眼底照相机远程操控系统设计

眼底照相机远程操控系统设计 总第241期 2009年第l1期 计算机与数字工程 Computer&DigitalEngineering Vo1.37NO.11 118 眼底照相机远程操控系统设计 曾金埕潘林余轮 (福州大学物理与信息工程学院福州350002) 摘要介绍了一种基于IP-VPN网络的构建眼底照相机远程操控系统的,系统 采用c/s模式,其中视频服务器 采用了CCD摄像头,H.264视频实时压缩采集卡,快速地完成视频采集,压缩编码 发送.同时,视频服务器通过RS232串 口通信控制步进电机动作.客户端通过WinSock编码技术实现与视频服务器通信, 进而远程控制眼底照相机操作.实验 结果表明,这一方案能满足眼底图像实时显示和远程操控眼底照相机的功能. 关键词VPNH.264WINSOCK串口通信 中图分类号TP277 DesignofRemoteOperationandControlSystemofFundusCamera ZengJinchengPanLinYuLun (CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002) AbstractAnsolutiontoconstructremoteoperationandcontrolsystemoffunduscamerabased onIP.VPNinternet hasbeenintroduced.ThesystemusesC/Smode,andthevideoservertlsesCCDcamera,H.264 videorea1.timecompres— sionandcollectioncard,itcanfinishvideocollection,compressionencoderandsendingfast. Meanwhile,thevideoserver controlstheoperationofsteppingmotorthroughRS232serialportcommunication.Theclien tcomputerusesWinSockto completethecommunicationwiththevideoserver,andthencontrolstheoperationoftheremo tefunduscamera.Results showthatitmeetsthefunctionoffundusimagereal-timeshowingandremoteoperationandco ntroloffunduscamera. KeywordsVPN,H.264,WINS0CK,serialportcommunication ClassNumberTP277 1引言 目前眼底照相机只能本地操作,但是,我国的 医疗水平发展不平衡,边远地区和农村缺乏专业的 眼科医师,眼底图像的拍照质量难以得到保证,病 症也难以获得有效的诊断.眼底照相机远程操控 系统,使得在大城市的眼科医师可以远程实时监视 和控制设置在社区医院的眼底照相机,保证眼底拍 照质量并同时做出诊断,解决了基层群众"看病难 看病贵"问题,对促进我国医疗改革和远程医疗事 业的发展都起着重要的作用. 目前的远程视频监控系统采用c/s和B/S两 种模式,比较典型的视频监控系统有全球眼,远程 视频会诊系统,视频会议系统等.一般的视频监控 系统由监控现场和远程监控中心组成,通过计算机 网络进行通信,通过TCP传输控制信号,再由 监控现场通过RS232转RS485控制云台转动.为 了实现公网之间的通信,有采用web服务器,HT— TP服务器,专线网络,虚拟专用网络,ISDN等. 本文的远程操控系统要解决在公共网络的通信问 题,若租用专线网络,价格昂贵而又扩展性差, VPN是在公共网络上建立的临时连接,可将分布 各个社区医院的监控终端的网络与远程监控中心 建立起连接,实现各个社区医院与远程监控中心如 *收稿日期:2009年7月2日,修回Et期:2009年8月6日 基金项目:国家自然科学基金项目"一种新的免散瞳眼底自动照相机及其远程会 诊系统的研究"(编号:60827002)资助. 作者简介:曾金埕,男,硕士研究生,研究方向:信息系统.潘林,男,讲师,研究方向:医学 图像处理与医学信息学. 余轮,男,博士生导师,教授,研究方向:通信与信息系统和图像处理. 第37卷(20O9)第11期计算机与数字工程 同在一个局域网里,方便网络连接与TCP控制. 同时采用了T18204视频实时压缩卡,在VC++ 6.0平台上设计和实现了眼底照相机的远程操控 系统,采用了高性能的H.264视频实时压缩卡,在 相同视频图像质量下,H.264比H.263要节省 5O左右的比特率,在高比特率时质量优良,同时 提高网络适应性:码流结构网络适应性强,增强了 差错恢复能力,能很好地适应IP网络,移动网络 的应用,试图解决视频与控制的实时性问题_1].