隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和機(jī)器人應(yīng)用的逐步推廣,，對遠(yuǎn)程機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時的控制和監(jiān)測,，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注,。我們所承擔(dān)的國家863項(xiàng)目“利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機(jī)器人遙操作研究”正是在這樣的背景下展開的。
1 總體結(jié)構(gòu)和模塊劃分
　　通過Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程機(jī)器人的監(jiān)控,，是指用戶在本地發(fā)送控制命令給遠(yuǎn)端的機(jī)器人,，由遠(yuǎn)端機(jī)器人的控制系統(tǒng)對控制命令加以解釋、執(zhí)行,，從而控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動作,。同時，由遠(yuǎn)端的攝象機(jī)把現(xiàn)場的圖像加以采集,。由于視頻圖像信息的數(shù)據(jù)量非常大,，不可能在Internet網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時傳輸，因此，必須先對圖像信息進(jìn)行壓縮,，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶站點(diǎn),。用戶站點(diǎn)把接收到的已壓縮的圖像信息進(jìn)行解壓縮，還原成原來的圖像,。隨后,，用戶可根據(jù)總的調(diào)度程序給遠(yuǎn)端機(jī)器人發(fā)出新的控制命令,，遠(yuǎn)端機(jī)器人再完成相應(yīng)的動作,。同樣，又通過網(wǎng)絡(luò)把機(jī)器人的動作情況傳送到用戶站點(diǎn),。于是,，遠(yuǎn)端機(jī)器人的一舉一動都能及時地呈現(xiàn)在用戶的面前，這就是所謂的現(xiàn)場感,。
　　為了把控制命令和運(yùn)動過程都記錄下來,，為以后的分析、研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),，有必要建立控制命令和運(yùn)動過程數(shù)據(jù)庫,。按這樣的設(shè)想，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)體系結(jié)構(gòu),。對于控制命令來說，客戶機(jī)接受用戶提供的機(jī)器人控制命令,，然后形成相應(yīng)的命令幀格式,，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。服務(wù)器對接收到的控制命令進(jìn)行分析解釋,，并通過機(jī)器人的控制系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的命令,。對于視頻圖像來說，首先由客戶機(jī)采集視頻圖像,，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,，再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。服務(wù)器則把從網(wǎng)絡(luò)上接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,，完成相應(yīng)的解壓工作,，恢復(fù)視頻圖像的本來面目。
　　從整個系統(tǒng)的工作過程可以看出,，從對控制命令的處理這一角度來看,，本地是客戶機(jī)，遠(yuǎn)端是服務(wù)器,，而從對視頻圖像的處理這一角度來看,，遠(yuǎn)端是客戶機(jī)，本地是服務(wù)器。也就是說,，客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)不是從物理上的本地或遠(yuǎn)端來劃分的,，而是從邏輯上的不同功能來劃分的。之所以這樣劃分,，是因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中,，視頻圖像的處理和傳輸過程是相對獨(dú)立的，而不是控制命令的簡單應(yīng)答和反饋信息,?？傊蛻魴C(jī)主動發(fā)出各種信息,，而服務(wù)器則被動地接收來自客戶機(jī)的信息,，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
2 視頻圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮傳輸?shù)幕玖鞒?BR>　　系統(tǒng)首先建立獲取窗口,，然后指定回調(diào)函數(shù),。系統(tǒng)獲取的圖像存放在一段連續(xù)的內(nèi)存中，以回調(diào)函數(shù)的形式傳送給編程人員,。在回調(diào)函數(shù)中,，先進(jìn)行壓縮處理，然后把大數(shù)據(jù)塊打包,，再把數(shù)據(jù)包按序號依次發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)上,。本地站點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包以后，按序號組合成數(shù)據(jù)塊,，然后解壓縮,，最后在給定窗口上重現(xiàn)視頻圖像。視頻圖像壓縮傳輸過程如圖2所示,。

　　我們采用的是混合編碼方案,，其視頻圖像壓縮的基本流程如圖3所示。首先判斷是否為關(guān)鍵幀,，若是關(guān)鍵幀,，則先進(jìn)行離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)，然后對DCT系數(shù)作量化處理,，再對量化后的交流(AC)系數(shù)以Z形路徑進(jìn)行行程編碼RLE(Run－Length Encoding),，最后進(jìn)行哈夫曼編碼；若不是關(guān)鍵幀,，則采用幀間壓縮,。

　　對于幀間壓縮，我們比較了兩種不同的方式,。
　　第一種方式以象素為基礎(chǔ),，首先將其與上一幀作差,，得到一個稀疏的矩陣。在作差的過程中,，采用小范圍匹配的方法去掉一部分噪聲,，然后采用改進(jìn)的行程編碼得到最后結(jié)果。再把當(dāng)前幀圖像保存在指定的內(nèi)存區(qū)內(nèi),，作為下一幀作差的參考幀,。
　　第二種方式是以宏塊為基礎(chǔ)的運(yùn)動補(bǔ)償方式，首先計(jì)算運(yùn)動矢量,，然后采用行程編碼RLE和哈夫曼編碼,。由于機(jī)器人的運(yùn)動主要是平移和轉(zhuǎn)動，而缺少局部的細(xì)微變化,，用運(yùn)動補(bǔ)償可以達(dá)到較高的壓縮比" title="壓縮比">壓縮比和相當(dāng)好的圖像質(zhì)量" title="圖像質(zhì)量">圖像質(zhì)量,。
　　由于與遠(yuǎn)程站點(diǎn)之間通過Internet網(wǎng)進(jìn)行傳輸時，信道的數(shù)據(jù)傳輸率" title="傳輸率">傳輸率不是固定的,，因此，系統(tǒng)中通過信道測試反饋信息來改變量化時的步長,，從而調(diào)節(jié)視頻信息的數(shù)碼率,，以便更好地適應(yīng)信道傳輸率的變化。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和性能分析
　　我們對幾種不同的壓縮算法進(jìn)行了比較,。為了接近Internet網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率,，采用的數(shù)據(jù)流量為10kb/s。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,。

　　由上述數(shù)據(jù)可畫出使用IC壓縮器(IC Compressor)進(jìn)行定流量壓縮時,，幀頻和壓縮比隨圖像格式而變化的曲線如圖4所示。

　　從圖中曲線可以看出,，隨著圖像的變大,，壓縮比大大提高，而幀頻則隨之下降,。這是因?yàn)?，?dāng)圖像變大時，背景相應(yīng)變大,，而在背景幾乎不變的情況下,，幀間壓縮的壓縮比會相當(dāng)大，從而使總的壓縮比明顯提高,；隨著圖像的增大,，數(shù)據(jù)量將成倍增加，在數(shù)據(jù)傳輸率一定的條件下,，幀頻必然會下降,。
　　使用定質(zhì)量(Fix Quality)壓縮時，幀頻和壓縮比隨質(zhì)量而變化的曲線圖5所示。