一種雙路水下電視的關鍵技術

張 輝 ，黃明輝 ，李洪佳 ，顧榮鑫

（1.91366部隊，天津 300042；2.中國船舶重工集團公司七五O試驗場，云南 昆明 650051；3.中國人民解放軍海司航保部，天津 300042）

一種雙路水下電視的關鍵技術

張 輝1，黃明輝2，李洪佳2，顧榮鑫3

（1.91366部隊，天津 300042；2.中國船舶重工集團公司七五O試驗場，云南 昆明 650051；3.中國人民解放軍海司航保部，天津 300042）

介紹了一種新型雙路水下電視的雙路視頻干擾排除、雙路視頻數(shù)字記錄、雙路音視頻錄制、雙路攝像機控制及數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)、雙路音視頻雙絞線遠距離傳輸?shù)燃夹g，為同類產品的研發(fā)和海洋工程中的水下作業(yè)提供技術借鑒。

海洋工程設備；水下作業(yè)；水下電視

水下電視在水下作業(yè)和海洋工程領域得到了廣泛應用。經過多年發(fā)展，水下電視不斷采用新技術，從最早的同軸線水下電視到雙絞線水下電視[1]；從鍵盤輸入英文字符疊加、硬盤數(shù)字錄像到漢字鍵盤輸入疊加；從普通水下電視到渾濁水下電視；從一般水下攝像機到陣列式水下攝像機、高速水下攝像機、云臺水下攝像機、大深度深海水下攝像機等，水下電視已經歷了五代的發(fā)展，當前已成為海洋工程和水下作業(yè)的必備裝備。

隨著技術進步和國家海洋開發(fā)步伐的加快，海洋工程的規(guī)模不斷加大，水下作業(yè)的精度和難度也在不斷提高，對于水下電視的技術要求也提高到了更高的水平。為了適應海軍、公安、水利、交通、海上石油等用戶的需要，我們在繼承傳統(tǒng)水下電視成熟技術的基礎上，通過理論研究和試驗驗證，對水下電視的水下攝錄方式、音視頻信號的遠距離傳輸和記錄、雙路信號的處理等關鍵技術進行了深入的研究和改進，集合了多項專利和新技術，研發(fā)成功了新型雙路視頻水下電視。該型產品還可以根據(jù)不同的用戶需求，合理調整配置，能適應各種使用環(huán)境下完成水下觀測任務。

雙路水下電視設計為雙通道同時工作，可供兩名潛水員同時協(xié)調作業(yè)，具備數(shù)字硬盤錄像，兩路電視及音頻同時單獨記錄、兩路潛水電話、兩路調光水下輔助照明、屏上中英文輸入等功能，將能大大提高水下作業(yè)的效率和安全性。該型水下電視采用新型數(shù)字硬盤記錄技術，并通過集成信號處理，對兩路視頻信號進行信號發(fā)送、接收、放大、疊加中英文字幕處理，具備兩路潛水電話通訊，視頻信號與音頻信號最終以數(shù)字的形式記錄在硬盤中以供后處理。

1 系統(tǒng)功能及工作原理

1.1 系統(tǒng)功能及組成

系統(tǒng)功能如下：

（1）兩路水下攝像視頻信號處理；

（2）時間/日期、GPS信息字幕疊加。主機錄像及顯示時，可同時疊加顯示時間/日期、GPS位置信息，并可在視頻回放時同步回放顯示；

（3）屏上中英文字符輸入。主機具備通過鍵盤輸入中英文信息功能，并顯示在主屏幕上，隨錄像一同記錄，該功能實現(xiàn)常用漢字、大小寫英文字母、數(shù)字、常見符號、特殊符號的輸入識別，視頻疊加顯示；

（4）數(shù)字硬盤錄像/回放。該功能將模擬音視頻信號轉換成數(shù)字音視頻信號，并編碼壓縮打包成媒體文件，記錄存儲在硬盤上，媒體文件能通過主機本身或者通用計算機進行播放；

