表 2 知 , SP IH T 和 SP ECK 压缩性
10 80
北京 理 工大 学 学 报
第 28 卷
能相当 , SPBLS 算法在压缩比大于 32 ∶1 的情况下 具 有 明 显的 优 势 , 但在 小 于 32 ∶1 的 情 况 下与 SP IH T 和 SP ECK 算法压缩性能接近 .从编码速度 考虑 , SP ECK 编 码速度最快 , SPIH T 次之 , SP BLS 较慢 .因此 , 本方案采用 SP ECK 算法进行图像压缩 编码 .
图像数据量甚大 , 而微型无人机体积质量又有严格限 制 , 故图像数据的高速可靠传输是微型无人机面临的
一大挑战 .国外对此问题早有研究 , 但由于技术的保密
性 , 资料较少.国内在该方面的研究起步较晚 , 技术相 对落后 , 主要采用模拟传输方式 , 系统易受干扰 , 且传
输距离有限 .而研究较成熟的无人机载图像实时传输 系统 ,其图像质量指标 、信道编码效率等均不高 , 且抗 多径干扰差[ 3] .因此迫切需要研究新的微型无人机数
字图像无线传输系统 .
作者针对微型无人机图像无线传输系统工作的 特殊性 , 提出了一种新的数字图像传输方案 .该方案
采用基于 5/ 3 提升小波变换的改进集合分裂嵌入块 (SPECK)图像压缩算法和基于 Turbo 码的信道纠错 编码及扩频技术 , 通过对重要图像信息进行压缩 、编
收稿日期 :2007-12-27 基金项目 :国家部委预研基金项目(62301110404) 作者简介 :高珍(1978 —), 男 , 博士生 , E-mail :gaozh211 @yahoo .com .cn ;邓甲昊(1958 —), 男, 教授 , 博士生导师 , E-mai l :bitdjh @sohu .com.
所示 , 首先信息序列 u 经过一个 N 位交织器 , 形成 新序列 u1 ;u 与 u1 分别进入两个分量编码器 RSC1 和 RSC2(结构相同), 生成序列 x1 和 x2 ;然后 x1 和 x2 经过删余器周期性地删除一些校验位 , 形成校验 序列 x′ ;u 和 x′经过复用转换生成 T urbo 码序列 x .
表 2 坦克图像的 RPSN 比较 Tab.2 RPSN comparison of tank picture
压缩算法
SPIH T S PEC K S PBLS
32 ∶1 30.47 30.39 30.80
RPSN/ dB 16 ∶1 33.57 33.46 33.39
8 ∶1 36.80 36.61 36.42
此 , 本方案利用 5 /3 提升 小波提取 图像的重 要系 数 , 这样可有效提高算法的实时性 .
表 1 D9/ 7 小波和 5/ 3 小波提升结构性能比较 Tab .1 Performance comparison of D9/ 7 and 5/ 3
wavelet lifting scheme
Scheme and Key Technologies of Wireless Image Transmission System for Micro Unmanned Air Vehicles
GAO Zhen , DENG Jia-hao , SUN Ji , SONG So ng
(Na tional K ey Labor atory of M echatro nic Enginee ring a nd Co ntrol , Beijing Institute of T echno lo gy , Beijing 100081 , China)
t ransf orm ;set partitioning embedded block coder(SPECK)algorithm ;spread spectrum tech-
nology
微型无人机(MUAV)概念创立于 1992 年[ 1] , 由于 其体积小 、重量轻 、隐蔽性好, 故被广泛用于军事侦察 、 航空摄影等领域[ 2] .这些应用所获得的高分辨率图像
大 , 而无线信道带宽窄 、误码率高 , 故需对其进行图 像压缩 .根据本文图像压缩的特点可采用 D9/ 7 小 波或5 /3 小波提取其重要特征信息 .具体实现采用 提升方案 , 步骤分为分裂 、预测和更新 3 步 .预测和 更新实现信号高低频的分离 , 仅需移位 、加减运算 , 简单快捷 , 同址运算可节省大量存储资源 , 易于硬件 实现 .针对本系统图像压缩的高实时性要求 , 若给定 一幅 L ×W 图像 , 分别采用 D9/ 7 和 5/ 3 提升小波 实现 , 其性能对比如表 1 所示 , 其中 J 表示小波分解 层数 .
+2)
.
(i0 -1 ≤2n +1 <i l +1)
(1 )
更新 y(2n)=xext(2n)+
y(2n -1)+y(2n +1)+2 4
.
(i0 ≤2n < il)
(2 )
式中 :[ ＊] 表 示取 小 于 其数 值 的 整数 ;xex t (2n),
xext(2n +2)表示经边界延拓后的序列值 ;i0 , il 为序
由表 1 可知 , D9/ 7 小波算法较复杂 , 占硬件资 源较多 , 运算时间较长 , 硬件实现复杂 ;相比 D9 / 7 , 5 / 3 小波算法 简单 , 占硬 件资 源少 , 运 算量 少 .因
图 2 5/ 3 提升小波变换原理图 Fig .2 Schem at ic diagram of 5/ 3 lif ti ng w avelet
(北京理工大学 机电工程与控制国家重 点实验室 , 北京 100081)
摘 要 :针对微型无人机(MU AV)图像模拟传 输的不 足及图像 实时 、可靠 的传输 要求 , 提出了 一套采 用基于 5/ 3 提升小波的改进集合分 裂嵌入块(S PECK)图 像压缩算 法 、基于 T urbo 码的 信道纠 错编码 及扩频 技术的数 字图像 无线传输系统方案 .在阐述本方案结构原理的基础上 , 着 重讨论了 它所涉 及的关 键技术 及对策 .实验 结果表 明 , 本 方案具有图像压缩 率高 、运 算 速度 快 、实 时性 好 、抗 差错 能力 强 及传 输可 靠 等特 点 , 适 用于 MU AV 的特 殊 工作 需求 . 关键词 :微型无人机(MU AV);图 像无线传输 ;5/ 3 提升小波变换 ;集合分 裂嵌入块编码算法 ;扩频技术 中图分类号 :V 279.2 文献标识码 :A 文章编号 :1001-0645(2008)12-1078-05
列首 、尾项 , 其提升结构原理图如图 2 所示 .
