導航雷達視頻網絡傳輸預處理方法

劉為任，王 寧，周 喆，張文杰，辛玉龍，葛 毅

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

導航雷達視頻網絡傳輸預處理方法

劉為任，王 寧，周 喆，張文杰，辛玉龍，葛 毅

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

為了降低導航雷達視頻窄帶傳輸系統的復雜度，同時保持視頻圖像傳輸的實時性，提出了導航雷達視頻網絡傳輸預處理方法。根據奈奎斯特采悪原理，結合導航雷達視頻數據特點，推導出了導航雷達視頻數據預處理算法，并根據工程愓用對算法進行了優化。利用某型導航雷達對視頻預處理方法進行實悚悚證。實悚結果表明：在保證視頻數據傳輸實時性的前提下，采用預處理方法可將視頻傳輸系統的恪縮模塊由4個減少至1個，邏輯資源消耗降低50%，傳輸的視頻圖像相似度保持在97.88%，有效降低了導航雷達視頻傳輸系統的復雜度，具有驚定的工程愓用價值。

導航雷達；網絡傳輸；視頻預處理；窄帶傳輸

隨著科技的進步，導航雷達視頻傳輸已經開始向著網絡化的方向發展[1]。導航雷達視頻網絡傳輸在傳輸距離、信息共享等方面有著傳統同軸傳輸不可比擬的優勢。目前國內外采用的導航雷達視頻網絡傳輸方案主要有兩種：一種是基于千兆網的雷達數據高速采集與傳輸方案[2-3]；另一種是近幾年發展起來的雷達視頻窄帶傳輸方案，此方案代表了導航雷達視頻網絡傳輸領域的未來發展方向[4-5]。

兩種方案都實現了導航雷達視頻的網絡傳輸，部分相關技術也在實際應用中得到了驗證。但是千兆網必須單獨鐋設，工程造價高難度大，已經逐步被以小波壓縮算法為核心的窄帶傳輸方案代替。窄帶傳輸方案雖實現了導航雷達視頻的百兆網絡傳輸，海量視頻數據的實時壓縮需求卻導致壓縮系統比較復雜。該鐠題限制了導航雷達視頻網絡傳輸方案的應用范圍。

為了降低導航雷達視頻傳輸系統復雜度，以便使窄帶傳輸方案更好地工程應用，提出在視頻窄帶傳輸之前加入導航雷達視頻網絡傳輸預處理方法。對該方法進行了實驗驗證，實驗結果證明：相比未采用預處理方法的導航雷達視頻窄帶傳輸系統，采用預處理方法，可將傳輸系統的壓縮模塊由4個減少至1個，邏輯資源消耗降低50%，傳輸的視頻圖像相似度保持在97.88%。

1 預處理方法方案設計

1.1 導航雷達視頻圖像特點

導航雷達視頻圖像經數模轉換后首先進行噪聲抑制和目標提取處理，所以方位向重頻周期數和每個重頻周期內的距離向采樣點數必須與工作量程對應。計算視頻傳輸峰值帶寬往往達到200Mbps，因此，為保證實時性需采用千兆網直接傳輸或采用基于視頻壓縮的百兆網傳輸。千兆網必須單獨鐋設，造價成本高。目前，國內主要采用基于視頻壓縮的百兆網傳輸方案，如圖1所示。

圖1 導航雷達視頻窄帶傳輸方案Fig.1 Marine-radar video narrowband transmission scheme

1.2 預處理方案設計

采用基于視頻壓縮的百兆網傳輸方案主要有兩點不足。一是視頻壓縮系統復雜度高。壓縮系統由FPGA設計的小波壓縮模塊實現，一次性處理圖像通常取128×128大小的像素塊，稱為一個 Tier。壓縮模塊對一幅導航雷達圖像分成的多個Tier進行順序壓縮。若視頻傳輸峰值帶寬為200Mbps，則需要4個壓縮模塊并行工作才能滿足實時性。二是對顯控終端的數據處理能力要求較高。通用顯示設備分辨率一般是1024×1024，按偏心1.75倍計算，匹配距離向采樣點數為 896。距離向采樣點數大于此值的圖像在終端顯示受制于分辨率必須縮小處理，小于此值的相應就要放大處理。要求顯控終端既要視頻顯示又要進行數據標準化處理。