（5）兩路攝像機深度測量顯示。主機能同時獲取兩路水下攝像機的深度數(shù)據(jù)，并實時顯示在主屏幕上，隨視頻記錄在錄像中，記錄攝像機的實時工作深度；

（6）兩路潛水電話。兩名潛水員同時作業(yè)時，能提供主機與兩名潛水員的實時語音通訊，以及潛水員之間的語音通訊，兼容國內及國外各型潛水頭盔；

（7）音/視頻輸出、音/視頻輸入。主機提供模擬音視頻輸出功能，可使用外部的視頻設備進行顯示或錄像，同時外部的音視頻能輸入到主機，錄制到硬盤中；

（8）渾濁水下攝像。配置手持式水下攝像機具有渾水近距離觀測功能，配置清水箱專用水下攝像機具有能見度極低水下環(huán)境中進行觀測的功能；

（9）LED水下輔助照明/燈光連續(xù)調整。水下攝像機的水下輔助照明全部使用大功率高亮度LED燈來完成，并具備連續(xù)調光功能。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

水面主機由數(shù)字硬盤錄像機、視頻信號處理電路、調光電路、潛水電話電路、電源、液晶顯示器、防水機箱等組成；水下攝像機由水密殼體、水密接插件、攝像機芯、信號采集電路、深度傳感器、電源、水下光源（含驅動電路）組成；水下電纜由水面過渡纜、電滑環(huán)、纜車、水下電纜、水密接插件、水下連接器組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

雙頻水下電視的工作由水面主機、水下電纜、一臺或任意兩臺水下攝像機共同完成。水面主機通過水下電纜為水下攝像機/水下燈提供電源，水下攝像機將拍攝到的圖像經過信號采集電路轉換成平衡共模差分視頻信號，并進行放大增強，以適合長距離傳輸，經過水下電纜傳輸?shù)剿嬷鳈C后，由視頻信號處理電路將平衡共模差分視頻信號轉換成單端視頻，并進行信號放大補償，以消除信號經長距離傳輸所引起的信號衰減，然后進行視頻字符疊加處理，在兩路視頻信號上疊加上各自的深度數(shù)據(jù)，以及通過PC鍵盤輸入的字符，兩路視頻信號處理完后輸出至數(shù)字硬盤錄像機，錄像機同時對兩路視頻信號進行采集，模數(shù)轉換，編碼壓縮打包，存儲；水面主機視頻信號處理電路以RS485數(shù)字信號形式同時向兩臺水下攝像機發(fā)出深度請求命令或者攝像機控制命令，水下攝像機信號采集電路收到水面主機發(fā)出的命令后，分析識別命令類別，若是深度請求命令，則立即從深度傳感器采集深度數(shù)據(jù)，經處理后以RS485數(shù)字信號形式通過水下電纜返回給水面主機，若是攝像機控制命令，則執(zhí)行主機對水下攝像機的聚焦、變倍、深度校正等命令；潛水電話電路根據(jù)用戶在水面主機面板的接線定義可實現(xiàn)兩路潛水電話的全雙工或者半雙工通信，當全雙工工作時，兩名潛水員以及水面主機操作員之間都能實時無限制的語音通信，當半雙工工作時，兩名潛水員的電話語音能實時地傳回水面主機，水面主機與潛水員通信時需要PTT按鍵控制，潛水員之間的電話通信需要水面主機操作員通過按鍵調控，不管是使用哪種工作方式，潛水電話獲得的音頻信號經過處理后都會輸出給數(shù)字硬盤錄像機，并采集編碼合并入視頻信號一同記錄。

2 雙路水下電視的關鍵技術

2.1 數(shù)字硬盤水下錄像機[2]

在研制任務中，首要解決的問題是數(shù)字硬盤錄像機的技術實現(xiàn)，數(shù)字硬盤錄像機要求兩路音視頻輸入，輸出一路模擬音視頻，同時實現(xiàn)數(shù)字硬盤錄像。錄像系統(tǒng)由CPU內核、視頻解碼芯片、視頻編碼芯片、SDRAM、HDD硬盤、音頻編解碼芯片、USB2.0控制芯片、串口收發(fā)器等組成，系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。錄像系統(tǒng)處理單路音視頻原理如圖5所示。

