關(guān)于機(jī)載實(shí)況攝錄傳輸系統(tǒng)中視頻圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

喬文長(zhǎng) 田向陽(yáng)

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524002）

1 引言

目前各類(lèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理主要分為事后數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和視頻圖像數(shù)據(jù)處理三大類(lèi)。由于多種因素的影響，試驗(yàn)中視頻圖像數(shù)據(jù)處理比較薄弱，視頻圖像數(shù)據(jù)處理、使用和管理仍處于原始階段，隨著實(shí)驗(yàn)任務(wù)需求不斷增加，視頻圖像信息越來(lái)越多，作用越來(lái)越大，對(duì)視頻圖像信息的質(zhì)量要求越來(lái)越高。因此，結(jié)合試驗(yàn)需求，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)視頻圖像數(shù)據(jù)處理可以有效提高試驗(yàn)視頻圖像信息的可用度。

2 試驗(yàn)視頻圖像信息現(xiàn)狀分析

2.1 試驗(yàn)視頻圖像信息分類(lèi)

雖然試驗(yàn)視頻圖像信息很多，但是可以按照視頻圖像使用特性對(duì)試驗(yàn)視頻圖像信息分類(lèi)。

1）紅外光學(xué)電影經(jīng)緯儀。紅外光學(xué)電影經(jīng)緯儀錄取的試驗(yàn)視頻圖像信息有兩種，一種為光學(xué)視頻圖像信息，另一種為紅外視頻。光學(xué)視頻圖像用于觀測(cè)被試品飛行初段的工作狀況，紅外視頻圖像用于實(shí)時(shí)定性分析被試品飛行狀態(tài)。并通過(guò)該設(shè)備提供的方位角和俯仰角計(jì)算被試品飛行初段的運(yùn)行參數(shù)［1］。

2）水下微光設(shè)備。水下微光設(shè)備拍攝的為光學(xué)視頻圖像信息。主要用于觀測(cè)被試品發(fā)射平臺(tái)是否按照試驗(yàn)程序正常開(kāi)啟、關(guān)閉以及被試品出筒情況，便于指揮員按照試驗(yàn)進(jìn)程對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行指揮。

3）圖像聲納。圖像聲納設(shè)備安裝在被試品發(fā)射平臺(tái)上，獲取水下視頻信息。在此基礎(chǔ)上計(jì)算被試品水中段運(yùn)行參數(shù)。

4）攝像機(jī)。不同類(lèi)型的攝像機(jī)分布設(shè)在被試品發(fā)射區(qū)域，拍攝的視頻信息主要用于觀測(cè)被試品飛行狀態(tài)，指揮員能更直觀掌握被試品出水以及初段飛行的實(shí)況。

2.2 影響試驗(yàn)視頻圖像信息質(zhì)量因素分析

影響試驗(yàn)視頻圖像信息質(zhì)量除了錄取設(shè)備傳感器自身質(zhì)量因素外，主要有以下幾點(diǎn)：

1）海上能見(jiàn)度。氣象對(duì)紅外光學(xué)電影經(jīng)緯儀和攝像設(shè)備的視頻圖像質(zhì)量影響很大。以往為了滿(mǎn)足圖像質(zhì)量需求，對(duì)海上能見(jiàn)度的要求≥15km。但試驗(yàn)任務(wù)時(shí)往往達(dá)不到要求，由于能見(jiàn)度低，光學(xué)拍攝的視頻信息非常模糊，很難分辨出被試品飛行的狀況。

2）攝像平臺(tái)。由于海情、海況等因素影響，造成攝像平臺(tái)不穩(wěn)定，攝取的圖像發(fā)生扭曲變形，影響技術(shù)人員對(duì)被試品出水姿態(tài)的分析。

3）信息傳輸。視頻圖像信息通過(guò)微波長(zhǎng)距離傳輸受環(huán)境條件的影響［2］，造成信號(hào)衰減并且在圖像中疊加了大量的噪聲，直接影響視頻圖像顯示效果。

