多路圖像實時采集偵察系統設計與實現

陳永祿， 張 莉， 張 佳

（1.中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089；2.西安遠方航空技術發展總公司 陜西 西安 710089；3.西北工業大學機電學院 陜西 西安 710072）

現代戰場是由部署在多維空間的光、電子裝備和信息網絡組成的巨大系統，其中情報分系統是主要骨干之一。軍事偵察是為獲取軍事斗爭所需敵方或有關戰區的情況而采取的措施。它是實施正確指揮，取得作戰勝利的重要保障。

航空偵察是軍隊為獲取敵情、地形和有關作戰情報而采取的行動，是實施正確指揮的前提，是取得作戰勝利的重要保證。航空偵察是“發現-定位-瞄準-攻擊-評估”殺傷鏈的重要組成部分，它既是從發現目標到打擊效果評估諸多環節不可或缺的部分，而且實現了信息獲取系統和空中打擊系統的信息近實時傳輸，因此有人稱它為戰場力量的倍增器。在不同的歷史條件下，盡管獲取情報的技術手段不斷發展變化，但是航空偵察在軍事上的重要地位從未削弱。由于航空偵察具有時效性強、準確度高、偵察范圍寬廣深遠、機動靈活、針對性強的特點，既可克服地面偵察受地球曲率和地形障礙物對視線的限制和較強的危險性，又可彌補衛星偵察的細節和時效不足[1]，所以目前它仍是獲取戰術情報的基本和有效手段。

偵察設備通常擁有多種類型的傳感器，目前航空成像傳感器常用的有可見光傳感器和紅外傳感器，二者工作的波段范圍不同。可見光傳感器成像系統體積小、重量輕、結構簡單，并且分辨率較高、對地面目標的邊緣紋理等細節信息比較清晰，抗干擾能力較強，但容易受到天氣等自然條件的影響；紅外傳感器成像系統具有可穿透煙霧，主體目標比較清晰，能晝夜工作等特點[2]，因此，通常根據使用場合的不同選用不同傳感器類型。

由于航空偵察設備通常需要將偵察信息進行實時、遠距離傳輸，在傳輸的過程中易受干擾，出現丟幀、誤碼等現象，因此傳輸數據的完整性與可靠性是衡量偵察信息的重要指標。針對航空偵察設備的以上特點，本文結合成像傳感器的類型設計了一種多路圖像采集的偵察設備，其中一路作為主通道傳輸圖像，另一路作為備份通道。當主通道圖像質量不佳時，可實時切換到備份通道，從而確保了圖像采集的連續性與完整性。

1 系統設計及關鍵技術

1.1 系統總體設計

航空偵察設備在空中對目標偵察的過程中，利用可見光相機（CCD相機）或紅外相機進行拍攝，獲得原始圖像。由于原始圖像體積較大，為了便于傳輸需對原始圖像壓縮，然后通過數傳電臺傳輸至地面站。地面站接收到偵察設備傳來的數據后，根據格式對數據進行位對齊，將圖像解壓還原。解壓后的圖像顯示到監控顯示器界面上，同時根據不同的接收時間保存至地面處理計算機硬盤內指定的文件夾。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 System block diagram

1.2 數據的傳輸

航空偵察設備在獲得信息情報后，必須做好信息的安全傳輸。隨著傳感器、通信技術、網絡技術的日益發達，現在的航空偵察已經實現了近實時性[3]，這對航空偵察移動目標很有效。利用數字信號處理等方式進行影像增強和數據壓縮相機的輸出可以近實時地直接從空中傳送給地面。

由于航空偵察設備需要通過無線鏈路將信息情報傳送到地面，而無線鏈路傳輸過程中信息容易受到干擾，因此需要信息中加入相應的數據校驗機制。以固定長度的數據作為一幀，在每幀數據的頭部與尾部分別加上標志位，地面站在接收數據時根據相應的標志位保存數據，可以最大限度的保證數據的連續性與完整性[4]。幀數據的結構如圖2所示。

圖2 幀數據結構Fig.2 Frame data structure

1.3 圖像的顯示與保存

針對實時性要求高的多任務系統，采用多線程技術可以合理的解決方案。可見光圖像具有較高的分辨率（4008*2672），圖像尺寸與數據容量較大，傳輸速度較慢（1 f/s）；紅外圖像分辨率較低（720*576），圖像尺寸與數據容量較小，傳輸速度較快（4 f/s）。

可見光圖像與紅外圖像的圖像格式不同，故分別采用了不同的圖像壓縮與解壓方式：可見光圖像體積大，為保證數據的正常傳輸，采用壓縮比較高的方式；紅外圖像體積較小，為保證圖像不失真，采用壓縮比較低的方式[5]。

由于在數據格式及保存路徑上相同，因此可見光圖像與紅外圖像在數據傳輸與圖像保存上采用相同的方式：數據傳輸通過數傳電臺，地面站接收到數據后根據數據幀格式進行位對齊。地面解壓后的圖像一方面顯示到監控顯示器上，另一方面按照接收到的時間保存在以日期時間命名的文件夾中。

