機載GigE Vision高清影像采集記錄技術研究

摘 要： 在運八型飛機飛行流場測試課題中為了達到對機體不同部位的絲帶進行高清影像采集記錄的目的?在試驗過程中設計了基于GigE Vision接口標準的多路高清機載視頻采集記錄方案?在機載測試環境下實現了雙路1 080P高清視頻的實時采集、傳輸、壓縮與記錄。同時將IRIG?B時間精確同步技術引入高清視頻采集系統中?實現了拍攝畫面與測試系統的精確同步功能。在此詳細介紹了機載視頻采集記錄系統的主要設計內容以及實現方法?并結合具體飛行試驗?對研究成果進行了驗證和應用說明。

關鍵詞： GigE Vision； 高清影像； 視頻采集； 飛行試驗

中圖分類號： TN911?34；TP333.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0045?04

0 引 言

隨著高分辨數字攝像機技術的不斷發展，在科研試飛中膠片式攝像機已經逐步退出了歷史舞臺，機載數字攝像機分辨率的不斷提升是技術發展必然趨勢[1?2]。在近幾年的科研試飛過程中，機載高分辨率數字攝像機所獲取的高清晰度數字視頻已經在很大程度上帶來了測量精度的提高和視覺效果的改善。但機載高分辨數字視頻本身數據量大，對其進行實時傳輸與采集壓縮是一項亟待解決的課題。以運八飛機流場測試課題中的應用為例，1套數字視頻采集設備需要對分辨率為1 600×1 200像素、幀頻為30 f/s、時長為240 min的2路數字視頻進行傳輸與采集，單路傳輸所需的數據率接近為83 MB/s，傳輸距離接近30 m，采集2路的未壓縮視頻的數據量大于800 GB，對此，存在兩個方面的問題需要解決：

（1）需要一種兼顧傳輸速率、傳輸距離的視頻接口標準；

（2）需要一種高效的視頻編解碼技術以實現高分辨率數字視頻的壓縮采集。

本文針對以上兩個問題，結合實際應用環境對GigE Vision和H.264技術進行了相關研究，旨在研制出一種滿足機載測試條件的基于GigE Vision接口標準的高清影像視頻采集記錄系統，解決高清數字視頻長距離傳輸過程中存在的信號衰減問題，探索出一種高效的視頻編解碼技術，實現多路高清數字視頻的采集壓縮記錄以及回放顯示，并在飛行試驗過程中提供滿足地面監控所需的遙測下傳視頻圖像。

1 系統總體設計

基于GigE Vision的高清影像采集記錄系統應用于機載環境下，其設備的研制首先需要滿足寬溫、振動和復雜電磁等要求。根據運八飛機流場測試的特點和要求，為了保證能夠在飛行試驗過程中獲取到穩定可靠的高清影像，在設計與研制本系統的過程中應用了較為先進的圖像采集、傳輸、壓縮技術，構建了一套機載高清影像采集記錄系統。PC?104PLUS是一種較為流行的機載測試設備構建方式，具有緊湊的結構，穩定的帶寬，優異的抗振性能。統籌考慮各方面的因素，在設計系統的時候各種采集板總線采用PC?104PLUS總線[3?5]。高清影像采集記錄系統的主要設計指標有以下幾點：

（1）圖像獲取單元：圖像獲取部分使用了兩臺高分辨率的數字攝像機，提供分辨率達1 600×1 200畫質的數字圖像；

（2）視頻傳輸單元：視頻數據傳輸部分采用了基于GigE Vision標準接口的千兆網絡，該視頻接口標準能夠提供最大達125 MB/s的數據傳輸速率；將PC104板卡輸出的VGA信號轉換為標準PAL信號輸出到遙測系統進行遙測下傳；

（3）采集壓縮單元：視頻記錄部分采用了H.264視頻壓縮編碼技術，以30 f/s的速度對千兆網口中傳來的原始圖像數據進行實時的壓縮，并將壓縮后的數據以標準視頻文件的方式保存至電子盤[6?7]。

2 關鍵技術

2.1 GigE Vision高清影像采集

GigE Vision是一種新出現的高性能工業攝像機接口標準，它由AIA （Automated Imaging Association）創建并推廣的，廣泛適于工業成像應用，通過網絡傳輸視頻信號的標準。隨著以太網技術的飛速發展，建立在現存網絡標準基礎上的GigE Vision在數據傳輸長度和速度上顯示了很大的優勢[8]。

