作者：清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室 戴梅萼 史嘉权 武志光 来源：《电子技术应用》

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