遙測地面站視頻解碼系統的設計

賴彪

（91245部隊 遼寧 葫蘆島125001）

遙測地面站視頻解碼系統的設計

賴彪

（91245部隊 遼寧 葫蘆島125001）

為了實現飛行器試驗中視頻圖像傳輸解碼的需求，提出了一種遙測視頻解碼解決方案，并完成了系統的軟硬件設計。該解碼系統同時采用了硬解壓和軟解壓兩種工作方式，硬解壓采用"ASIC+處理器"的設計平臺，運行Linux系統管理系統。軟解壓采用高性能的工控機為硬件平臺，利用軟件實現了視頻數據H.264方式的解碼、保存、同步播放等功能。實際應用表明，該系統能夠實現遙測數據中視頻信息的實時顯示、存儲和回放，達到了設計要求。

視頻遙測；視頻圖像；視頻編碼；H.264

遙測系統是飛行器試驗中的重要組成部分，隨著測控技術的飛速發展，遙測技術的發展同樣日新月異，人們已經不滿足于遙測信道只傳輸傳統上的測量值，而希望能夠傳輸各種不同的數據，例如實時圖像信號。在飛行試驗過程中，將飛行目標拍攝的視頻和圖像通過遙測信道實時傳送到遙測地面站，提供給地面人員，已經越來越成為飛行試驗中不可缺少的技術手段［1］。通過飛行器遙測數據圖像傳輸，使技術人員能夠實時觀測飛行目標的動作，特別是對一些關鍵時刻的飛行狀態，從不同的角度和部位來觀測，有利于試驗故障的分析、定位和排除，便于改進設計，縮短產品的研制周期。

在一些應用場合中，視頻圖像信號幀率高，因此要求的遙測碼速率也很高，在分辨率不高的情況下，其碼速率就達到十幾Mbps，而且往往在傳輸視頻遙測圖像的同時，還要傳送飛行目標的其它遙測參數［2］。因此必須對視頻圖像進行壓縮，降低碼速率［3-4］。文中介紹了一種遙測地面站視頻解碼系統，對飛行目標遙測信號中的視頻信息解碼并實時顯示。

1 視頻編解碼技術

視頻壓縮技術，是針對視頻信號存在冗余的情況，對數字視頻信號進行編碼壓縮和解碼處理的技術，盡可能地在較低碼率的情況下不影響圖像的整體質量。視頻壓縮技術已廣泛應用于娛樂、多媒體等商業領域，也迅速滲透到軍事領域。20世紀90年代以來，ITU-T和ISO制定了一系列多媒體編碼的標準，目前常用的視頻編碼技術主要有MJPEG、MPEG1/2、MPEG4（SP/ASP）、H.264/AVC等幾種。

H.264是ITU-T的視頻編碼專家組 （VCEG）和ISO/IEC的動態圖像專家組（MPEG）聯合制定的新的視頻編碼標準。同以往的壓縮技術相比，同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數據量更少。它采用混合編碼結構，提高了編碼效率。其具備的分層編碼技術、錯誤約束機制、錯誤掩蓋技術及高效的比特流切換技術也使得該標準特別適合應用于IP網以及移動傳輸網。根據H.264的一系列優點，在本方案中采用了H.264編解碼方式［5-6］。

2 系統概述

遙測地面站的視頻解碼系統屬于遙測地面站的1個分系統，系統總體結構圖如圖1所示。飛行目標的視頻信息經過采集后利用H.264編碼方式進行壓縮，壓縮后的視頻數據與常規遙測數據合并到遙測數據幀中，通過遙測發射系統進行無線發射［7-8］。遙測地面站通過接收天線接收無線信號后由遙測接收機解調還原遙測數據幀，圖像解碼終端從遙測數據幀中提取視頻數據，送入解碼器解碼，進行實時顯示和記錄［9-10］。系統同時采用了硬件解碼和軟件解碼兩種方式。

圖1 系統總體結構圖

3 系統設計

3.1 硬件設計

圖像解碼終端為19英寸標準CPCI機箱，2U的高度。解碼終端主要由圖像解碼板、研華MIC3392A工控主板和2U標準CPCI工控機箱等設備組成，如圖2所示。圖像解碼板采用硬解壓的方式對視頻信息進行解碼，研華MIC3392A工控主板和相應的外設組成高性能的工控計算機，采用軟件解壓的方式對視頻信息進行解碼。

圖2 系統硬件結構圖

3.2 硬解碼設計

圖像解碼板采用“ASIC+處理器”的設計平臺，操作系統采用Linux系統，實現H.264的視頻解碼任務和基于以太網的通信傳輸。圖像解碼板原理圖如圖3所示。采用這種“核心板+功能底板”的結構，提供較小體積的編解碼核心板，配合定制接口的功能底板，可以靈活快速滿足不同的傳感器和不同的系統形式。

