專利名稱：用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別是涉及一種用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
為長期觀察農(nóng)作物的生長狀態(tài)，并進(jìn)行不同區(qū)域、不同時(shí)刻的農(nóng)作物生長參數(shù)的比較，農(nóng)業(yè)管理與科研部門越來越多地采用嵌入式圖像采集系統(tǒng)對農(nóng)作物生長過程實(shí)時(shí)監(jiān)測。在分布地域廣、視頻采集點(diǎn)多的農(nóng)作物生長過程監(jiān)測視頻系統(tǒng)中，對于農(nóng)作物漫長的生長期的狀態(tài)采集，每半天采集一次，而對于成熟期或某些特殊時(shí)期，最短可設(shè)置為每分鐘采集一次，圖像數(shù)據(jù)采集信息量很大，當(dāng)數(shù)量眾多的視頻源同時(shí)上傳信息時(shí)，會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，不僅會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸性能下降，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)沟谜麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)無法運(yùn)行，嚴(yán)重影響整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因而傳輸帶寬常常成為制約整個(gè)圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)效率與質(zhì)量的瓶頸。在農(nóng)作物的生長過程監(jiān)測系統(tǒng)中，所采集的連續(xù)圖像數(shù)據(jù)大部分為相同的冗余數(shù)據(jù)，圖像中通常還含有一些與農(nóng)作物無關(guān)的干擾信息，傳統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的壓縮方法不考慮歷史圖像信息，導(dǎo)致將重復(fù)傳輸大量冗余信息與干擾信息，而造成網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬需求高，傳輸質(zhì)量嚴(yán)重下降。目前通常是依靠提升網(wǎng)絡(luò)帶寬緩解這一問題，但隨著監(jiān)測視頻源數(shù)量急劇增多，帶寬的提升受限于硬件條件與成本，其改善效果并不理想，最終造成不能同時(shí)監(jiān)測較多圖像采集點(diǎn)，以致信息不完整。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，解決在傳輸帶寬有限的情況下提高范圍內(nèi)農(nóng)作物生長過程參數(shù)的圖像數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的問題。技術(shù)方案:用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)，包括位于農(nóng)作物生長現(xiàn)場的嵌入式圖像采集裝置和位于監(jiān)測中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器；其中，
嵌入式圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)圖像采集、圖像深度壓縮、圖像可控速率傳輸和存儲；嵌入式圖像采集裝置包括微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊以及電源模塊，其通過網(wǎng)絡(luò)模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，動態(tài)協(xié)調(diào)控制其在通訊過程中的通訊速率；
圖像采集由通過微處理器控制數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)采集現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)；
圖像深度壓縮實(shí)現(xiàn)方式為嵌入式圖像采集裝置依次采集視頻圖像，結(jié)合所監(jiān)測農(nóng)作物的生長特點(diǎn)，通過相關(guān)處理算法去除與農(nóng)作物生長過程無關(guān)的干擾信息，通過差值算法去除與歷史圖像信息相重復(fù)的冗余信息，再進(jìn)行行程編碼，并將壓縮過的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器； 圖像可控速率傳輸實(shí)現(xiàn)方式為，嵌入式圖像采集裝置根據(jù)待傳輸數(shù)據(jù)的信息變化量、變化速率及數(shù)據(jù)存儲模塊中存儲的未傳輸數(shù)據(jù)量，與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速率；遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前的通訊信道帶寬和通信優(yōu)先級，決定是否允許該嵌入式圖像采集裝置改變傳輸速率；若與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通訊失敗，則將數(shù)據(jù)暫存入數(shù)據(jù)存儲模塊中，留待通訊恢復(fù)后傳輸，從而實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)傳輸功能，上傳成功后，刪除本地?cái)?shù)據(jù)存儲模塊中數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，用于處理接收到的數(shù)據(jù)信息，將接受來自嵌入式圖像采集裝置傳來的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與已經(jīng)存儲的上一張圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加法重建，將恢復(fù)的結(jié)果存入服務(wù)器，從而獲得當(dāng)前圖像，同時(shí)控制整個(gè)入口網(wǎng)絡(luò)的通訊速率以及各個(gè)嵌入式圖像采集裝置的配置。用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測方法，步驟包括:
(1)嵌入式圖像采集裝置通過控制圖像采集模塊定時(shí)采集第一張圖像數(shù)據(jù)，即圖像采集模塊復(fù)位后，嵌入式圖像采集裝置采集第一張圖像，經(jīng)過采樣量化之后，采用行程編碼壓縮處理，傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，同時(shí)保存在本地；
(2)繼續(xù)采集圖像，將采集到的圖像與上一張圖像做相關(guān)處理和差值運(yùn)算，去除冗余信息、無關(guān)信息，對運(yùn)算結(jié)果采用行程編碼壓縮處理，并保存在本地?cái)?shù)據(jù)存儲模塊；
(3)嵌入式圖像采集裝置根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)計(jì)算信息變化量和變化速率，并與前次與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心協(xié)調(diào)獲得的通信速率閾值進(jìn)行比較；同時(shí)檢查數(shù)據(jù)存儲模塊中未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是否超過閾值；
(4)如果變化量或變化速率超過設(shè)定閾值，或者數(shù)據(jù)存儲模塊中未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過閾值，則與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，請求增加傳輸速率，轉(zhuǎn)入(6)；
(5)如果信息變化量和變化速率小于監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)置閾值，且數(shù)據(jù)存儲模塊未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量未超過閾值，則與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，請求減少數(shù)據(jù)傳輸速率，轉(zhuǎn)入(7);
(6)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前的通訊信道帶寬及通信優(yōu)先級，決定是否允許該嵌入式圖像采集裝置提高傳輸速率；如果獲得提高通訊速率允許，則逐步增加傳輸速率，之后刪除數(shù)據(jù)存儲模塊中成功傳輸?shù)膬?nèi)容，如果未獲得允許，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容存入數(shù)據(jù)存儲模塊中，留待下次通訊時(shí)擇機(jī)發(fā)送；轉(zhuǎn)入(8)；
(7)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器允許該嵌入式圖像采集裝置修改傳輸速率，嵌入式圖像采集裝置逐步減少數(shù)據(jù)傳輸速率，直到下降到正常的數(shù)據(jù)傳輸速率；轉(zhuǎn)入(8)；
(8)若與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊失敗，則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲模塊，留待通訊恢復(fù)后傳
輸;
(9)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)與存儲的上一張圖像進(jìn)行加法運(yùn)算，重建當(dāng)前圖像，并將恢復(fù)的結(jié)果存入服務(wù)器，從而獲得當(dāng)前圖像。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:1)針對農(nóng)作物不同狀態(tài)下的監(jiān)控需求，動態(tài)控制調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸率，避免對當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)采集硬件體系的大范圍改動，可以節(jié)約系統(tǒng)的硬件成本，節(jié)約帶寬；2)圖像編碼壓縮總體高于70%，大大減少了所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從根本上緩解帶寬不足的現(xiàn)狀，特別適合變化性較小的農(nóng)業(yè)信息圖像采集系統(tǒng)；3)在不影響圖像數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣龋?)集成了 SD卡模塊，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通訊故障或帶寬不足的情況下，將信息存入本地，防止丟失信息，支持?jǐn)帱c(diǎn)傳輸功倉泛。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測系統(tǒng)整體拓?fù)? 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的圖像深度壓縮與可控傳輸速率流程 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)傳輸速率變化示意 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的基于差值圖像編碼的深度壓縮處理示意 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的基于差值圖像解碼的深度壓縮處理示意 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的嵌入式圖像采集裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測系統(tǒng)整體拓?fù)鋱D，本實(shí)施例中用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)，由嵌入式圖像采集裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器組成。