3 視頻圖像信息處理系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)任務(wù)分析及處理思路

1）系統(tǒng)任務(wù)分析。被試品飛行試驗(yàn)視頻圖像信息處理系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)可歸納為，一是對(duì)各類(lèi)視頻圖像信息進(jìn)行增強(qiáng)、還原等處理，提高圖像視感質(zhì)量；二是對(duì)圖像壓縮處理［3］，便于存儲(chǔ)管理；三是將處理后的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)顯示，提高顯示效果；四是對(duì)原始視頻圖像和處理后的視頻圖像進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)；五是提供視頻圖像信息查詢(xún)、增加、刪改等數(shù)據(jù)庫(kù)管理手段。

2）視頻圖像信息處理基本思路。根據(jù)任務(wù)需求可以確定視頻圖像處理的基本思路。首選選擇合適試驗(yàn)視頻圖像處理方法，建立圖像實(shí)時(shí)處理數(shù)學(xué)模型，采用并行算法和可視化編程技術(shù)將已建立的數(shù)學(xué)模型研發(fā)為圖像實(shí)時(shí)處理軟件系統(tǒng)。利用圖像采集可將連續(xù)視頻圖像信息，分解為多幅單張圖片，由圖像實(shí)時(shí)處理軟件系統(tǒng)對(duì)每幅圖片自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后采用合成演示的方法，最后實(shí)現(xiàn)視頻圖像實(shí)時(shí)連續(xù)處理和顯示功能。采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)原始和處理后的視頻圖像信息進(jìn)行存儲(chǔ)，提供查詢(xún)、增加、刪改等數(shù)據(jù)庫(kù)管理手段。

3.2 視頻圖像信息處理平臺(tái)建立基本原則

1）實(shí)用性。視頻圖像信息處理平臺(tái)主要功能分為兩大部分，一部分為視頻圖像處理，另一部分為視頻圖像存儲(chǔ)管理。視頻圖像處理對(duì)象要涵蓋實(shí)驗(yàn)任務(wù)所有的視頻圖像信息，對(duì)不同的視頻圖像可以采用不同的處理方法，并提供相應(yīng)的操作菜單進(jìn)行分類(lèi)處理控制。視頻圖像存儲(chǔ)管理首選將圖像信息分類(lèi)壓縮處理［4］，然后利用大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行管理，便于保密授權(quán)和搜索查詢(xún)等管理。

2）實(shí)時(shí)性。試驗(yàn)視頻圖像信息處理后，需要在指控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。因此，信息的采樣、處理以及信息還原等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)要充分考慮其實(shí)時(shí)性，處理的模塊不能過(guò)于復(fù)雜，另外，視頻信息查詢(xún)時(shí)間也要有相應(yīng)的限制，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要完成實(shí)時(shí)性指標(biāo)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，其技術(shù)指標(biāo)：信息采集頻率：25Hz；圖像處理周期：40ms；圖像處理時(shí)延：≤ 2s；普通查詢(xún)時(shí)延：≤5s；組合查詢(xún)時(shí)延：≤50s。

3）擴(kuò)展性。隨著試驗(yàn)需求的不斷增加，視頻圖像信息將會(huì)越來(lái)越多，在系統(tǒng)時(shí)要充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。依托試驗(yàn)IP網(wǎng)絡(luò)，采用IP協(xié)議和分組交換技術(shù)［5］，建立適應(yīng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的、視頻圖像處理需求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4）可靠性。視頻圖像處理系統(tǒng)的使命之一是進(jìn)行視頻圖像實(shí)時(shí)處理與顯示，必須具備與指控中心其他設(shè)備相同的可靠性，才能不影響試驗(yàn)任務(wù)的順利進(jìn)行。因此，其平均故障間隔時(shí)間應(yīng)為MTBF≥1000h；平均故障修復(fù)時(shí)間應(yīng)為MTTR≤0.5h。

