CN114500727A - 一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法 - Google Patents

一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法，无线图像传输方法涉及的装置包括图传发射端和移动终端，图传发射端嵌入在光电吊舱中，负责图像的采集、滤波处理、视频H.265编码，并且在图传发射端对编码视频数据进行RTP封装、搭建RTSP服务器以完成视频数据的无线发送，图传接收端基于移动终端，通过调用移动终端的软硬件模块接收光电吊舱采集的实时图像，二者通过Wi‑Fi进行数据传输，以无线的方式在移动终端上实时显示光电吊舱采集的视频图像。本发明使光电吊舱的使用更加便利，同时也降低了光电吊舱系统的开发成本和开发周期。

Description

一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法
技术领域
本发明属于光电吊舱显控技术领域，特别是一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法。
背景技术
光电吊舱主要搭载于无人车、无人机、无人艇等载具，主要用于完成目标搜索跟踪、环境特征识别、环境特征感知等任务，是光电子学领域里的一种侦察设备，具有机动灵活、实时准确、针对性强等特点。光电吊舱通常配有可见光、红外、激光等多种光电任务载荷，在执行任务时，不论姿态和线路如何发生变化，都要控制光电任务载荷的视轴指向不偏离预期的侦察线路和目标，从而达到预定的侦察目的和侦察效果。
现有技术中，光电吊舱的图像传输功能通常基于显控箱完成。显控箱中的设备包括前罩、触屏计算机，控制电路板安装壳等；采集卡采集光电吊舱图像数据并传输给计算机，操作人员可以通过计算机观察光电吊舱所采集的视频图像，并通过操作摇杆控制光电吊舱的姿态，以实现目标的锁定和跟踪。通常集成后的控制箱使用有线传输的方式，会给使用者带来操作上的不便；同时软件在实现上依赖特定的硬件，开发周期和开发成本大大提高，设备的维护和升级难度增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法，结合移动终端的优势，克服了光电吊舱基于显控箱实现的图像传输平台具有维护和升级难的弊端，无线传输使光电吊舱的使用更加便利，同时也降低了光电吊舱系统的开发成本和开发周期。
实现本发明的技术方案为：一种基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，包括以下步骤：
步骤1、图传发射端利用采集光电吊舱摄像头拍摄到的视频数据，对视频数据进行滤波处理后，再进行H.265视频编码，得到H.265编码数据，具体如下：
通过时域滤波与空域滤波相结合的方式对视频数据进行滤波处理，在减少视频图像块效应的同时提高视频图像的质量，再使用Hi3516E内部集成的硬件编码器对滤波后的视频进行H.265视频编码，得到H.265编码数据。
步骤2、将H.265编码数据传输到无线图像传输设备的RTSP服务器模块，RTSP服务器模块等待接收移动终端发来的各种指令，对接收的各种指令进行解析，并根据接收到的不同指令进行相应的操作。
步骤3、H.265编码数据被存入缓冲区中，RTSP服务器模块从缓冲区中读取H.265编码数据，与移动终端建立RTSP会话并对上述H.265编码数据传输进行管理；如果RTSP服务器模块在RTSP会话中接收到移动终端发来的发送指令，RTSP服务器模块对H.265编码视频数据进行RTP封装，得到RTP数据包，并将RTP数据包通过Wi-Fi链路发送至移动终端。
步骤4、移动终端通过自带的WIFI模块接收到图传发射端发送的RTP数据包后，对RTP数据包进行解包，得到H.265压缩后的视频数据，然后再对H.265压缩后的视频数据进行解码，得到原始视频数据，移动终端的视频播放器解析原始视频数据后即可在显示与控制模块中实时播放，实现光电吊舱的无线图像传输。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)传统的光电吊舱显示平台基于显控箱，其操作吊舱的方式依赖于特定硬件装置和电路设备，设备体积大，在现场使用和维护均不够方便，且增加了附加成本。
(2)传统的光电吊舱显示与控制设备软件开发效率低，软件版本的升级迭代和软件的维护受限制于硬件设备甚至无法维护升级。