1.4 系統關鍵技術

偵察設備在獲取到的圖像信息是圖像傳感器輸出的原始圖像（RAW格式），在傳輸過程中為了節約帶寬，需要先將RAW圖像壓縮，待數據傳輸到地面后，再將壓縮數據解壓顯示。

實時圖像解壓顯示的過程中，地面處理計算機需要處理的一路圖像的數據量很大，約為88 Mb/s，同時需要保證系統至少無故障連續工作2小時，對系統的穩定性和可靠性有很高的要求。主通道與備份通道兩路圖像同時傳輸時，為了保證系統的穩定可靠，兼顧到地面處理計算機的性能，系統采用串行解壓的方式。所謂串行解壓方式是指地面處理計算機對接收到的兩路圖像依次分時進行解壓，即同一時刻只處理其中一路的圖像[6]。系統工作流程如圖3所示。

圖3 地面站工作流程Fig.3 Ground station workflow

系統采用VC++6.0平臺編寫，解壓顯示部分采用了多線程技術，在軟件界面運行的同時開啟圖像解壓工作線程，代碼如下：

void Start（）

{

CWinThread*pThread；

//開啟解壓線程

pThread=AfxBeginThread（Thread， this）；

}

//解壓顯示線程

UINT Thread（）

{

//兩通道采用串行分時解壓方式

ThreadFun1（）； //主通道位對齊、解壓顯示函數

ThreadFun2（）； //備份通道位對齊、解壓顯示函數

return 0；

}

兩路圖像在傳輸的過程中由于是連續傳輸，加上數傳電臺傳輸數據的過程中可能的誤碼與丟幀，每幀數據并不一定是以幀頭標志位開始或以幀尾標志位結束，因此地面站接收到數據后首先要對數據進行位對齊操作，然后將對齊后的圖像保存為壓縮文件，再對壓縮文件進行解壓顯示保存。

針對數據錯位的情況，采用了遞歸與迭代算法對數據進行為對齊，實現了較高的處理效率。位對齊過程如圖4所示。

圖4 數據位對齊過程Fig.4 Bits alignment process

為了應對圖像實時顯示過程中光照較弱的情況，程序中加入了圖像增強功能，主要針對亮度與對比度增強處理。圖像增強部分使用CDib類。亮度增強使用CDib類中的ChangBrightness函數，函數原型為：

void ChangeBrightness（CDib*pOrigDib， int nChange）；

nChange是亮度的改變量，改變圖像亮度 pOrigDib為原先的圖像。

對比度增強使用CDib類中的ChangeContrast函數，函數原型為：

void ChangeContrast（CDib*pOrigDib， int nChange）；

nChange是對比度的改變量，改變圖像對比度 pOrigDib為原先的圖像。

2 系統性能評估

為了確保系統能夠按照規定的幀率（可見光圖像1 f/s，紅外圖像4 f/s）解壓顯示圖像，測試單幅圖片的接收解壓速度。測試方法為，在地面搭建數傳電臺，仿真實際傳輸情況，并且編寫單獨的測試用例并加入計時函數，對不同灰度的樣本圖片進行解壓，分別記錄解壓時間如表1所示。

表1 圖像解壓時間測試Tab.1 Image decompression time test

由測試數據可知，可見光圖像的單幅解壓時間在228 ms左右，紅外圖像的解壓時間在30 ms左右。系統對著兩種圖像的解壓速度完全滿足圖像實時顯示所要求的幀率，為系統進行其他處理操作提供了充足的時間裕量。

3 結束語

多路圖像實時采集顯示系統利用多線程技術，結合遞歸與迭代算法，實現了多路圖像數據的接收、對齊、解壓、顯示及保存等多項功能，達到了很高的時效性、完整性，實現了圖像的實時顯示與保存，為圖像的后期處理和分析奠定了良好的基礎。聯試表明，本系統完全達到了設計要求。后續結合模式識別等技術，可以在實現實時目標識別查證等功能。

[1]賈平，張葆.航空光電偵察平臺關鍵技術及其發展[J].光學精密工程，2003（1）:82-87.JIA Ping，ZHANG Bao.Key technology of aerial photoelectric reconnaissance platform and development[J].Optical Precision Engineering，2003（1）:82-87.

[2]孫明超.可見光與紅外偵察圖像融合技術研究[D].長春：中國科學院研究生院 （長春光學精密機械與物理研究所），2012.

[3]郭冬梅.美國航空偵察中信息的獲取及傳輸[J].中國科技信息，2006（20A）:13.GUO Dong-mei.American reconnaissance in information acquisition and transmission[J].Journal of Information Science and Technology of China，2006（20A）:13.

[4]孟超，張曦煌.基于嵌入式系統的圖像采集與傳輸設計[J].計算機工程與設計，2008（17）:4414-4416.MENG Chao，ZHANG Xi-huang.Image acquisition and transmission based on embedded system design[J].Computer Engineering and Design，2008（17）:4414-4416.

[5]（日）谷口慶治編，朱虹等譯.數字圖像處理[M].北京：科學出版社，2002.

[6]周斌，劉秉琦，張瑜，等.利用CCD實現“貓眼”目標探測的實驗研究[J].光電工程，2011（11）:35-39.ZHOU Bin，LIU bing-qi，ZHANG Yu，et al.Using CCD to realize “cat-eye” target detection experimental study[J].Journal of Photoelectric Engineering，2011（11）:35-39.