GigE Vision標準制訂的主要目的是提供一個開放的平臺，以供攝像機和采集計算機間可以利用以太網相互傳輸大量及時的影像和控制信號，開放兼容是它主的目的。在效能上它提供了不同的選擇，廠商可以自行依照產品性能和定位來選擇他們要提供的效能，包括CPU的使用率、幀率（f/s）、實時性和信號同步性等。

幾乎所有的計算機都擁有以太網接口，因此，使用GigE Vision攝像機時，就不需要額外增加其他的適配卡如1394卡或Camera Link 卡，同時也不用影像采集卡（Grabber card），這大大的節省了系統的成本和提升了方便性。而且，CPU資源的占用可低至2%（其他如IEEE 1394可占20%～25%，USB可占約35%～40%）；GigE Vision攝像機使用CAT5e或CAT6網線直接連接攝像機和采集計算機，其距離可達100 m；另外，CAT5e或CAT6類型網線非常易于用一般的工具加工，這對于常要因依現場環境布線的應用，非常方便。

國際上較為流行的數字攝像機接口類型有：GigE Vision、IEEE 1394、CameraLink以及USB 2.0等。GigE Vision與Camera Link，IEEE 1394，USB 2.0相比，標準協議完善可靠，擁有更長的傳輸距離、更大的數據帶寬，并且不需要專用的圖像采集板卡。

根據GigE Vision Version 1.0所發布的標準，GigE Vision高清影像采集在協議方面包括四個部分的實現內容：

GDDM（GigE Device Discovery Mechanism）：定義攝像機如何獲取IP 地址和如何在網絡上被識別。

GVCP（GigE Vision Control Protocol）：定義如何描述數據流通道、控制命令以及GigE Vision攝像機的設定。

GVSP（GigE Vision Stream Protocol）：定義影像在傳送時如何封裝以及GigE Vision攝像機如何將影像和其他信息傳送給遠程采集計算機。

2.2 時間信息同步

為了使采集的兩路視頻畫面能夠精確同步于其他測試設備，需要在系統中研制專用的GPS時間采集板卡，用于讀取時碼發生設備所輸出的IRIG?B碼信號。時間信息采集板卡的主要功能是采集IRIG?B時碼信號，并將信號經過放大、濾波、同步檢測后輸出直流的IRIG?B（DC）信號。IRIG?B（DC）信號順序輸入幀同步檢測模塊和字同步檢測模塊以獲取幀同步信號和字同步信號。同時將毫秒脈沖與同步信號對齊，用計數的方式獲得時間信息中的毫秒值。

獲取時、分、秒及毫秒的絕對時間信息后，將數據寫入板載內存中，并向PC104PLUS總線發出中斷信號，等待系統采集程序的獲取。系統在采集每一幅高清影像的同時通過總線讀取時間采集板卡中解析的時間信息作為本幅影像的標識時間。在通過網絡接收到完整的一幅影像數據后，調用H.264算法對數據進行壓縮，壓縮后數據并同時間信息一同寫入視頻文件中，從而保證圖像畫面與其他測試設備的嚴格同步。

2.3 I/O輸入/輸出

在高清影像采集記錄設備上增加一組LED發光二極管對采集設備的當前工作狀態進行標識可以極大的增加人機界面的友好度，方便工作人員的使用與檢查。同時將操作面板上的數碼開關與設備內部的I/O通道相連，系統通過讀取I/O通道的當前數值實時改變采集程序工作模式。I/O輸出通道用于控制LED發光二極管的點亮與否，從而明確設備是否相應人工操作。I/O輸入輸出模塊需要完成以下兩點工作。

首先，與設備自我檢查與診斷程序相結合，以控制各個LED發光二極管的點亮狀態對外顯示采集系統當前工作情況。包括：

（1）系統是否正常上電工作，采集程序是否如期啟動；

（2）高清視頻采集的數據量特別巨大，因此需要在采集記錄視頻數據的同時關注電子盤的剩余空間大小，當剩余空間小于8 GB時，無法完成當前架次的試驗任務，需要進行紅燈告警；

