CN113691305B - 基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法 - Google Patents
基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于云‑边‑端的北斗三号短报文信道的图片传输方法，通过摄像头阵列采集图像数据，通过AI处理器执行分层，对采集的图片中感兴趣区域（ROI）或目标（TOI）独立压缩编码，利用串口模块将分块编码注入多张RDSS卡的报文字段中，通过的北斗三号通信模块北斗卫星数据上行，并经由地面中心站控制进行转发北斗卫星，数据下行至北斗三号模块，经由串行模块在图像数据处理中进行重组，最终在终端上进行显示；有益效果是：将大幅促进北斗三号窄带通信对各行业的赋能，同时作为应急处理的重要手段，北斗三号短报文将在抢险救援中发挥更大程度与更深层次的作用。
Description
技术领域
本发明涉及卫星报文传输领域，尤其涉及一种基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法。
背景技术
对于现有北斗短报文信道的技术方案的，国家气象信息中心谷军霞等人针对民用北斗短报文通信信道性能进行了测试和统计分析，并提出了统计北斗短报文传输成功率和传输延时所需最小样本量的计算方法，这位北斗短报文图传提供了大量数据基础。
北京航空航天大学于龙洋等学者提出了一种分布传输的方法，在不增加冗余的基础上，增加了北斗短报文定位数据的压缩和可靠传输，这位短报文的图传提供重要理论基础。周菲等人围绕北斗卫星短报文图传中瓶颈问题，提出采用小波变换实现压缩，并验证图像在北斗短报文中可传输，为北斗短报文图传的工程化应用奠定了基础。
北京天海达科技有限公司提出“分包处理+多卡传输+循环发送”的短报文图传方案，即：用户终端发送图片时，首先进行分包，通过北斗短报文多卡终端将图片的分包数据循环发送到服务器端。服务器端根据接收情况，反馈丢包的帧号，北斗短报文多卡终端再重新发送丢失的分包数据，直到服务器端收齐图片数据。服务器端组包还原。此方案主要解决北斗短报文的可靠发送的问题，并未涉及北斗短报文前端数据的采集、编码，而对于应急救援时的紧迫状况无法给予敏捷的响应。
天津英田视讯科技有限公司提出的短报文图传方案，一种基于北斗通信的图像抓拍数据传输方法，摄像头对探测区进行抓拍，然后对图像感兴趣区域进行提取、H.265编码，将图像发送给北斗数据采集模块进行存储、传输，主站系统对接收到的北斗数据进行解码、存储及显示，主站可招读指定时间内设备抓拍到的图像。尽管此发明方案提高了视频监控的部署范围和管控范围、增强了系统的灵活性、可控性和可靠性，但针对其它应急救援在内的其它业务范围，北斗三号信道状况、图片具体的要求、方案的框架模式、编码的过程以及模式选择并未涉及。
发明内容
本发明能解决在多种任务模式下，图像在北斗三号短报文信道中传输的问题。
本发明提供的一种基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法，采用基于云-边-端的图片传输框架，包括三段，分别为：采集、编码、发送段，通信与测控调度段和接受、解码与显示段；
所述采集、编码、发送段包括端、边和北斗三号短报文通信模块阵列；
所述通信与测控调度段由云组成；
所述接受、解码与显示段包括：北斗三号短报文通信模块阵列、边、端和显示模块。
进一步地，所述端由摄像头阵列、存储器、处理器组成，用于感知、采集、处理图像；
所述边根据传输信道特性对端采集的图像进行压缩编码，再根据模式选择，采用不同的串口通道，经由北斗三号短报文通信模块，上传编码数据至云；
所述云用于实现卫星与地面之间、卫星与卫星之间的链路转发，并维护编码数据的完整性。
进一步地，所述端，采用N个摄像头构成的摄像头阵列，N个摄像头分别采集不同角度的图像，并将N路图像送至存储器，再经由神经网络处理器NPU拼接为一张大图。
进一步地，所述边，接收由端传输的大图，并根据已有目标类别对大图进行目标识别，将大图分割为目标区域和非目标区域；
对目标区域和非目标区域分别进行编码，并将编码后的两部分数据合路划分，通过多路串口模块进行数据传输，并经由北斗三号短报文通信模块阵列的L频点，将数据上行发送至北斗三号系统可见星。
进一步地，对目标区域和非目标区域分别进行编码，具体为：对目标区域采用基于小波的图片多分辨率的压缩编码；对非目标区域采用以高压缩比优先的压缩编码方式进行压缩编码。