(3)将图像传输设备移植到移动终端设备，将有线传输的方式升级成无线传输，提高了光电吊舱使用的便利性与使用人员的工作效率。
附图说明
图1为本发明的整体流程图。
图2为本发明的滤波处理流程图。
图3为本发明的装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明所述的光电吊舱为车载光电吊舱、机载光电吊舱或舰载光电吊舱。
结合图1～图3，本发明的一种基于移动终端的光电吊舱无线图像传输方法，包括以下步骤：
步骤1、图传发射端利用采集光电吊舱摄像头拍摄到的视频数据，对视频数据进行滤波处理后，再进行H.265视频编码，得到H.265编码数据，具体如下：
步骤1.1、在Hi3516E接收到视频帧图像输入时，Hi3516E首先将当前帧划分成16×16个相同大小的块，得到若干个当前块，通过这些块计算出噪声标准差估计单元，计算方法如下：
将视频帧等分成16×16个小块，算出这些块中最小的方差作为估计噪声方差。这样做的原因是图像在平坦区域的方差最小，而该处的方差近似于噪声方差，开方后就是估计噪声标准差δ。
步骤1.2、再将当前帧的前后两帧分别划分成16×16个相同大小的块，得到若干个参考块，将16×16个相同大小的当前块和参考块进行对比，找出和当前块最相近的匹配块，以确定当前块的运动轨迹。
运动估计通过把当前帧和当前帧的前后两帧分别分割成16×16个相同大小的块，从当前帧的前后两帧中按照某种方法找到与当前帧中最相似的那一块就叫“匹配块”，这样就能确定当前块的运动轨迹。考虑到滤波算法的实时性与实现的复杂度，本发明的匹配原则使用MAD匹配原则、搜索策略使用三步法。
Figure BDA0003539616720000031
式中，MAD为当前块的匹配值，(i,j)为当前块的坐标，cij为当前块中的像素值，pij为参考块中的像素值。
步骤1.3、根据估计出的噪声标准差估计单元对当前块进行判断，如果运动的强度高于某个阈值，当前块采用空域滤波，如果运动的强度低于某个阈值，当前块则采用时域滤波。
如果当前块的匹配值大于设定的阈值，对该块进行空域滤波处理，否则，说明当前块匹配的准确度不高，对该块进行时域滤波处理：
TH＝1.4×δ
TH为运动检测的阈值，由于估计出的噪声标准差δ普遍比实际值偏小，所以在δ前乘了一个系数。
经过运动检测，如果计算出当前块和匹配块的运动强度小于阈值，采用时域滤波，计算方式如下：
Bt＝Bcur×k+Bref×(1-k)
Bt是时域滤波的结果，Bcur为当前块的像素值，Bref是参考帧中的匹配块，k为滤波器系数。
对于空域滤波，有很多成熟的滤波理论可供选择。本算法采用双边滤波法，该方法考虑到了图像的空间信息和亮度信息。空域滤波的计算方法如下式所示，
Bsp(t)＝Bcur×h(i,j)
Bsp(t)是空域滤波的结果，式中的滤波器系数h(i,j)为：
Figure BDA0003539616720000041
(m,n)表示相邻像素坐标，f(i,j)-f(m,n)代表当前像素和它相邻五个像素区域内某个像素的差，(m-i)2+(n-j)2代表当前像素和它相邻五个像素区域像素的距离，d是被用来滤波的领域大小，中间函数v＝2δd，δ是估计得到的噪声标准差。
步骤1.4、后根据设定的比例将时域滤波、空域滤波的结果进行加权平均，得出最终的视频输出。
视频滤波结果B'(t)如下所示：
B'(t)＝(Bsp(t)||Btm(t-1)+Bsp(t)||Btm(t+1))/2
Btm(t-1)＝0.4×B(t)+0.6×B(t-1)
Btm(t+1)＝0.4×B(t)+0.6×B(t+1)
Bsp(t)＝Bcur×h(i,j)
B'(t)代表最终的输出结果，||代表滤波方法不确定，根据运动检测的结果在二者间进行选择，Bsp是当前块空域滤波的结果，Btm(t-1)和Btm(t+1)分别是前一帧为参考和后一帧为参考的运动估计结果，Bcur为当前块的像素值，h(i,j)代表空域滤波系数，t表示时间(帧序号)。
步骤1.5、在经过滤波处理后，图像视频由Hi3516E内部集成的硬件编码器接收。Hi3516E内部集成的硬件编码器由编码通道子模块和编码协议子模块组成，编码器通过编码通道子模块输入视频流，编码协议子模块包括码率控制器以及编码器。当视频编码器接收图像时，会对比接收到的图像尺寸和编码器通道尺寸，如果通道大小比输入视频帧要大，则清除该视频帧，如果通道大小和输入视频帧相同，直接输入到编码器中进行后续处理，如果通道大小比输入视频帧要小，先由库函数将视频帧剪切后再输入到编码器中进行后续处理。码率控制器有三种控制可供用户选择，分别是固定QP值、可变比特率和固定比特率。一般情况下，视频流的码率越高，压缩比就越低，压缩后的视频与原视频的差异也越小。在码流控制器和H.265编码器的相互配合下，编码协议子模块完成了H.265的编码压缩。