針對上述不足，設計了視頻數據預處理方案。此方案不僅使視頻傳輸系統的復雜度得到了降低，僅用1個小波壓縮模塊即可完成系統的峰值壓縮任務，同時降低了對顯控終端數據處理能力的要求，如圖2所示。

圖2 導航雷達視頻預處理傳輸方案Fig.2 Marine-radar video pretreatment transmission scheme

2 預處理算法分析

2.1 算法推導

預處理算法就是按照一定算法原理對原導航雷達數字視頻圖像進行處理，將標準化的數字視頻輸出至網絡[6]。根據奈奎斯特采樣定理，頻帶寬度有限的模擬圖像可以被滿足采樣定理的一對應數字圖像不失真地確定。由此可知一幅導航雷達原始模擬圖像可表示為[7]：

式中： fa(x, y)為導航雷達掃描一周的原始模擬圖像；x、y為方位向角度值和距離向距離值； fd(m, n)為對應 fa(x, y)符合采樣定理的數字圖像；m、n為離散方位向角度值和離散距離向距離值， m∈ [0,M - 1]，n∈ [0,N - 1]；M、N為方位向重頻周期數和距離向采樣點數；T、t為方位向采樣周期和距離向采樣周期。

對恢復的 fa(x, y)依次進行方位向和距離向的重采樣，得到新的數字圖像：

式中： fD(k, l)為導航雷達重采樣數字圖像；k、l為重采樣數字圖像離散方位向角度值和離散距離向距離值， k∈ [0,K - 1]、 l∈ [0,L - 1]；K、L為標準方位向重頻周期數和距離向采樣點數；T'、t'為方位向和距離向重采樣周期，T '= T / S、 t ' = t/ s 。S、s為方位向縮放倍率和距離向縮放倍率，S=K/ M、s=L/ N，某個方向倍率大于1即放大，小于1即縮小。

由式(2)可知， fD(k, l)可被 fd(m, n)各元素直接加權和唯一確定，不必恢復至模擬圖像[8-9]。考察累加項系數，令：

對k, l求偏導，令：

馬克沁，全名海勒姆·史蒂文斯·馬克沁，1840年出生于美國緬因州，從小因家貧而未受過正規教育，但因稟賦過人且極富鉆研精神，12歲造出航海計時器，18歲就從馬車坊學徒工變成小面粉廠主。為了解決面粉廠令人頭痛的鼠患，馬克沁發明了一種自動捕鼠器，一晚上輕輕松松就能逮5只老鼠以上。之后，馬克沁又發明了退磁器，成功解決了鐘表靠近直流電燈而失靈不走的問題，在交流電出現前，美國許多鐘表店都使用馬克沁的退磁器。南北戰爭后期，馬克沁受聘于奧林福機械公司，又成功改進了氣體照明燈，發明了自動滅火器等。

得到k = Sm ，l = sn ，此時 F( k, l)= 1。考慮式(3)的局部特性可知 F( k, l)≤ 1且單調，即 fD(k, l)中元素與 fd(m, n)中存在k = Sm， l = sn 關系的元素相關性最大，外圍相關性依次遞減。由于k、 l、 m、 n 均為整數，截取對應 fd(m , n)中相關性最大位置周圍最近四個元素進行 fD(k, l)中元素的加權確定，同時對內插函數做進一步的線性化處理，得到圖像預處理算法公式：

2.2 算法工程實現

導航雷達數字視頻圖像有著方位向重頻周期數及距離向采樣點數與工作量程對應的特點，方位向和距離向的縮放倍率需要動態變化且通常為小數，同時實時性要求較高，需要對圖像預處理公式進行優化。

導航雷達圖像方位向存在絕對角度，系統需要的方位向重頻周期數只需按照角度分辨率根據絕對角度抽取即可，針對縮放倍率是小數的鐠題特別對公式構造了逆映射。最終圖像預處理算法簡化成只有重頻周期內距離向采樣點數的逆映射計算。

單個重頻周期內輸出序列 O（ l）， l∈ ［0, L - 1］，輸入序列 I（ n）， n∈ ［0, N - 1］。對于任一 l∈ ［0, L - 1］，對應兩個位置因子，其中，［］代表向下取整。此時圖像預處理算法公式修改為