进一步地，通过多路串口模块进行数据传输时，根据实际模式选择，确定采用单张或多张北斗三号短报文用户卡进行发送。
进一步地，北斗卫星系统的可见星包括多个，当其中某个可见星i收到用户卡上传的数据后，获取该用户卡地址，并在服务的用户端列表中搜索是否有该数据的目标用户卡注册；
若已注册，则可见星i通过S频点下发收信确认回执至该用户卡，并建立数据下发信道；
若没注册，则可见星i通过星间链路将用户卡地址广播给临近的可见星j，若临近的可见星j在自身用户端列表中搜索到了该用户地址，则可见星i将数据通过ka波段星间链路发送给可见星j，通过可见星j的S频点下发收信确认回执至该用户卡，并建立数据下发信道；若临近的可见星j在自身用户端列表中未搜索到该用户地址，则临近的可见星j通过C频点将该用户地址发送至地面中心站；
地面中心站向其它可见星广播该用户地址进行查询，一旦搜到其它可见星中某个可见星k发送的确认回执，则地面中心站建立“可见星k-地面中心站-可见星j”之间的C频点数据转发链路，并仅由可见星k通过S频点的数据下发信道下发数据至用户地址。
所述数据下发信道，为通信与测控调度段和接受、解码与显示段之间的信息交互，具体为：当数据以短报文形式从可见星下行到目标用户卡时，将单个或多个数据包的帧结构中消息部分读出，通过串口模块进行传输，利用分路将其还原为目标区域和非目标区域两部分，通过解码器实现各自解码，存储并最终拼合，在用户端上实现单帧图片目标的多分辨率或超平面显示。
总结本发明的相关创新点如下：
1、信道：北斗三号短报文信道传输不同于北斗一号、北斗二号短报文，可采用星间链路和地面中心站配置模式，实现覆盖范围内单次14k bits或1000汉字的数据传输的功能，且单卡的发送间隔可低于秒级。
2、图传：720×480p，1024×720p分别是目前业界统一制定的标清、高清定义的分辨率，本发明是以标清、高清及其以上质量图片为传输前提的。
3、框架：图片传输采用“云-边-端”框架。“端”由摄像头阵列构成，负责感知、采集图像，而“边”根据传输信道的特性处理压缩编码，之后根据模式选择，采用单一或多个串口通道进行传输，经由北斗三号短报文通信模块上传，“云”负责实现星-地、地-星和星-星之间的链路转发，并负责维护此部分电文数据的完好性。
4、编码：利用NPU的算力换取传输带宽的资源。利用NPU对原始图像进行拼接和目标识别，并将整幅图像划分为目标区域和非目标区域两部分，分别采用基于不同原则的编码，对目标区域采用基于小波的图片多分辨率的编码，而对于非目标区域采用高压缩比编码，从而大大节省图像传输的开销，提高单次传输有效数据的效率。
5、多模：可根据任务进行不同模式选择。当要表述图片中目标和场景之间相互关系时，可采用“ROI”模式，可使用单用户卡或多用户卡进行数据传输；当要对图片中周边状况和细节完整描述，此时采用“步进式传输”模式，可使用基于小波的图片多分辨率编码，且采取多用户卡数据传输；当要快速描述紧急信息的缩略图时，可采用“整体高压缩比”模式，且采用单用户卡数据传送。
6、采集、存储和显示：采集时，尽管单一摄像头记录原始图像，但由于使用摄像头阵列，导致在处理时拼合而成的大图存在超平面的数据信息，这些超平面数据将被存储于发送端存储器中，根据模式选择是否发送，最终这些数据将被以平面或超平面形式在用户端显示呈现。
本发明提供的有益效果是：将大幅促进北斗三号窄带通信对各行业的赋能，同时作为应急处理的重要手段，北斗三号短报文将在抢险救援中发挥更大程度与更深层次的作用。
附图说明
图1是本发明数据传输过程示意图；
图2是采集、编码与发送段的结构示意图；
图3是通信与测控调度段的结构示意图；
图4是接受、解码与显示段的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，图1是本发明数据传输过程示意图；本发明提供的一种基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法，采用基于云-边-端的图片传输框架，包括三段，分别为：采集、编码、发送段，通信与测控调度段和接受、解码与显示段；
所述采集、编码、发送段包括端、边和北斗三号短报文通信模块阵列；
所述通信与测控调度段由云组成；
所述接受、解码与显示段包括：北斗三号短报文通信模块阵列、边、端和显示模块。
所述端由摄像头阵列、存储器、处理器组成，用于感知、采集、处理图像；
所述边根据传输信道特性对端采集的图像进行压缩编码，再根据模式选择，采用不同的串口通道，经由北斗三号短报文通信模块，上传编码数据至云；
所述云用于实现卫星与地面之间、卫星与卫星之间的链路转发，并维护编码数据的完整性。