步骤2、无线图像传输发射端将编码后的数据传输到无线图像传输发射端的RTSP服务器模块，RTSP服务器模块等待接收移动终端的各种指令，对接收的各种指令进行解析，并根据接收到的不同指令进行相应的操作。
图传装置的RTSP服务器模块对各种指令的解析处理如下：
移动终端向图传发射端中的服务器模块发送OPTIONS请求，询问图传发射端中的服务器模块支持哪些可用方法。
图传发射端中的服务器模块回复移动终端的OPTIONS请求，回应的内容包含图传发射端服务器模块支持的所有可用方法。
移动终端向图传发射端服务器模块发送DESCRIBE请求，向图传发射端服务器模块查询指定媒体的信息，图传发射端服务器模块把相应的媒体信息转发到SDP会话描述信息里。
图传发射端服务器模块回应移动终端的DESCRIBE请求，回应的内容为图传发射端服务器模块请求的媒体资源信息描述。
移动终端发送SETUP请求，用于指定媒体流传输的方式和地址。移动终端将自身IP地址、RTSP传输端口号和所用传输协议发送给图传发射端服务器模块，请求和图传发射端服务器模块建立RTSP会话并进行数据传输的准备。
图传发射端服务器模块回应SETUP请求，将双方商定好的源地址、目的地址、传输协议类型等数据封装在SETUP响应包中并返回给移动终端。
移动终端发起PLAY请求到图传发射端服务器模块，请求对媒体流进行播放操作。在后续流程中此阶段还可以发送PAUSE、RECORD等指令对媒体流进行快进、定位播放等操作。
图传发射端服务器模块接收到PLAY请求后，回复包含会话标识、RTP包序列号和时间戳的数据包。此时按照SETUP中商定好的方式开始媒体流的传输，H.265数据被封装成RTP包后由图传发射端服务器模块发出。
若移动终端需要关闭连接，则由移动终端发送TEARDOWN请求，请求图传发射端服务器模块关闭和移动终端之间的连接，终止媒体流的传输，并销毁所有相关资源。
步骤3、编码后的视频数据被存入缓冲区中，RTSP服务器模块从缓冲区中读取数据，和移动终端建立RTSP会话并对数据传输进行管理。如果RTSP服务器模块在RTSP会话中接收到PLAY请求，RTSP服务器模块对H.265编码视频数据进行RTP封装并将封装后的数据通过Wi-Fi链路发送至图传接收端；
步骤3.1、保存编码后的视频数据的缓存区为本发明设计的特殊环形缓冲区，由于每一帧的数据大小不一定，采取了以下策略：先创建了一块较大的连续内存(大小：摄像机输入帧率*视频图像帧像素的宽*视频图像帧像素的高，例如摄像机输入帧率为25帧/秒，视频图像帧分辨率为1080P，那么缓冲区设计为25*1920*1080个字节，也就是51.84Mb)存储编码后的帧数据，上述内存块称作帧缓冲区。再创建一个环形的索引区，这个环形的索引包含若干个大小相同的空间，每个空间单元都存放一个结构体，结构体中保存着帧缓冲区中的各个帧数据在内存中存储的首地址。一般情况下，每一帧的数据都在帧缓冲区中按物理地址的顺序保存。只有当前帧缓冲区的空闲内存不够存储下一帧的数据时，向缓冲区写入数据的指针会移动到缓冲区物理地址的开始位置，用新接收到的视频帧信息替换掉原来的视频帧信息，这样在缓冲区中循环地进行数据存储，避免了频繁的内存创建和分配，不仅优化了程序的执行效率，而且达到了节省内存的目的。
步骤3.2、图传发射端服务器模块接收到PLAY请求后，回复包含会话标识、RTP包序列号和时间戳的数据包。此时按照SETUP中商定好的方式开始媒体流的传输，H.265数据被封装成RTP包后由图传发射端服务器模块发出。
步骤3.3、在压缩视频数据的头部加上RTP包头后，压缩视频数据成为RTP数据包，之后使用UDP协议把RTP数据包通过WIFI模块传输到基于移动终端的图传接收端的进程中。
步骤4、基于移动终端的图传接收端通过自带的WIFI模块接收到图传发射端发送的RTP数据包后，对接收到的RTP数据包进行解包，得到压缩后的视频数据，然后再对压缩视频数据进行解码，得到原始视频数据，移动终端的视频播放器解析原始视频数据后即可在显示与控制模块中实时播放，实现光电吊舱的无线图像传输。