嵌入式圖像采集裝置位于農(nóng)作物生長現(xiàn)場，控制攝像頭采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用相關(guān)處理、差值圖像編碼等算法實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的深度壓縮處理，再利用可控傳輸速率算法，通過Internet與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行通τΗ ο圖6為本發(fā)明實(shí)施例的嵌入式圖像采集裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖，嵌入式圖像采集裝置包括微處理器TMS320DM642、攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊TVP5150、SD卡模塊以及電源模塊，該裝置其通過網(wǎng)絡(luò)模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，動態(tài)協(xié)調(diào)控制其在通訊過程中的通訊速率。此夕卜，該裝置中的各個(gè)組成部件不限于前述指定的部件，任何該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不經(jīng)創(chuàng)造性思考能夠得到的等價(jià)形式都可以作為相應(yīng)部件的替換方式。圖2、3、4、5為本實(shí)施例的具體工作方法流程圖，步驟如下:
(1)嵌入式圖像采集裝置通過控制圖像采集模塊TVP5150定時(shí)采集第一張圖像數(shù)據(jù)，即圖像采集模塊復(fù)位后，嵌入式圖像采集裝置采集第一張圖像，經(jīng)過采樣量化之后，采用行程編碼壓縮處理，傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，同時(shí)保存在本地；
(2)繼續(xù)采集圖像，將采集到的圖像與上一張圖像做相關(guān)處理和差值運(yùn)算，去除冗余信息、無關(guān)信息，對運(yùn)算結(jié)果采用行程編碼壓縮處理，并保存在本地SD卡；
(3)嵌入式圖像采集裝置根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)計(jì)算信息變化量和變化速率，并與前次與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心協(xié)調(diào)獲得的通信速率閾值進(jìn)行比較；同時(shí)檢查SD卡中未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是否超過閾值；
(4)如果變化量或變化速率超過設(shè)定閾值，或者SD卡中未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過閾值，則與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，請求增加傳輸速率，轉(zhuǎn)入(6)；
(5)如果信息變化量和變化速率小于監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)置閾值，且SD卡未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量未超過閾值，則與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，請求減少數(shù)據(jù)傳輸速率，轉(zhuǎn)入(7);
(6)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前的通訊信道帶寬及通信優(yōu)先級，決定是否允許該嵌入式圖像采集裝置提高傳輸速率；如果獲得提高通訊速率允許，則逐步增加傳輸速率，之后刪除SD卡中成功傳輸?shù)膬?nèi)容，如果未獲得允許，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容存入SD卡中，留待下次通訊時(shí)擇機(jī)發(fā)送；轉(zhuǎn)入(8);
(7 )遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器允許該嵌入式圖像采集裝置修改傳輸速率，嵌入式圖像采集裝置逐步減少數(shù)據(jù)傳輸速率，直到下降到正常的數(shù)據(jù)傳輸速率；轉(zhuǎn)入(8)；
(8)若與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊失敗，則將數(shù)據(jù)存入SD卡，留待通訊恢復(fù)后傳輸；
(9)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)與存儲的上一張圖像進(jìn)行加法運(yùn)算，重建當(dāng)前圖像，并將恢復(fù)的結(jié)果存入服務(wù)器，從而獲得當(dāng)前圖像。通過以上方式依次獲得所監(jiān)測農(nóng)作物的生長圖像數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括位于農(nóng)作物生長現(xiàn)場的嵌入式圖像采集裝置和位于監(jiān)測中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器；其中， 嵌入式圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)圖像采集、圖像深度壓縮、圖像可控速率傳輸和存儲； 遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，接收來自嵌入式圖像采集裝置傳來的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與已經(jīng)存儲的上一張圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加法重建，將恢復(fù)的結(jié)果存入服務(wù)器，從而獲得連續(xù)圖像，同時(shí)控制整個(gè)入口網(wǎng)絡(luò)的通訊速率以及各個(gè)嵌入式圖像采集裝置的配置。
2.如權(quán)利要求 1所述的用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，嵌入式圖像采集裝置包括微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊以及電源模塊，其通過網(wǎng)絡(luò)模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，動態(tài)協(xié)調(diào)控制其在通訊過程中的通訊速率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像深度壓縮實(shí)現(xiàn)方式為嵌入式圖像采集裝置依次采集視頻圖像，結(jié)合所監(jiān)測農(nóng)作物的生長特點(diǎn)，去除與農(nóng)作物生長過程無關(guān)的干擾信息，再通過差值算法去除與歷史圖像信息相重復(fù)的冗余信息，再進(jìn)行行程編碼，并將壓縮過的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器。