请参考图2，图2是采集、编码与发送段的结构示意图；所述端，采用N个摄像头构成的摄像头阵列，N个摄像头分别采集不同角度的图像，并将N路图像送至存储器，再经由神经网络处理器NPU拼接为一张大图。
本发明中采用通过局部不变性（ORB）算法完成特征点匹配，实现多图的平面全景目标/立体场景目标/广角场景的拼合。在一些其它实施例中，也可采用其它方法。
所述边，接收由端传输的大图，并根据已有目标类别对大图进行目标识别，将大图分割为目标区域和非目标区域；
本发明实施例中，目标集包括建筑物、飞机、飞行器、车辆、舰船、人员、面部等在内的多种对象，通过YOLO v3模型的预先训练，形成对随机多尺度输入的目标识别。在其它一些实施例中，也可采用其它目标以及其它模型。
对目标区域和非目标区域分别进行编码，并将编码后的两部分数据合路划分，通过多路串口模块进行数据传输，并经由北斗三号短报文通信模块阵列的L频点，将数据上行发送至北斗三号系统可见星。
对目标区域和非目标区域分别进行编码，具体为：对目标区域采用基于小波的图片多分辨率的压缩编码；对非目标区域采用以高压缩比优先的压缩编码方式进行压缩编码。具体来说，高压缩比指：非目标区域采用小于等于该部分原始图像体积1%的高压缩比编码方案进行压缩。
通过多路串口模块进行数据传输时，根据实际模式选择，确定采用单张或多张北斗三号短报文用户卡进行发送。
本发明中，实际模式包括：传输速度优先、完好性优先两种模式。上述两者的差异在于前者会通过试图利用牺牲部分图片质量，以最少的北斗三号的用户卡方式实现传输，并通过用户卡并行，达到节约传输时间的目的；而后者将以质量优先的原则，以多卡的方式完成的图片数据的分包传输，传输过程中将实现重传，确保图片数据的完好性。
北斗卫星系统的可见星包括多个，当其中某个可见星i收到用户卡上传的数据后，获取该用户卡地址，并在服务的用户端列表中搜索是否有该数据的目标用户卡注册；
若已注册，则可见星i通过S频点下发收信确认回执至该用户卡，并建立数据下发信道；
若没注册，则可见星i通过星间链路将用户卡地址广播给临近的可见星j，若临近的可见星j在自身用户端列表中搜索到了该用户地址，则可见星i将数据通过ka波段星间链路发送给可见星j，通过可见星j的S频点下发收信确认回执至该用户卡，并建立数据下发信道；若临近的可见星j在自身用户端列表中未搜索到该用户地址，则临近的可见星j通过C频点将该用户地址发送至地面中心站；
地面中心站向其它可见星广播该用户地址进行查询，一旦搜到其它可见星中某个可见星k发送的确认回执，则地面中心站建立“可见星k-地面中心站-可见星j”之间的C频点数据转发链路，并仅由可见星k通过S频点的数据下发信道下发数据至用户地址。
对于数据下行传输的建立，举例如下：
请参考图3，图3是通信与测控调度段的结构示意图；
卫星（可见星）SV02收到用户卡通过L频点上传的数据，通过S频点下发确认回执给发送端用户卡，当SV02读出用户数据中发送的目标用户卡地址，SV02在服务的用户端列表中搜索是否有该数据的目标用户卡注册，如果有，则直接进行数据下发；若没有，则通过星间链路将用户卡地址广播给临近的卫星SV01和SV03；
SV03若在自己服务的用户卡列表中发现该目标用户卡地址，则发送回执确认，则SV02将数据短报文直接通过Ka波段星间链路发送给确认的卫星SV03，并经由SV03通过S频点下行发送给目标用户卡；
若SV01和SV03在自己服务的用户卡列表中未发现目标用户卡地址，则通过C频点将地址数据发送给地面中心站，通过地面中心站向非SV01,SV02,SV03的其它卫星广播查询，一旦收到SVx发送的确认回执，则在“SV02-地面中心站-SVx”间建立C频点的数据转发链路，并仅由SVx通过S频点的下行数据至目标用户卡地址。
请参考图4，图4是接受、解码与显示段的结构示意图；所述数据下发信道，为通信与测控调度段和接受、解码与显示段之间的信息交互，具体为：当数据以短报文形式从可见星下行到目标用户卡时，将单个或多个数据包的帧结构中消息部分读出，通过串口模块进行传输，利用分路将其还原为目标区域和非目标区域两部分，通过解码器实现各自解码，存储并最终拼合，在用户端上实现单帧图片目标的多分辨率或超平面显示；
验证测试使用的原始图像是从图库中按照1：1000的比例随机选取的1000张样本。模拟测试验证采用H.265和高压缩编码方案两种压缩模式对原始图像为720p，要求压缩中保持图像尺寸不变。