本发明的效果在于提供一种基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，结合移动终端的自身优势，克服了光电吊舱基于显控箱实现的图像传输方法具有设备维护和升级难的弊端，能够显著提高光电吊舱显控设备的便携性，降低开发成本和开发周期，利用现有的地面移动终端作为硬件平台，在推广光电吊舱在各个领域的应用方面具有重要的社会现实意义和工程应用价值。

Claims (5)

1.一种基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、图传发射端利用采集光电吊舱摄像头拍摄到的视频数据，对视频数据进行滤波处理后，再进行H.265视频编码，得到H.265编码数据；
步骤2、将H.265编码数据传输到无线图像传输设备的RTSP服务器模块，RTSP服务器模块等待接收移动终端发来的各种指令，对接收的各种指令进行解析，并根据接收到的不同指令进行相应的操作；
步骤3、H.265编码数据被存入缓冲区中，RTSP服务器模块从缓冲区中读取H.265编码数据，与移动终端建立RTSP会话并对上述H.265编码数据传输进行管理；如果RTSP服务器模块在RTSP会话中接收到移动终端发来的发送指令，RTSP服务器模块对H.265编码视频数据进行RTP封装，得到RTP数据包，并将RTP数据包通过Wi-Fi链路发送至移动终端；
步骤4、移动终端通过自带的WIFI模块接收到图传发射端发送的RTP数据包后，对RTP数据包进行解包，得到H.265压缩后的视频数据，然后再对H.265压缩后的视频数据进行解码，得到原始视频数据，移动终端的视频播放器解析原始视频数据后即可在显示与控制模块中实时播放，实现光电吊舱的无线图像传输。
2.根据权利要求1所述的基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，其特征在于，步骤1中，图传发射端利用采集光电吊舱摄像头拍摄到的视频数据，对视频数据进行滤波处理后，再进行H.265视频编码，得到H.265编码数据，具体如下：
图传发射端利用采集光电吊舱摄像头拍摄到的视频数据，通过时域滤波与空域滤波相结合的方式对视频数据进行滤波处理，在减少视频图像块效应的同时提高视频图像的质量，再使用Hi3516E内部集成的硬件编码器对滤波后的视频进行H.265视频编码，得到H.265编码数据。
3.根据权利要求2所述的基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，其特征在于，步骤1中，图传发射端利用采集光电吊舱摄像头拍摄到的视频数据，对视频数据进行滤波处理后，再进行H.265视频编码，得到H.265编码数据，具体过程如下：
步骤1.1，在接收到视频数据的帧图像输入时，首先将当前帧划分成16×16个相同大小的块，得到若干个当前块，通过这些块计算出噪声标准差估计单元；
步骤1.2，将当前帧的前一帧和后一帧分别划分成16×16个相同大小的块，对应得到若干个参考块，将16×16个相同大小的当前块和参考块进行对比，找出和当前块最相近的匹配块，以确定当前块的运动轨迹；
步骤1.3，根据估计出的噪声标准差估计单元对当前输入的帧图像进行运动检测，如果运动的强度高于某个阈值，采用空域滤波，如果运动的强度低于某个阈值，则采用时域滤波，获得滤波结果；
步骤1.4，根据设定的比例将滤波结果进行加权平均，得到最终的视频输出；
步骤1.5，在经过滤波处理后，图像视频由Hi3516E内部集成的硬件编码器接收，用户根据需要设定编码通道子模块参数和编码协议子模块参数来完成视频的H.265编码压缩。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，其特征在于，步骤3中的缓存区为环形缓冲区，采取了以下策略：
先创建一块连续内存存储编码后的帧数据，上述内存块称作帧缓冲区，再创建一个环形的索引区，这个环形的索引包含若干个大小相同的空间，每个空间单元都存放一个结构体，结构体中保存着帧缓冲区中的各个帧数据在内存中存储的首地址；一般情况下，每一帧的数据都在帧缓冲区中按物理地址的顺序保存；只有当前帧缓冲区的空闲内存不够存储下一帧的数据时，向缓冲区写入数据的指针会移动到缓冲区物理地址的开始位置，用新接收到的视频帧信息替换掉原来的视频帧信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于移动终端设备的光电吊舱无线图像传输方法，其特征在于，上述创建的连续内存大小为摄像机输入帧率*视频图像帧像素的宽*视频图像帧像素的高。
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