3.3 提高視頻圖像質(zhì)量的基本處理方法

針對(duì)被試品飛行試驗(yàn)視頻圖像質(zhì)量不高影響試驗(yàn)指揮決策等問(wèn)題，需要對(duì)試驗(yàn)視頻圖像進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，即對(duì)視頻圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等處理。

1）圖像變換。在圖像處理過(guò)程中采用傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換［6］等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可以減少計(jì)算量，還可以獲得更有效的處理［7］。

2）圖像編碼壓縮。采用圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的JPEG和MPEG對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理。Windows為用戶(hù)設(shè)計(jì)兩種圖像壓縮方法，一種為16色圖像提供RLE4壓縮方法；一種為256色圖像提供RLE8的壓縮方法。

3）圖像增強(qiáng)和復(fù)原。為了改善圖像的視覺(jué)效果，提高圖像的清晰度以及使圖像變得有利于計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，采用空間域方法和變換域方法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理［8］；再根據(jù)降質(zhì)過(guò)程建立“降質(zhì)模型”，采用濾波方法［9］，回復(fù)或重建原來(lái)的圖像。

4）圖像分割。雖然目前已經(jīng)研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法［10］，但是還沒(méi)有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對(duì)不同的視頻圖像采取邊緣［11］、區(qū)域等綜合圖像分割方法，完成飛行器試驗(yàn)中眾多種類(lèi)的圖像處理。

5）圖像識(shí)別。圖像識(shí)別屬于模式識(shí)別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過(guò)某些預(yù)處理（增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮）后，進(jìn)行圖像分割和特征提取，采用模糊模式識(shí)別或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行識(shí)別［12］。

4 視頻圖像信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的規(guī)模可根據(jù)視頻處理的任務(wù)而定。一個(gè)基本的視頻圖像處理系統(tǒng)至少需要一臺(tái)視頻信息采集工作站，包含視頻采集卡，用于視頻圖像信息采集，一臺(tái)圖形工作站（3D圖像加速卡）用于視頻圖像處理，一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于連接內(nèi)外部設(shè)備和信息交換，一套信息存儲(chǔ)管理系統(tǒng)用于圖像信息存儲(chǔ)管理，以及部分專(zhuān)用圖像處理軟件和研制的圖像實(shí)時(shí)處理軟件系統(tǒng)等構(gòu)成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

4.2 系統(tǒng)信息流程

系統(tǒng)信息流程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能的基礎(chǔ)。信息流程的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)技戰(zhàn)指標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。信息流程是根據(jù)系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)，在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性需求的前提下設(shè)計(jì)的。因此，信息流程設(shè)計(jì)是系統(tǒng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)視頻圖像實(shí)時(shí)處理和日常管理，其信息流程如下：

1）視頻圖像輸入端連接信息采集工作站的視頻采集卡，視頻采集卡按設(shè)定的采集頻率進(jìn)行信息采集；

2）每幀圖像信息采集結(jié)束后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給圖像處理工作站和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器；

3）圖像處理工作站接收?qǐng)D像信息后，對(duì)每幅圖像信息進(jìn)行處理，累計(jì)圖像幅數(shù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器接收到信息后進(jìn)行分類(lèi)壓縮處理，然后存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列中；

4）當(dāng)圖像處理工作站累計(jì)圖像幅數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，對(duì)所積累的圖像信息按先后順序分別向音視頻切換矩陣發(fā)送，通過(guò)選切進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；與此同時(shí)圖像處理工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器發(fā)送處理過(guò)的圖像信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器接收到信息后，進(jìn)行分類(lèi)、壓縮處理后存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列中；

5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器可定期、定量地將存儲(chǔ)在磁盤(pán)陣列中的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)備份到虛擬帶庫(kù)中。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了機(jī)載實(shí)況攝錄傳輸系統(tǒng)中試驗(yàn)視頻圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及專(zhuān)用圖像處理軟件，對(duì)原始試驗(yàn)視頻圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、復(fù)原、分割提取特征等處理，用于提高圖像質(zhì)量。使指揮員能夠準(zhǔn)確掌握參試艦船和被試品的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，幫助指揮員做出正確的決策。