图 1 微型无人机数字图像无线传输系统结构图 F ig .1 Di g it al i mage transmi ssion system ar chi tectur e f or MUA V
2 图像无线传输系统关键技术及对策
2.1 高实时性图像压缩编码算法 据前分析知 , 微型摄像头输出的图像数据量甚
时间慢 、硬件实现复杂 ;SPECK 算法简单 、占存储量
小 、信噪比高 ;SPBL S 性能与 SPECK 相似 , 但硬件 实现复杂 .选取大小为 512 ×512 的坦克图像为实验
对象 , 从峰值信噪比(RPSN )、压缩比和编码速度对这
3 种算法作比较 , 小波基 选择 5/ 3 提升 小波 , 运用
小波 种类
乘加 法法 器器
寄 存 器
存储器 大小
运算周期
5/ 3
24
4
3 .5L
10J
+
4 3
L
W
1
-
1 4J
+2L
1
-1 2J
D9/ 7
6
8 40
5 .5L
22J
+Leabharlann Baidu
4 3
L
W
1
-
1 4J
+6L
1
-1 2J
5/ 3 提升小波算法为
预测 y(2n +1)=x ext (2n +1)-
xex t(2n)+xext(2n 2
第 28 卷 第 12 期 2008 年 12 月
北 京理 工大 学学 报 T ransactions of Beijing Institute o f T echno lo gy
V o l.28 N o .12 Dec .2008
微型无人机图像无线传输系统方案与关键技术
高珍 , 邓甲昊 , 孙骥 , 宋崧
Abstract :Aimed at the shortage of image analog transmission and the requirements of real-time reliable transmission for micro unmanned air vehicle , a digital image wireless transmission scheme is proposed , adopting the improved set partitioning embedded block coder(SPECK)compression algorithm based on 5/ 3 lifting wavelet ;with the channel error correction coding based on Turbo code and spread spect rum .On the base of representing this scheme , the key technologies and countermeasures are discussed .Experimental results show ed that this scheme possessed many characteristics, such as high compressibility , f ast operating speed, good real-time , st rong ability of resisting error etc , and is applicable for the specific needs of micro unmanned air vehicle . Key words :micro unmanned air vehicle (MUAV );image wireless transmission ;5/ 3 lif ting wavelet
作者根据其结构设 计的 T urbo 编码器 仿真模 型如图 4 所示 .基于该模型进行仿真 , 其中贝努利序 列产生器产生周期为 1 s 、长度为 378 bit 的数据帧 , 卷积编码器的参数设置为(3 ,[ 7 5] , 7), 通过到工作 区模块将生成的 T urbo 码序列保存在工作区中 , 然 后进行 T urbo 码准则识 别 、仿 真结果表 明设 计的 T urbo 编码器是正确的 .
第 12 期
高珍等 :微型无 人机图像无线传输系统方案与关键技术
1 07 9
码与渐进传输 , 使系统运算速度快 、实时性好 、抗差错 性强及传输可靠 .
1 系统组成及工作原理
作者提出的微型无人机数字图像无线传输系统 整体结构如图 1 所示 , 主要由机载探测与发射和地 面接收与识别两大子系统组成 .其基本原理是 :微型 摄像头采集目标图像信息 ;对采集到的信息进行压 缩编码 , 为实时 、准确地传输感兴趣图像信息 , 需选 择性能好 、易于硬件实现的图像压缩算法 , 对压缩后 的码流进行渐进传输 , 即优先传输重要的特征信息 , 以便目标识别 ;为了避免在恶劣电磁环境传输中产 生误码和码间干扰 , 需对压缩后的码流进行纠错编 码 ;然后通过基于扩频技术的高频信号发射电路 , 将 处理后的图像信息实时快速地传回地面指挥站 , 进 行目标图像信息处理与识别 ;将处理后的有用控制 信息远程无线传回机载设备 , 使机载设备和地面控 制中心实现不断的信息通信 .
因本文中研究的图像需在带宽窄 、误码率高的 无线信道中实时传输 , 故图像压缩需采用高效率和
压缩性能好的编码技术 , 目前 SP IH T (set parti tio-
ning i n hierarchical trees)、SP ECK 和 SPBLS (set
pa rtiti oning based on line scanning)算法具有良好 的压缩特性[ 4] .由分析得知 SP IH T 运算量大 、运行
MA T LAB 对其进行压缩和解压 缩处理 , 其 实验结 果如表 2 所示 .由表 2 知 , SP IH T 和 SP ECK 压缩性
10 80
北京 理 工大 学 学 报
第 28 卷
能相当 , SPBLS 算法在压缩比大于 32 ∶1 的情况下 具 有 明 显的 优 势 , 但在 小 于 32 ∶1 的 情 况 下与 SP IH T 和 SP ECK 算法压缩性能接近 .从编码速度 考虑 , SP ECK 编 码速度最快 , SPIH T 次之 , SP BLS 较慢 .因此 , 本方案采用 SP ECK 算法进行图像压缩 编码 .