利 用MFC多线程编程技术提高系统的运行效率. 通过TCP协议传输控制信号,由监控现场通过 RS232控制步进电机的转动实现瞳孔定位等. 2系统的组成和原理 眼底照相机的远程操控系统是硬件部分主要 由CCD摄像机,T18204视频实时压缩卡,现场视 频服务器,VPN服务器,客户端组成,首先设置在 各社区医院的现场视频服务器和客户端分别与设 置在远程操控中心的固定IP的VPN服务器建立 VPN连接,然后再建立起视频服务器与客户端的 网络连接.现场的眼底照相机系统主要由运动控 制卡,步进驱动器,三维步进电机以及传动装置构 成.可以完成免散瞳的瞳孔定位,眼底图像的自动 对焦,眼底图像拍摄的功能.整个系统采用了客户 机/N务器模式,用户通过访问服务器获得眼底拍 照实时视频图像. 『lI爨务l篓务 圈fl囫l CCD摄像 机作为视频输 入设备,采集眼 底图像后送到 采集卡.视频 服务器内置 T182O4视频实 时压缩卡和数 图1眼底照相机远程操控系统框图据发送软件,视 频数据经采集卡处理后送到本地显示器显示或储存 到硬盘或送到网络上进行传输.操作者可以在客户 端启用视频监控软件,通过网络连接视频服务器接 收视频数据,同时可以发送控制信号至服务器从而 远程操控眼底照相机系统.整个系统如图1所示. 3系统的软件实现 本系统软件以VC++6.0为开发工具,在 WindowsXP操作系统上运行,界面采用对话框和 (启动服务器) l与固定IP的vPN服务I I器建立VPN连接I 视频本 地显示 步进电 机控制 将压缩好的视频lI接收控 进行网络发送ll制信号 关闭服务器 图2服务器模块程序简化流程图 该模块的视频采集压缩发送是基于T18系列 视频压缩卡的SDK实现的. 使用VC4-4-实现串口通信的方法有三种:一 种是使用MSComm控件的方法;一种是使用 VC++提供的标准通信函数的方法;一种是使用 API的方法,也就是使用文件的方法.该模块的串 口通信部分是使用MSComm控件来实现_4]. 视频服务器与客户端的网络通信部分是基于 Winsock技术来实现的.采用的是DSocket类是 基于CSocket开发的.Socket分为两种类型:流套 接口(SOCK—STREAM)和数据报套接口(SOCK, DGRAM),流套接口是基于面向连接的TCP协 议,适合于可靠性要求较高的通信;数据数据报套 接口是基于面向无连接的UDP协议适合实时I生要 求较高的通信.视频服务器通过调用CreateSock— et()函数创建套接字,并将本地IP进行绑定,监听 客户端的连接请求,当建立起连接后,有数据发送 消息产生时自动调用onReceive()函数,接收控制 信号,并做出判断做出相应的步进电机操作[5]. 3.2客户端模块 客户端软件主要是向视频服务器发送连接请 求,接收视频服务器的视频数据并在显示器上显 120曾金埕等:眼底照相机远程操控系统设计第37卷 吾两示,同时也可以对视 . 二二[.频图像的参数进行 同霪的VPVN务器I设置,同时可以发送}建立连接l且'IHJ"J仪尬 萃萎l堕I 登堡 I眼底照相机.该模 块程序简化流程图 l塾堡里II笪兰l如图3所示. ,=,该模块的视频接(关闭客户端)………, 一收和解码显示是基于 图3客户端模块程序T18系列视频压缩卡 简化流程图的SDK实现的. 在客户端调用CreateSocket()函数创建完之 后发送连接请求至服务器端,再发送经TCP协议 发送各种控制信息至服务器端,从而实现远程控制 眼底照相机. 4实验与结果 眼科医生通过启动客户端软件与视频服务器 建立连接后,通过视频监视可查看现场服务器人员 拍摄的眼底图像的效果及拍摄步骤,从而做出辅助 性操作,同时可以发送控制指令至视频服务器对眼 底照相机进行远程操控.在这个过程中希望视频 图像实时,准确并有较高的质量,以便能及时,准确 地做出各种控制.本系统通过在服务器端采用高 性能的视频压缩卡并正确设置网络参数和图像参 数来保证视频图像的实时性和准确性.图4为视 频服务器交互式界面. "一! 蓝耸? I-m —w .?rI哺T一一 …, 回 图4视频服务器交互式界面图 在实验过程中,我们采用视频服务器接电信 ADSL2M宽带,客户端即远程操控中心接校园网, 视频服务器通过VPN客户端软件与校园网建立 VPN连接.Ping是网络中用户使用的发送ICMP 回送请求的命令,本文使用Ping指令测试网络时 延,从而比较不同压缩标准的占用带宽情况,并比 较视频的实时性与丢帧情况. 网络RTT(往返时间)数据如表1所示,从该 表我们可以看出,采用H.264视频压缩采集卡,在 同等视频质量下,比H.263压缩效率高,占用带宽 较小,同时实时性较好.