數(shù)字硬盤錄像機采用ARM9作為核心CPU，處理頻率高達400 MHz，以此構建Linux處理系統(tǒng)，外圍搭載高速音視頻解碼、編碼芯片，支持FAT32格式的HDD管理系統(tǒng)；USB 2.0 Host接口允許移動存儲，鍵盤，鼠標等人體輸入設備的接入；系統(tǒng)錄像驅動程序支持H264視頻壓縮，視頻最大分辨率為D1（720x576 PAL），支持 mp3音頻壓縮，音頻質量為 16 kb/s；支持圖像亮度、對比度、飽和度、色度調整；支持大容量SD卡及熱插拔；支持軟件OSD字符疊加；文件格式支持第三方播放器，可將錄像文件轉移到其他PC上使用暴風影音、VLC、Media Player等播放器播放；使用串口可連接云臺、GPS等外圍設備；系統(tǒng)使用圖形界面，方便管理、升級錄像機。

2.2 水下攝像機技術綜合解決方法

水下攝像機均采用數(shù)字化控制技術，水面主機與攝像機的通信都是以數(shù)字信號的形式進行，故水下攝像機內部加入數(shù)字MCU芯片來實現(xiàn)這一功能，引入MCU使得水下攝像機具備更多的功能，通過MCU的高級語言軟件編程，眾多技術難題迎刃而解，主要實現(xiàn)的功能有：控制命令以及深度數(shù)據(jù)數(shù)字信號實時傳輸，以往的攝像機使用模擬信號傳輸，可靠性低，深度數(shù)據(jù)精確度差；在程序中采用通信校驗技術，確保數(shù)據(jù)傳輸可靠，誤碼率低；系統(tǒng)引入RS485總線通信技術[3]，使得主機能同時控制多臺攝像機，總線采用多機通信，主從應答通信，地址廣播通信機制，這些技術確保多設備之間通信可靠，總線無沖突；MCU在采集深度數(shù)據(jù)方面，采用了過采樣技術，軟件濾波技術以及軟件線性補償技術，使得深度數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，無跳躍，線性達到3‰深度測量精度要求，使得攝像機之間的深度個體差異減少到最低，深度測量的一致性達到標準；MCU編程采用模塊優(yōu)化匯編設計，程序結構合理，易于移植、擴展，使用高級中斷管理系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)資源的消耗，以及能耗，使得MCU芯片充分發(fā)揮處理優(yōu)勢；攝像機整體進行了線路優(yōu)化，電源接地連續(xù)性得到重視，信號地與電源地之間以及模擬地與數(shù)字地之間明確分開處理，攝像機殼體絕緣處理，杜絕殼體因電位差異產生的電解腐蝕，降低了數(shù)字信號、模擬信號及電源三者之間的干擾，提高了信號質量。

2.3 屏上中英文OSD實現(xiàn)方法[4]

操作者通過PC鍵盤輸入字符，主機MCU經識別，獲得相應的字符ASCII碼，若是處于英文輸入狀態(tài)，將所輸入的字符ASCII碼轉換成OSD顯示芯片的顯示碼，送至OSD芯片，從字庫中讀取相應的字符點陣數(shù)據(jù)，OSD芯片根據(jù)視頻信號的場同步信號及行同步信號，將字符點陣數(shù)據(jù)疊加到視頻信號的指定行及每一幀上；若處于漢字輸入狀態(tài)，則MCU在屏幕上疊加顯示出操作員輸入的拼音字符，當拼音正確時，主機MCU程序將會判斷所輸入的拼音聲母以及韻母，得出該拼音所處在的拼音區(qū)域，算出拼音區(qū)位碼地址范圍，再根據(jù)區(qū)位碼地址算出對應漢字的機內碼范圍，根據(jù)機內碼指引漢字庫中對應的漢字地址，最終將字庫中對應的漢字點陣數(shù)據(jù)讀出，同步疊加顯示在屏幕上，形成拼音漢字選擇列表，漢字列表由數(shù)字序號標注，操作者通過數(shù)字鍵選擇所需的漢字，最終將所選擇的漢字顯示在指定的位置；同時處于漢字輸入狀態(tài)時，主機MCU程序具有智能判斷輸入功能，當操作者輸入數(shù)字、標點符號、空格時，MCU程序自動篩選過濾，將這些字符歸類為英文輸入字符。

