高分辨率視頻采集記錄器的實現(xiàn)

李新建+閆東旺+張虎龍

摘 要 以飛行試驗為背景，介紹一種高分辨率視頻采集記錄器的實現(xiàn)方案，用于實時獲取飛機試飛過程中飛機的某個部位、場景、狀態(tài)等的數(shù)字影像信息，進行實時監(jiān)控和事后分析。

關鍵詞 飛行試驗；視頻圖像；零配置網(wǎng)絡協(xié)議

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0047-02

飛行試驗是在真實的飛行環(huán)境下，為驗證飛機的某種性能指標是否滿足設計指標要求而進行的各種試驗。光電測試技術作為飛行試驗的重要測試手段，主要完成飛機飛行試驗過程中被試目標的光電特性、空間位置、運動影像等的獲取及測量。

光電測試的一個重要應用領域就是機載視頻的監(jiān)控及測量，即在飛行試驗過程中，通過在飛機上加裝高分辨率攝像頭或高速攝像機，拍攝被試對象，從而實時獲取飛機的某個部位、場景、狀態(tài)等的數(shù)字影像信息，用于實時監(jiān)控和事后分析。針對不同的飛行試驗任務情況和特點，通常需要采用不同的相機，從而研制針對不同相機的機載視頻采集記錄器。本文介紹了一種采用ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置網(wǎng)絡協(xié)議）協(xié)議，壓縮格式為H.264，支持外部觸發(fā)功能的高分辨率百兆網(wǎng)絡相機而開發(fā)的高分辨率視頻采集記錄器。

1 系統(tǒng)主要特點

1）實時同步采集4路高分辨率相機的數(shù)字影像。

2）記錄采集的4路H.264視頻數(shù)據(jù)。

3）具有IRIG-B時間碼同步功能，時間同步精度達到1 ms。

4）具有時間信息嵌入圖像數(shù)據(jù)的功能。

5）具有相機脈沖觸發(fā)信號產生功能。

6）具有網(wǎng)絡相機IP地址自動獲取功能。

7）具有配置參數(shù)定制功能。

8）電源切換時不損壞設備。

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理

2 硬件實現(xiàn)

高分辨率視頻采集記錄器由電源轉換模塊、4個高分辨率相機采集模塊、時統(tǒng)解碼授時模塊、主控模塊、記錄模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1）高分辨率相機。高分辨率數(shù)字相機用于獲取視頻信息，以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流形式傳輸至視頻采集記錄器。高分辨率數(shù)字相機主要特點如表1所示。

表1 高分辨率數(shù)字相機主要特點

2）電源轉換模塊。電源模塊將機載電源轉換為視頻采集記錄器所需的各種電壓，并且提供電源保護。為了有效降低輸入噪聲紋波以及電磁抗干擾能力，在輸入端增加了EMI濾波器，有效提高了電源工作效率。同時為了保證系統(tǒng)能長期正常工作，在電源電路中增加了智能監(jiān)測單元，出現(xiàn)異常則強制復位主控單元。

3）時統(tǒng)解碼授時模塊。時統(tǒng)解碼授時模塊接收IRIG-B碼時間，對IRIG-B碼時間進行解析，將解析后的IRIG-B碼時間通過串口發(fā)送給主控單元，同時產生4路同步TTL脈沖作為4路相機的外部觸發(fā)信號。用戶可以通過軟件設置外部觸發(fā)的開啟、關閉和觸發(fā)的頻率。

4）采集模塊。視頻采集模塊主要實現(xiàn)采集器與相機的通信，解析相機輸出的視頻信號，其處理過程為：每一路相機通過一個獨立的百兆以太網(wǎng)接口發(fā)送給采集器的采集壓縮模塊的網(wǎng)絡接口，網(wǎng)絡接口芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA通過對數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡協(xié)議解析，還原出視頻原始數(shù)據(jù)，通過背板總線送至主控單元進行處理。

5）主控單元。主控單元從背板總線上得到相機的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應處理，由應用軟件控制記錄在固態(tài)電子盤上。主控單元電源管理模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)死機情況下的重啟。主控單元同時提供了板載RAM、USB用戶操作接口，VGA操作接口、網(wǎng)絡輸出接口等。

6）記錄模塊。記錄模塊采用512GB的工業(yè)級固態(tài)電子盤，采用SATA接口寫入技術。

3 軟件實現(xiàn)

