远程机器人监控系统的研制

    摘 要： 分析了利用远程网络对机器人进行遥操作控制的主要技术关键，在此基础上介绍了遥操作控制系统的设计思想和总体结构，并阐述了视频图像压缩的流程，其中所采用的帧间压缩方式是当前的创新技术，最后给出了系统性能的定量分析结果。

    关键词： 远程机器人 离散余弦交换 哈夫曼编码

    随着计算机网络的迅速发展和机器人应用的逐步推广，对远程机器人进行实时的控制和监测，已经越来越受到人们的关注。我们所承担的国家863项目“利用远程网络技术的机器人遥操作研究”正是在这样的背景下展开的。

    １ 总体结构和模块划分

    通过Internet网络实现对远程机器人的监控，是指用户在本地发送控制命令给远端的机器人，由远端机器人的控制系统对控制命令加以解释、执行，从而控制机器人完成相应的动作。同时，由远端的摄象机把现场的图像加以采集。由于视频图像信息的数据量非常大，不可能在Internet网络上实时传输，因此，必须先对图像信息进行压缩，然后通过网络传送到用户站点。用户站点把接收到的已压缩的图像信息进行解压缩，还原成原来的图像。随后，用户可根据总的调度程序给远端机器人发出新的控制命令，远端机器人再完成相应的动作。同样，又通过网络把机器人的动作情况传送到用户站点。于是，远端机器人的一举一动都能及时地呈现在用户的面前，这就是所谓的现场感。

    为了把控制命令和运动过程都记录下来，为以后的分析、研究提供准确的数据，有必要建立控制命令和运动过程数据库。按这样的设想，该系统的总体结构如图1所示。

    系统采用客户机／服务器（client／Server）体系结构。对于控制命令来说，客户机接受用户提供的机器人控制命令，然后形成相应的命令帧格式，发送到网络上。服务器对接收到的控制命令进行分析解释，并通过机器人的控制系统驱动机器人执行相应的命令。对于视频图像来说，首先由客户机采集视频图像，然后进行数据压缩，再发送到网络上。服务器则把从网络上接收到的图像数据进行组合，完成相应的解压工作，恢复视频图像的本来面目。

    从整个系统的工作过程可以看出，从对控制命令的处理这一角度来看，本地是客户机，远端是服务器，而从对视频图像的处理这一角度来看，远端是客户机，本地是服务器。也就是说，客户机／服务器结构不是从物理上的本地或远端来划分的，而是从逻辑上的不同功能来划分的。之所以这样划分，是因为在该系统中，视频图像的处理和传输过程是相对独立的，而不是控制命令的简单应答和反馈信息。总之，客户机主动发出各种信息，而服务器则被动地接收来自客户机的信息，并进行相应的处理。

    ２ 视频图像压缩传输的基本流程

    系统首先建立获取窗口，然后指定回调函数。系统获取的图像存放在一段连续的内存中，以回调函数的形式传送给编程人员。在回调函数中，先进行压缩处理，然后把大数据块打包，再把数据包按序号依次发送到Internet网络上。本地站点接收到数据包以后，按序号组合成数据块，然后解压缩，最后在给定窗口上重现视频图像。视频图像压缩传输过程如图2所示。

    我们采用的是混合编码方案，其视频图像压缩的基本流程如图3所示。首先判断是否为关键帧，若是关键帧，则先进行离散余弦变换DCT（Discrete Cosine Transform)，然后对DCT系数作量化处理，再对量化后的交流（AC）系数以Z形路径进行行程编码RLE（Run－Length Encoding)，最后进行哈夫曼编码；若不是关键帧，则采用帧间压缩。

    对于帧间压缩，我们比较了两种不同的方式。

    第一种方式以象素为基础，首先将其与上一帧作差，得到一个稀疏的矩阵。在作差的过程中，采用小范围匹配的方法去掉一部分噪声，然后采用改进的行程编码得到最后结果。再把当前帧图像保存在指定的内存区内，作为下一帧作差的参考帧。

   第二种方式是以宏块为基础的运动补偿方式，首先计算运动矢量，然后采用行程编码RLE和哈夫曼编码。由于机器人的运动主要是平移和转动，而缺少局部的细微变化，用运动补偿可以达到较高的压缩比和相当好的图像质量。

    由于与远程站点之间通过Internet网进行传输时，信道的数据传输率不是固定的，因此，系统中通过信道测试反馈信息来改变量化时的步长，从而调节视频信息的数码率，以便更好地适应信道传输率的变化。

    ３ 实验数据和性能分析

    我们对几种不同的压缩算法进行了比较。为了接近Internet网的数据传输率，采用的数据流量为10kb／s。具体的实验数据如表1所示。

    由上述数据可画出使用IC压缩器（IC Compressor)进行定流量压缩时，帧频和压缩比随图像格式而变化的曲线如图4所示。

    从图中曲线可以看出，随着图像的变大，压缩比大大提高，而帧频则随之下降。这是因为，当图像变大时，背景相应变大，而在背景几乎不变的情况下，帧间压缩的压缩比会相当大，从而使总的压缩比明显提高；随着图像的增大，数据量将成倍增加，在数据传输率一定的条件下，帧频必然会下降。

    使用定质量（Fix Quality)压缩时，帧频和压缩比随质量而变化的曲线图5所示。

    从如上曲线可以看出，随着对图像质量要求的提高，帧频和压缩比均呈下降趋势。这是因为，对于特定的压缩算法，要提高图像质量必须要增加压缩后的数据量，压缩比自然会下降；而在网络数据传输率一定的条件下，传输一帧的图像数据所用的时间就会增加，从而在单位时间内能传输的帧数必然要减少。

    对于实验的第一种混合编码方式，其结果明显优于以上方式，在图像质量一定的情况下，帧频和压缩比均有明显提高。

    对于采用的第二种混合编码方式，在数据传输率较低的情况下，达到了较高的压缩比、较好的图像质量和基本实时的视频效果。

    实验数据中给出的帧频和压缩比计算如下：记录图像采集开始和结束的时刻，在播放过程中统计帧数，用帧数除以时间差即为帧频：

帧频＝帧数／（结束时间－开始时间）

    用图像信息应传输的字节数除以实际传输的字节数即为压缩比：

压缩比＝应传字节数／实传字节数