4.如權(quán)利要求1或2所述的用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像可控速率傳輸實(shí)現(xiàn)方式為，嵌入式圖像采集裝置根據(jù)待傳輸數(shù)據(jù)的信息變化量、變化速率及數(shù)據(jù)存儲模塊中存儲的未傳輸數(shù)據(jù)量，與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速率；遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前的通訊信道帶寬和傳輸內(nèi)容的優(yōu)先級，決定是否允許該嵌入式圖像采集裝置改變傳輸速率；若與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通訊失敗，則將數(shù)據(jù)暫存入數(shù)據(jù)存儲模塊中，留待通訊恢復(fù)后傳輸，從而實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)傳輸，上傳成功后，刪除本地?cái)?shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)。
5.用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)嵌入式圖像采集裝置通過控制圖像采集模塊定時(shí)采集第一張圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過采樣量化之后，采用行程編碼壓縮處理，傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，同時(shí)保存在本地； (2)繼續(xù)采集圖像，將采集到的圖像與上一張圖像比較，去除冗余信息、無關(guān)信息，對運(yùn)算結(jié)果采用行程編碼壓縮處理，并保存在本地?cái)?shù)據(jù)存儲模塊； (3)嵌入式圖像采集裝置根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)計(jì)算信息變化量和變化速率，并與前次與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心協(xié)調(diào)獲得的通信速率閾值進(jìn)行比較；同時(shí)檢查數(shù)據(jù)存儲模塊中未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是否超過閾值； (4)如果變化量或變化速率超過設(shè)定閾值，或者數(shù)據(jù)存儲模塊中未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過閾值，則與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，請求增加傳輸速率，轉(zhuǎn)入(6); (5)如果信息變化量和變化速率小于監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)置閾值，且數(shù)據(jù)存儲模塊未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量未超過閾值，則與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊，請求減少數(shù)據(jù)傳輸速率，轉(zhuǎn)入(7); (6)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前的通訊信道帶寬及通信優(yōu)先級，決定是否允許該嵌入式圖像采集裝置提高傳輸速率；如果獲得提高通訊速率允許，則逐步增加傳輸速率，之后刪除數(shù)據(jù)存儲模塊中成功傳輸?shù)膬?nèi)容，如果未獲得允許，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容存入數(shù)據(jù)存儲模塊中，留待下次通訊時(shí)擇機(jī)發(fā)送；轉(zhuǎn)入(8)； (7)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器允許該嵌入式圖像采集裝置修改傳輸速率，嵌入式圖像采集裝置逐步減少數(shù)據(jù)傳輸速率，直到下降到正常的數(shù)據(jù)傳輸速率；轉(zhuǎn)入(8)； (8)若與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通訊失敗，則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲模塊，留待通訊恢復(fù)后傳輸;(9)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)與存儲的上一張圖像進(jìn)行加法運(yùn)算，重建當(dāng)前圖像，并將恢復(fù)的結(jié)果存入 服務(wù)器，從而獲得當(dāng)前圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于農(nóng)作物生長信息的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測系統(tǒng)及其方法。在本發(fā)明中，嵌入式圖像采集裝置采集圖像信息后，去除圖像信息中的與農(nóng)作物生長無關(guān)的信息和冗余信息，進(jìn)行深度壓縮，再與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器協(xié)調(diào)控制實(shí)時(shí)圖像傳輸速率，在有限傳輸帶寬條件下實(shí)現(xiàn)了海量圖像監(jiān)控信息的完整性與高質(zhì)量傳輸效果,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長過程圖像的智慧和經(jīng)濟(jì)傳輸。該發(fā)明應(yīng)用于監(jiān)測具有圖像監(jiān)控裝置分布區(qū)域廣、數(shù)量多，且傳輸帶寬有限特征的農(nóng)業(yè)信息。
文檔編號H04N7/18GK103152551SQ20131006208
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者周杏鵬, 王曉俊, 袁易之, 韋金河, 周秋萍, 周偉 申請人:東南大學(xué)