采集記錄軟件運行在視頻采集記錄器的主控模塊之上，完成壓縮視頻數(shù)據(jù)流的實時預覽和記錄。

軟件系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為五個功能模塊：相機適配模塊、系統(tǒng)配置模塊、相機采集模塊、相機預覽模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊，如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊劃分

1）相機適配模塊。本系統(tǒng)中采用的相機支持ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置網(wǎng)絡協(xié)議）協(xié)議，相機適配模塊完成對此協(xié)議的適配。ZeroConf協(xié)議是IETF（Internet Engineering Task Forces）提出的一組關于IPv4局域網(wǎng)地址連接和動態(tài)配置用協(xié)議的總稱，目標是為網(wǎng)絡設備在小型網(wǎng)絡下建立便捷的網(wǎng)絡服務，即不需任何手工以及其他服務，如動態(tài)主機設置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）等的支持，自動發(fā)現(xiàn)IP網(wǎng)絡上的電腦、設備和服務，從而自動配置組網(wǎng)并正常工作[1]。ZeroConf協(xié)議主要包括以下三個功能：①設備IP地址自動分配（Link-Local address）；②域名與IP地址自動轉換（Multicast DNS）；③網(wǎng)絡服務自動發(fā)現(xiàn)（DNS- Service Discovery）。

本系統(tǒng)中，針對所用的相機，通過ZeroConf協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)內服務類型和傳輸協(xié)議的自動搜索、定位，從而自動獲取相機設備的IP地址、域名、網(wǎng)絡服務功能和設備信息等。

2）系統(tǒng)配置模塊。系統(tǒng)配置模塊完成對系統(tǒng)各功能的設置，主要包括2個方面：①相機參數(shù)的配置，本系統(tǒng)中采用的相機支持HTTP/CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關接口），通過此接口，實現(xiàn)采集器對相機各類參數(shù)的設置，具體原理如圖3所示；②系統(tǒng)全局參數(shù)配置，完成對外部觸發(fā)頻率、時間源、是否預覽、存儲路徑等的全局參數(shù)設置。

3）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是通過百兆網(wǎng)絡獲取相機發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，主要處理過程為：當需要采集視頻數(shù)據(jù)時，相機作為Server端，采集器作為Client端，建立相機和采集器間的連接，完成 RTSP（Real Time Streaming Protocol，實時流傳輸協(xié)議）會話，請求Server端的相機上傳數(shù)據(jù)并打開時統(tǒng)解碼授時板上的外部觸發(fā)，相機將視頻數(shù)據(jù)以RTP包的形式發(fā)送給采集器。同時，通過控制時統(tǒng)解碼授時板上的外部觸發(fā)，實現(xiàn)四路視頻數(shù)據(jù)的精確同步采樣。經(jīng)測試，四路同步采樣達到1 ms的同步精度。

圖3 相機參數(shù)配置原理

4）數(shù)據(jù)記錄模塊。數(shù)據(jù)記錄模塊主要功能是將采集到的視頻數(shù)據(jù)進行解析，并疊加IRIG-B碼時間，使得每一幀的視頻拍攝時間與疊加的IRIG-B碼時間精確同步，并將視頻數(shù)據(jù)存儲到固態(tài)電子盤上。經(jīng)測試，每一幀視頻的拍攝時間與疊加的IRIG-B碼時間精確同步，時間同步精度達到1ms，保證了飛行試驗完成后事后分析的準確性。

5）視頻預覽模塊。當開啟預覽功能時，視頻預覽模塊是將視頻數(shù)據(jù)渲染，成像，進行實時顯示。

該項目產品目前已經(jīng)研制完成，設備運行可靠，技術指標達到了設計要求，將在某型號飛機的飛行試驗中得到應用。

參考文獻

[1]趙昕，郭恩全，李小杰，胡華偉.一種實現(xiàn)網(wǎng)絡自動配置及服務發(fā)現(xiàn)的零配置協(xié)議[J].計算機測量與控制，2008（08）.

[2]尹誠，黃小仙，尹達一.千兆級視頻流實時處理關鍵技術研究[J].科學技術與工程，2012（09）.

作者簡介

李新建（1981-），男，工程師，主要從事飛機性能品質試飛、項目管理等。

閆東旺（1981-），男，工程師，研究方向：測試技術、視頻采集、嵌入式系統(tǒng)等。endprint