比如H.263的CIF格式 25F/s与采用视频采集卡的H.264压缩2CIF格 式25F/s占用的带宽相当. 表11路视频信号传输网络的RTT (下转第172页) 王隆娟等:3G在教育中的应用前景研究第37卷 3G增值业务结合学生的学习和生活进行开发将加 大使用3G手机的学生的数量,对3G在中国的进 一 步发展同样起着重要的作用. 通过以上,第三代移动通信(3G)技术的 出现将极大推动移动通信与因特网的融合,移动通 信与教育相结合,极大地提高了人们的学习效率, 充分地利用了教育资源.在新技术高速发展的背 景下,3G通信技术将广泛地应用到教育中,随着我 们实践的深入和认识的提高,移动教育将发挥其无 穷的魅力. 5结语 2009年工业和信息化部指出,未来两年中国 大陆将投资2800亿元用于3G网络建设.中国移 动TIDSCDMA三期建网招标已经结束,中国移动 将在原有已经和正在部署的38个城市基础上增加 200个城市接续部署;中国电信将力争在年底把 3G网络覆盖到城市98人口;中国联通将于2009 年年底在全国280多个城市开通3G业务,并全部 进入正式商用阶段.综合各方面得出,中国的3G 发展已经具备了各方面的条件,未来的3G市场将 得到规模化发展,而3G在教育行业的应用前景也 将不可估量. 参考文献 [1]赛迪网.2009中国3G产业高峰论坛一宫承和发言 全文[EB/OL].http:/news.ccidnet.com/art/955/ 2o09O512/1765O|35— 1.html,2009 [2]华为3G技术讲解Ez].公司内部资料,2008 [3]张晗.3G牌照正式发放有效推动产业链发展[mm/ OL]. shtm,2009 E4]崔畅.3G网络中移动流媒体的商业模式[D].北京: 北京邮电大学硕士学位论文,2007 [5]孙弼阳.移动流媒体技术流媒体业务的技术与应用 [J].现代电信技术,2008,6(1O) [6]刘宝玲.3G移动通信系统概述[M].北京:人民邮 电出版社,2008 [7]柴远波.3G高速数据无线传输技术EM].北京:电 子工业出版社,2009 [8]梅玉平.3G的业务及管理[M].北京:人民邮电出 版社,2007 芥铆{!矫;不.不乖币希乖芥J/乖 (上接第120页) 同时我们采用两路视频进行监控,一路查看眼 底拍摄过程(H.264),一路查看现场患者的方位 (|L263).查看现场患者方位的视频在整个系统中 采用全球眼技术来监控,通过监视患者的方位进行 纠正以便更好地拍摄眼底图像,监视患者的方位这 一 路视频允许较模糊,只需大概的方位,所以我们在 实验中首先采用H.263压缩标准软件编解码来代 替,占用部分带宽,采用CTF,25F/S.同时在实验的 过程中发现在局域网进行Socket连接时无网络延时 可直接实现网络连接,然后在不同网络的过程中,由 于网络延迟,连接操作需要时间不能瞬间建立,需要 延时等待才能建立连接.H.263的视频在不同网络 的发送同样也需要延时等待一下再发送.眼底拍摄 过程我们采用FullD1,25F/S的时候会出现明显的 丢帧现象,带宽受限制.当采用HalfD1,16F/S的 时候图像清晰,同时实时性及丢帧现象都明显改善 了,满足了远程操控眼底照相机的要求. 当监视患者方位的这一路视频采用H.264压 缩2CIF格式,l6F/s时,眼底拍摄过程采用FullD1, 16F/S时,有明显丢帧现象,采用HalfD1,16F/S时 实时性较好,能满足远程操控眼底照相机的要求. 表2是2路视频信号传输的网络的R]. 5结语 本文介绍了一种基于WINSOCK,VPN服务 器与实时视频压缩卡的眼底照相机远程操控系统, 该系统采用H.264实时视频压缩卡进行视频采 集,通过WINSOCK技术传输视频数据及控制信 号,实现了在广域网的实时监控.会诊中心的专家 可通过视频监控观察整个眼底拍照过程,必要时发 送控制信号直接进行眼底远程拍照,极大地保证了 眼底成像的质量,从而扩展了系统的功能,同时该 系统还可方便地应用于远程医学图像传输系统. 参考文献 [1]Ostermann,J.Bormans,J.Iist.Videocodingwith H.264/AVC:tools,performance,andcomplexity[J].Cir cuitsandSystemMagazine,IEEE,2004,(1):7,28 [2]BroquardV着.汪泳译.MFC应用开发教程[M]. 北京:清华大学出版社,1999 [3]路锦正,周冬梅.VisualC++音频/视频处理技术 及工程实践[M].北京:电子工业出版社,2009:619--636 [47李现勇.VisualC++串口通信技术与工程实践 [M].北京:人民邮电出版社,2002 IS]JonesA,OhlundJ.杨合庆译.Windows网络编程 (第二版)[M].北京:清华大学出版社,2002