模拟仿真测试平台配置为：Windows 10 64位 / Intel i7-10750H 2.6GHz / RAM16.0G /GeForce RTX2070，图像压缩部分测试采用XnConvert，北斗三号短报文通信部分测试采用北斗三号RDSS终端模拟器、串口工具和北斗三号测试工具。
模拟验证结果如表1所示。
表1 模拟验证结果
本发明的有益效果是：将大幅促进北斗三号窄带通信对各行业的赋能，同时作为应急处理的重要手段，北斗三号短报文将在抢险救援中发挥更大程度与更深层次的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法，其特征在于：采用基于云-边-端的图片传输框架，包括三段，分别为：采集、编码、发送段，通信与测控调度段和接受、解码与显示段；
所述采集、编码、发送段包括端、边和北斗三号短报文通信模块阵列；
所述通信与测控调度段由云组成；
所述接受、解码与显示段包括：北斗三号短报文通信模块阵列、边、端和显示模块；
所述端由摄像头阵列、存储器、处理器组成，用于感知、采集、处理图像；
所述边根据传输信道特性对端采集的图像进行压缩编码，再根据模式选择，采用不同的串口通道，经由北斗三号短报文通信模块，上传编码数据至云；
所述云用于实现卫星与地面之间、卫星与卫星之间的链路转发，并维护编码数据的完整性；
所述端，采用N个摄像头构成的摄像头阵列，N个摄像头分别采集不同角度的图像，并将N路图像送至存储器，再经由神经网络处理器NPU拼接为一张大图；
所述边，接收由端传输的大图，并根据已有目标类别对大图进行目标识别，将大图分割为目标区域和非目标区域；
对目标区域和非目标区域分别进行编码，并将编码后的两部分数据合路划分，通过多路串口模块进行数据传输，并经由北斗三号短报文通信模块阵列的L频点，将数据上行发送至北斗三号系统可见星；
对目标区域和非目标区域分别进行编码，具体为：对目标区域采用基于小波的图片多分辨率的压缩编码；对非目标区域采用以高压缩比优先的压缩编码方式进行压缩编码；
通过多路串口模块进行数据传输时，根据实际模式选择，确定采用单张或多张北斗三号短报文用户卡进行发送；
北斗卫星系统的可见星包括多个，当其中某个可见星i收到用户卡上传的数据后，获取该用户卡地址，并在服务的用户端列表中搜索是否有该数据的目标用户卡注册；
若已注册，则可见星i通过S频点下发收信确认回执至该用户卡，并建立数据下发信道；
若没注册，则可见星i通过星间链路将用户卡地址广播给临近的可见星j，若临近的可见星j在自身用户端列表中搜索到了该用户地址，则可见星i将数据通过ka波段星间链路发送给可见星j，通过可见星j的S频点下发收信确认回执至该用户卡，并建立数据下发信道；若临近的可见星j在自身用户端列表中未搜索到该用户地址，则临近的可见星j通过C频点将该用户地址发送至地面中心站；
地面中心站向其它可见星广播该用户地址进行查询，一旦搜到其它可见星中某个可见星k发送的确认回执，则地面中心站建立“可见星k-地面中心站-可见星j”之间的C频点数据转发链路，并仅由可见星k通过S频点的数据下发信道下发数据至用户地址。
2.如权利要求1所述的一种基于云-边-端的北斗三号短报文信道的图片传输方法，其特征在于：所述数据下发信道，为通信与测控调度段和接受、解码与显示段之间的信息交互，具体为：当数据以短报文形式从可见星下行到目标用户卡时，将单个或多个数据包的帧结构中消息部分读出，通过串口模块进行传输，利用分路将其还原为目标区域和非目标区域两部分，通过解码器实现各自解码，存储并最终拼合，在用户端上实现单帧图片目标的多分辨率或超平面显示。
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Denomination of invention: Image transmission method for Beidou-3 short message channel based on cloud edge end Effective date of registration: 20231226 Granted publication date: 20220211 Pledgee: Wuhan area branch of Hubei pilot free trade zone of Bank of China Ltd. Pledgor: WUHAN XINGTU XINKE ELECTRONIC Co.,Ltd. Registration number: Y2023980073771 |
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