Поступила в редакцию

Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 15. -

Вып. 1. - 2016. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-49-html/TITL-49.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-49-html/cont.htm

УДК 621.377.6

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОПЛАТНОГО КОМПЬЮТЕРА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВИДЕОТРАНСЛЯЦИИ НА ПРИМЕРЕ МОДЕРНИЗАЦИИ МИКРОСКОПА

(kokarev-3.docx)

В работе изложен нестандартный способ использования одноплатного компьютера Raspberry Pi для организации удаленного наблюдения с помощью микроскопа. Приведен принцип работы устройства и его перспективы развития.

Ключевые слова: видеонаблюдение, микроконтроллер, Raspberry Pi, Debian, wi-fi.

В современном мире очень часто возникает необходимость решения нестандартных инженерных проблем. В роли одной из таких проблем, выступила необходимость беспроводной передачи видеоизображения с модернизированного микроскопа на основе одноплатного компьютера Raspberry Pi.

На данный момент на рынке имеется широкий выбор устройств, предназначенных для организации беспроводного видеонаблюдения, например, так называемые IP-камеры. Однако данные готовые решения обладают рядом недостатков, не позволяющих применить их в данном проекте, так в нижнем ценовом сегменте (до пяти тысяч рублей) они имеют небогатый функционал, размер изображения редко превышает 640x480 точек (VGA), а возможности по настройке изображения сильно ограничены. Устройства же из более высокого ценового сегмента делают весь проект экономически невыгодным. К тому же в большинстве случаев подобные камеры оказываются слишком громоздкими и неудобными для решения такой задачи, поскольку предназначены только для простого видеонаблюдения.

В силу вышеизложенных причин было принято решение отказаться от полностью готового устройства и перейти к разработке подобного на основе установленного одноплатного компьютера Raspberry Pi.

Для Raspberry Pi создан специальный модуль камеры, имеющий достаточно высокое качество изображения, разрешение пять мегапикселей и объектив с фиксированным фокусным расстоянием и качественной оптической системой. И в отличие от обычных веб-камер, модуль не перегружает процессор и пропускную способность USB порта Raspberry Pi благодаря аппаратному сжатию видео и специальному порту подключения (CSI). Данный компьютер работает под управлением операционной системы на основе дистрибутива Debian, что обеспечивает большой функционал, а так же широкие возможности, как по настройке этого модуля камеры, так и по обработке изображения. Кроме того, компьютер имеет интерфейс Ethernet. Таким образом, Raspberry Pi позволяет организовать как собственную локальную сеть с доступом по беспроводному каналу Wi-Fi (при использовании отдельного Wi-Fi адаптера), так и подключение к доступной сети.

Модернизированный микроскоп представляет собой оптический микроскоп, на который установлены камера и одноплатный компьютер, смонтированные в корпусах, изготовленных с использованием возможностей 3D принтера. Полученное устройство уже позволяет выводить изображение образца, делать его снимок и записывать видео на карту памяти одноплатного компьютера. Однако другой, еще не реализованной, но не менее полезной функцией является передача видеопотока в реальном времени на другие устройства с использованием, например, беспроводного канала Wi-Fi. Это позволит, например, при обучении каждому учащемуся детально изучить образец с помощью всего лишь одного такого микроскопа и значительно упростит объяснение материала преподавателю.

Для организации передачи видео в режиме реального времени операционные системы одноплатного компьютера Raspberry Pi, основанные на Linux ядре (в данном случае установлена наиболее широко распространенная и рекомендованная производителем Raspbian), позволяют использовать программный пакет MJPEG-Streamer. Для передачи видео в режиме реального времени он использует покадровый метод сжатия в формат MJPEG. В отличие от формата H.264, который использует сжатие непосредственно видеопотока, MJPEG легче декомпрессировать клиенту, что экономит ресурсы процессора клиентского рабочего места и позволит использовать для просмотра мобильные устройства. Также он позволяет сэкономить место на Flash-карте одноплатного компьютера.

MJPEG имеет и еще одно преимущество для просмотра в реальном времени. Так как это покадровый алгоритм сжатия, то в случае, если клиентское устройство не будет успевать распаковывать видеопоток, или упадет пропускная способность сетевого канала, пользователь просто получит видео с меньшей частотой кадров. Тогда как при использовании потокового алгоритма в этом случае пропадали бы целые видеофрагменты. Таким образом, в данном случае MJPEG формат лучшим образом подходит для беспроводной трансляции видеоизображения.