2.4 大功率LED驅動實現(xiàn)

LED燈采用直流降壓型驅動方式[5]，驅動電路由PWM大功率DC/DC控制芯片，大功率儲能元件等組成，PWM控制器提供高頻開關信號，控制大功率開關元件進行開關動作，當開關元件接通時，電路對儲能元件進行充電，控制器檢測到儲能元件充電達到飽和時，控制開關元件關閉，當開關元件關閉，儲能元件對LED回路放電，驅動LED發(fā)光。同時PWM控制器實時檢測開關回路的電流信息，并根據(jù)反饋電流信號控制開關頻率及占空比，從而實現(xiàn)電路恒功率驅動LED，使得LED的發(fā)光功率不隨電源輸入電壓的波動而波動，滿足LED恒功率驅動要求。

LED的調光是通過外部給PWM控制器輸入不同占空比的PWM信號實現(xiàn)控制LED的點亮時間，進而實現(xiàn)控制LED燈的總功率，而且實際上LED的瞬時功率是恒定的，這樣既滿足LED的恒功率驅動要求，又可以實現(xiàn)調光。

LED芯片散熱鋁基片緊貼安裝在水下燈筒體內部，并使用高效導熱處理，使得LED的熱量迅速擴散到筒體之外，LED保持正常溫度，有效保護LED。驅動電路主要的發(fā)熱器件也采用同樣方法處理，因此整個水下燈的熱性能達到最佳，有效延長LED使用壽命。

3 結論

新型雙路水下電視系統(tǒng)采用硬盤錄像機技術，實現(xiàn)了控制、顯示、記錄、回放一體化，簡化了系統(tǒng)操作，減少了系統(tǒng)作業(yè)時設備的數(shù)量，縮減了系統(tǒng)及其單臺設備的體積。為水下攝像機增設液晶取景器，使得操作人員在水下拍攝更為方便。水下照明燈使用高亮度LED，提高了工作可靠性和使用壽命；實現(xiàn)了兩路水下電視功能，可滿足兩名潛水員同時協(xié)調作業(yè)，能提供實時作業(yè)錄像資料，大大提高了水下作業(yè)的效率和安全性。

[1]楊磊，李鋒，等.閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]徐誠，高瑩婷，等.Linux環(huán)境C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]范逸之.Visual Basic與分布式監(jiān)控系統(tǒng)——RS-232/485串行通信[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4]戴佳.戴衛(wèi)恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]周志敏，周紀海，等.LED驅動電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

Key Technique of Double-circuit Underwater Video

ZHANG Hui1,HUANG Ming-hui2,LI Hong-jia2,GU Rong-xin3
(1.91366 Troops,Tianjin 300042,China;2.750 Test Site,CSIC,Kunming Yunnan 650051,China;3.The Navigation Guarntee Department of the Chinese Navy Headquarters,Tianjin 300042,China)

A new kind of double-circuit(DC)underwater video was introduced,whose key technique includes DC video-frequency(VF)disturbance removing,DC VF digital recording,DC camera console and data collection,audio and video remote transfer with double cable.The underwater video can support the other device’s research and give a reference for marine engineering equipments.

marine engineering equipment;underwater operation;underwater video

P715.5

B

1003-2029（2013）01-0036-04

2012-07-10

張輝（1971-），男,碩士，主要研究方向為海上防險救生。