（3）當電子盤的剩余空間小于100 MB時，為防止損壞已記錄數據，自動停止采集，并告警；

（4）GigE Vision高清影像視頻信號輸入、B碼信號是否正常；

（5）具備看門狗功能，在系統處于非正常工作狀態時自動重啟。

其次，具備遙測傳輸通道選擇功能。當前機載視頻遙測傳輸方式在單頻點的情況下只能向地面發送一路PAL模擬視頻。因此在輸入/輸出模塊上必須有視頻選擇功能，將采集設備采集的兩路高清影像選擇一路進行格式轉換后進入遙測通道實時下傳。

2.4 視頻壓縮

高清圖像的分辨率達到了200萬像素的級別，也就是說在不壓縮的情況下一幅貝爾彩色圖像的數據量有2 MB。按照一分鐘30 f/s的采樣速度計算一分鐘需要存儲的數據有3.6 GB。海量的數據對電子盤的長時間記錄和存儲帶來的極大的困難，同時為了減小采集過程中的畫質損失，采用和設計合適的壓縮算法是系統研制的主要難題之一。

MPEG?4視頻壓縮技術是國際最為流行的視頻壓縮技術之一。它基于小波編碼技術對圖像進行畫面分割與運動評估，具有空間時間雙重壓縮功能，相比MPEG?1/MPEG?2而言在不損失畫面質量的前提下有著更高壓縮比。同時MPEG?4視頻壓縮技術能夠根據畫面內容實時調整壓縮比，在畫面變化不復雜的情況下適當減小輸出比特率，能夠滿足網絡實時傳輸對帶寬及圖像質量的要求 [9]。

為了能夠適應不同的網絡傳輸環境，并且在低比特率下得到較為良好的圖像壓縮效果，ITU_T的視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC的活動圖像專家組（MPEG）聯合制定的最新視頻編碼標準H.264 [10]。H.264可以看成MPEG?4的一個特殊應用，同樣使用塊運動補償與變換編碼的雙重混合編碼架構，在保留MPEG?4優點的同時采用了諸如幀內預測、可變圖像分割、亞像素運動預估等新編碼技術，使其在同等條件下具有更好的壓縮性能，使數據量減少30%～50%。

使用過程中對比各種壓縮算法實際效果，H.264算法在各個方面表現最好，但其算法運算量大，計算復雜，普通PC104的單核CPU無法完成200萬像素分辨率的圖像數據包30 f/s壓縮的目的。經過實驗分析，綜合考慮圖像質量、壓縮效果和記錄時長等各類指標，硬件選用具有雙核1.5 GHz CPU的PC104主板，完成對雙路GigE Vision高清影像H.264實時壓縮。

4 結 語

試飛實踐證明了新研制的基于GigE Vision接口標準的機載高清影像采集系統能夠滿足機載環境下的使用需求。采用該系統可以進行長時間、雙路視頻采集，可以保障飛機長航時的需求。獲得的高清影像不但可以用于事后分析，還可進行飛行實時監控，在一定程度上為保障飛行安全起了一定的作用。該系統的研制成功開拓了一種新的高速視頻傳輸總線，對機載高分辨率視頻圖像的采集記錄技術起了很好的推動作用。

參考文獻

[1] 計文平，郭寶龍.數字視頻壓縮編碼的國際標準[J].計算機應用研究，2003，20（4）：53?55.

[2] 郭江瀾，譚峰.一種機載視頻VGA采集和播放系統[J].計算機工程與科學，2008，30（8）：42?43.

[3] 陳偉，宋燕星.基于LVDS技術的高速數字圖像傳輸系統[J].電子測量技術，2008，31（11）：172?174.

[4] 劉振岳，江志農.基于PC/104+的多通道數據采集系統的設計[J].儀器儀表用戶，2008，15（5）：30?32.

[5] 李宏，吳衡.機載LVDS數字視頻信號采集記錄技術研究[J].電光與控制，2011，18（5）：72?75.

[6] 盛懷亮，林濤.全高清CABAC解碼器的設計與實現[J].計算機工程，2008，34（19）：236?238.

[7] 韓崢，唐昆，崔慧娟.基于H.264的碼率控制算法[J].清華大學學報：自然科學版，2008，48（1）：59?61.

[8] Automated Imaging Association. GIGE Vision， GigE Vision Specification version 1.0 [R]. [S.l.]： Automated Imaging Association， 2006.

[9] 亓璐，張勇.基于MPEG?4的實時視頻壓縮系統的研究[J].信息技術與信息化，2005（3）：106?107.

[10] 于援東，毛莉花.H.264高清記錄格式的特點與應用[J].電視技術，2008，32（1）：74?76.