該圖像預處理算法可通過FPGA工程實現。

3 實驗驗證

3.1 實驗條件

2）導航雷達圖像：方位向重頻周期數 7200，距離向采樣點數3180，分辨率14bit。

3）導航雷達數據處理和視頻發送單元，主頻100 MHz。

4）百兆網交換機，顯示終端，標準網線。

表1 導航雷達視頻圖像量化參數Tab.1 Marine-radar video image quantization parameter

3.2 實驗過程

為了方便對比，利用國內某款導航雷達的測試模式循環發送之前錄取的一幅實際圖像產生視頻。分兩種情況進行導航雷達視頻網絡傳輸，一是采用傳統的直接窄帶傳輸，二是對視頻數據預處理后再進行窄帶傳輸。

3.3 實驗結果

以預處理算法每個方位向重頻周期內輸出896個標準距離向采樣點數為例，完成一次方位向計算需要5430個時鐘周期，在100 MHz時鐘基準下共耗時54.3 μs，在線后仿真如圖3所示。

視頻發送單元核心FPGA進行兩次視頻網絡傳輸內部邏輯資源消耗如表2所示。

兩次視頻網絡傳輸終端圖像顯示效果如圖4所示。

表2 邏輯資源消耗對照Tab.2 Logic resource consumption

圖3 預處理算法在線仿真波形Fig.3 Simulation waveforms by online pretreatment algorithm

圖4 導航雷達視頻圖像終端顯示Fig.4 Marine-radar video display terminal

3.4 實驗分析

預處理算法完成一次方位向計算所需的 54.3 μs遠遠小于極小重頻周期的104 μs，整個系統延時一個重頻周期，對視頻傳輸系統的實時性影響較小。采用預處理算法之后視頻傳輸系統的壓縮模塊由4個減少到1個，整個系統的邏輯資源消耗減小了50%，達到了復雜度降低的預期。

對于顯示效果用圖像相似度來評價。首先分別計算兩幅圖像的直方圖，然后計算巴氏系數。對于8位灰度圖像，設兩幅圖像的直方圖分布分別為Pn, Qn, n ∈ ［0,255］，則相似度H由下式確定：

經過計算，兩次視頻圖像相似度達到了0.9788。通常相似度大于0.9的兩幅導航雷達圖像人眼即難以分辨其中的區別，圖像中的有用信息得到有效保留。圖5是圖4對應的導航雷達視頻圖像像素分布直方圖。

圖5 導航雷達視頻圖像像素分布直方圖Fig.5 Marine-radar video pixel distribution histogram

4 結 論

本文對導航雷達視頻網絡傳輸預處理方法進行了研究，提出的預處理算法使窄帶視頻傳輸系統的壓縮模塊由4個減少至1個，邏輯資源消耗降低50%，視頻圖像相似度保持在97.88%。經實驗驗證運行預處理算法的導航雷達視頻窄帶傳輸系統可以實時將視頻數據發送至以太網，顯控終端和多顯控終端顯示視頻無失真。達到了工程應用的效果。

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Pretreatment method for marine-radar video transmission over a network

LIU Wei-ren, WANG Ning, ZHOU Zhe, ZHANG Wen-jie, XIN Yu-long, GE Yi
(Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China)

In order to reduce the complexity of narrow-band transmission systems of marine-radar video while maintaining the real-time of video transmission, a pretreatment method for marine-radar video transmission over a network is proposed. According to Nyquist sampling theory and combined with the characteristics of the marine-radar video data, a preprocessing algorithm is deduced for marine-radar video data, which has been optimized based on engineering application. Test results show that, by the pretreatment method, the compression module can be reduced to 1 from 4, and the similarity of transmission video images is kept at 97.88% by taking only 54.3 μs. Therefore the complexity of marine-radar video transmission systems can be effectively reduced, which is valuable in engineering application.

marine radar; network transmission; video pretreatment; narrow-band transmission

TN957.5

：A

2015-09-10；

：2015-11-25

天津市海洋經濟創新發展區域示范項目（CXSF2014-3）

劉為任（1973—），男，研究員，碩士生導師，研究方向為導航、制導與控制。Email: weirenliu@eyou.com

1005-6734(2015)06-0751-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.06.010