圖3 圖像解碼板原理圖

3.3 軟解碼設計

軟解碼主要通過圖像解碼軟件來實現，圖像解碼軟件是系統配套的應用軟件，實現對網絡視頻的實時軟件解碼和記錄存儲的功能。軟件功能框圖如圖4所示。

圖4 圖像解碼軟件功能框圖

功能設置模塊：主要對軟件的工作方式進行設置，網絡工作模式下接收網絡視頻數據進行處理，本地工作模式下對本機存儲的視頻數據進行處理。

網絡通信模塊：主要完成網絡的實時通信功能，包括建立網絡連接，接收網絡視頻數據，接收網絡時碼信息。

視頻去復用模塊：網絡數據包包括網絡數據幀頭、附加時間碼等信息，本模塊主要對網絡數據包的各種數據進行識別，自適應后進行H.264解碼。

存儲視頻模塊：主要對視頻去復用后的視頻流進行記錄，保存成本地可以播放的視頻文件，方便后期觀看處理。

H.264解碼模塊：主要的解碼過程包括熵解碼、逆量化、運動補償等。采用基于數據流與流水線技術相結合的控制策略對串行數據實施并行化處理，提高解碼效率。

視頻重構模塊：主要對解碼后的圖像數據進行重構，疊加網絡接收到的時間碼等信息，形成相應的圖像幀。

合成顯示模塊：對最后形成的圖像幀在計算機上進行顯示，為了達到更好的顯示效果，對圖像進行了數字濾波和圖像動態對比度調整。

4 運行結果

遙測系統回放帶有圖像信息的遙測數據文件，解碼系統實時進行H.264解壓并顯示圖像。解碼終端實時工作界面如圖5所示。顯示界面左邊是圖像顯示區，右面是控制區。

圖5 圖像解碼軟件運行界面

5 結束語

基于H.264技術的視頻解碼方案，在某型試驗中進行了實際應用，實現了飛行器試驗中遙測視頻圖像的實時顯示、存儲和回放。本方案適合于國內的大部分遙測設備，能夠滿足遙測視頻系統試驗的需求。

［1］魏建新．飛行試驗中多路視頻數據實時處理系統設計與實現［J］．電子設計工程，2015，23（9）：81-83．

［2］張焱，周建江．MPEG4信號與遙測信號混合圖像編碼技術的設計與實現［J］．電腦知識與技術，2009，5（10）：2715-2716．

［3］高楊，劉榮科，胡偉．基于FPGA+DSP的高清視頻圖像系統設計與實現［J］．電子測量技術，2011，34（1）：69-73．

［4］江民俊，王琪．基于FPGA和ARM的彈上視頻圖像遙測系統設計［J］．江西通信科技，2012，3（1）：9-11．

［5］李宏，吳衡，馮巧寧．基于單向無線網的飛行試驗視頻遙測傳輸技術［J］．測控技術，2010，29（6）：29-32．

［6］張魯濱，胡晉銘，范秉宇，等．基于無線網絡的機載數字視頻遙測傳輸技術［J］．海軍航空工程學院學報，2010，25（2）：189-193．

［7］張會新，孫偉，辛海華．遙測視頻圖像采集壓縮系統的設計與實現［J］．電視技術，2015，39（3）：43-45．

［8］馮妮，張會新．遙測數字視頻信號高速采集存儲系統的設計與應用［J］．計算機測量與控制，2013，21（1）：279-281．

［9］魯希團，李大健，田雪濤．無人機視頻圖像與測控數據同步記錄與回放系統［J］．航空計算技術，2014，44（3）：32-34．

［10］張杰，鄒強，晏暉．機載多路視頻PCM遙測傳輸技術［J］．計算機與數字工程，2013，41（5）：805-807．

Design of video decoding system for telemetry ground station

LAIBiao
（91245 Troops of PLA，Huludao 125001，China）

In order to realize the demand of video image transmission and decoding in the aircraft tests，the author design a telemetry video decoding solution，and the hardware and software design of the system is completed.The system adopts both the hard decompression and the soft decoderways to decode the video data.The design platform of ASIC+Processor and the Linux operation system are used in the Hard decompression.High performance Industrial PC isadopted in the softdecoder as hardware platform，and various functions including the decoding，saving and synchronized playing have been realized.The practical application shows that the system can realize real-time display，storage and playback of the video information in the remote sensing data，and itcan reach the design requirements.

video telemetry；video；video encode；H.264

TN919.5

A

1674－6236（2016）20-0104-02

2015-11-03 稿件編號：201511031

賴 彪（1973—），男，遼寧葫蘆島人，高級工程師。研究方向：計算機測控技術。