Модуль камеры Raspberry Pi имеет хорошую программную поддержку, что позволяет настроить такие параметры, как размер видео, частота кадров, экспозиция, баланс белого, яркость, контрастность, параметры ISO. Это позволяет максимально точно настроить камеру. Так, для микроскопа частота кадров не имеет такого большого значения, что позволяет снизить это значение до 10-20 кадров в секунду, в то время как для съемки динамических объектов это недопустимо.

Все программное обеспечение и необходимые библиотеки легко скачиваются из интернета прямо с Raspberry Pi, что также значительно упрощает настройку видеопередачи.

Для подключения к сети было рассмотрено три способа, структурная схема которых представлена на рисунке 1. Настройки изображения следующие: размер изображения составляет 640x480, частота кадров – 20 кадров в секунду.

Рисунок 1 – Варианты подключения к сети: а) с использованием Wi-Fi адаптера и стационарного беспроводного маршрутизатора, б) с использованием нестационарного беспроводного маршрутизатора, в) с использованием Wi-Fi адаптера в качестве точки доступа.

Первый способ заключается в использовании беспроводного USB Wi-Fi адаптера TP-LINK WN725N для подключения к беспроводному маршрутизатору D-LINK DIR620, используемого в качестве стационарного и с которого ведется передача на клиентские устройства. Такой способ значительно повышает мобильность микроскопа, позволяя его свободно перемещать по помещению. Однако реальная скорость передачи в данной конфигурации не превышает 1,5 Мбит\с в силу использования адаптера и при подключении одного устройства задержка передачи видеопотока составляет в среднем 2-3 секунды, а при подключении четырех устройств (двух мобильных устройств и ноутбуков) целых 5-6 секунды.

При втором способе Raspberry Pi подключается непосредственно к маршрутизатору D-LINK в рамках локальной сети. Скорость передачи возрастает до 100 Мбит\с и задержка при подключении одного устройства составляет всего менее одной секунды, а при подключении четырех устройств – до 4 секунд. Однако снижается мобильность устройства.

Третий способ предполагает непосредственно создание точки доступа с помощью Wi-Fi адаптера TP-LINK. Однако при таком его использовании скорость передачи снижается до скорости пропускания адаптера, в результате чего значительно возрастает задержка передачи.

Таким образом, скорость передачи во многом определяется способом организации подключения к сети и используемым оборудованием, которое может варьироваться на усмотрения пользователя, в зависимости от возможностей и нужд.

Просмотр принимаемого видеоизображения на клиентских устройствах (ноутбуках, мобильных устройствах, планшетах под управлением ОС Windows, Linux, Android, IOS) возможен через обычный браузер, достаточно только узнать IP адрес одноплатного компьютера. Так же существует возможность применения специализированного программного обеспечения, индивидуального для каждой ОС, которое позволит разнообразить возможности видеонаблюдения.

Таким образом, из одноплатного компьютера, модуля камеры, беспроводного маршрутизатора и корпуса выполненного с использованием 3D принтера получается недорогой аналог IP-камеры с богатым функционалом и большими возможностями по настройке, превосходящий существующие IP-камеры в том же ценовом сегменте, а так же и в более высоком. Основной проблемой остаются задержки при передаче видеоизображения, что затрудняет использование одноплатного компьютера с модулем камеры для наблюдения за динамическими объектами. Для реализации же трансляции видео с микроскопа, получаемые задержки несущественны, поскольку наблюдаемые объекты в большинстве своем статичны, либо малоподвижны.

Литература

1. Gay W. Raspberry Pi Hardware Reference / W. Gay: Apress, 2014. – 234p.

2. Richardson M. Getting Started with Raspberry Pi / M. Richardson, S. Wallace. – Sebastopol: O’Reilly Media, 2012. – 177p.

3. Upton E. Raspberry Pi User Guide / E. Upton, G. Halfacree: Wiley, 2013 – 314p.

PROSPECTS SINGLE BOARD COMPUTER FOR WIRELESS VIDEO TRANSMISSION USING BY MICROSCOPE MODERNISATIONE

Rimarev I. V., Kupreev T. A., Kokorev D. K.

The paper set out a non-standard way to use Raspberry Pi single-board computer for remote monitoring organization with a microscope . The principles of operation of the device and its development prospect.

Key words: CCTV, microcontroller, Raspberry Pi, Debian, wi-fi.

Филиал ФГБОУВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»» в г. Смоленске

Поступила в редакцию 9.02.2016.