高分辨率視頻采集記錄器的實(shí)現(xiàn)

李新建+閆東旺+張虎龍

摘 要 以飛行試驗(yàn)為背景，介紹一種高分辨率視頻采集記錄器的實(shí)現(xiàn)方案，用于實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)試飛過程中飛機(jī)的某個(gè)部位、場(chǎng)景、狀態(tài)等的數(shù)字影像信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和事后分析。

關(guān)鍵詞 飛行試驗(yàn)；視頻圖像；零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0047-02

飛行試驗(yàn)是在真實(shí)的飛行環(huán)境下，為驗(yàn)證飛機(jī)的某種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求而進(jìn)行的各種試驗(yàn)。光電測(cè)試技術(shù)作為飛行試驗(yàn)的重要測(cè)試手段，主要完成飛機(jī)飛行試驗(yàn)過程中被試目標(biāo)的光電特性、空間位置、運(yùn)動(dòng)影像等的獲取及測(cè)量。

光電測(cè)試的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是機(jī)載視頻的監(jiān)控及測(cè)量，即在飛行試驗(yàn)過程中，通過在飛機(jī)上加裝高分辨率攝像頭或高速攝像機(jī)，拍攝被試對(duì)象，從而實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)的某個(gè)部位、場(chǎng)景、狀態(tài)等的數(shù)字影像信息，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和事后分析。針對(duì)不同的飛行試驗(yàn)任務(wù)情況和特點(diǎn)，通常需要采用不同的相機(jī)，從而研制針對(duì)不同相機(jī)的機(jī)載視頻采集記錄器。本文介紹了一種采用ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）協(xié)議，壓縮格式為H.264，支持外部觸發(fā)功能的高分辨率百兆網(wǎng)絡(luò)相機(jī)而開發(fā)的高分辨率視頻采集記錄器。

1 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1）實(shí)時(shí)同步采集4路高分辨率相機(jī)的數(shù)字影像。

2）記錄采集的4路H.264視頻數(shù)據(jù)。

3）具有IRIG-B時(shí)間碼同步功能，時(shí)間同步精度達(dá)到1 ms。

4）具有時(shí)間信息嵌入圖像數(shù)據(jù)的功能。

5）具有相機(jī)脈沖觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生功能。

6）具有網(wǎng)絡(luò)相機(jī)IP地址自動(dòng)獲取功能。

7）具有配置參數(shù)定制功能。

8）電源切換時(shí)不損壞設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理

2 硬件實(shí)現(xiàn)

高分辨率視頻采集記錄器由電源轉(zhuǎn)換模塊、4個(gè)高分辨率相機(jī)采集模塊、時(shí)統(tǒng)解碼授時(shí)模塊、主控模塊、記錄模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1）高分辨率相機(jī)。高分辨率數(shù)字相機(jī)用于獲取視頻信息，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流形式傳輸至視頻采集記錄器。高分辨率數(shù)字相機(jī)主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 高分辨率數(shù)字相機(jī)主要特點(diǎn)

2）電源轉(zhuǎn)換模塊。電源模塊將機(jī)載電源轉(zhuǎn)換為視頻采集記錄器所需的各種電壓，并且提供電源保護(hù)。為了有效降低輸入噪聲紋波以及電磁抗干擾能力，在輸入端增加了EMI濾波器，有效提高了電源工作效率。同時(shí)為了保證系統(tǒng)能長期正常工作，在電源電路中增加了智能監(jiān)測(cè)單元，出現(xiàn)異常則強(qiáng)制復(fù)位主控單元。

3）時(shí)統(tǒng)解碼授時(shí)模塊。時(shí)統(tǒng)解碼授時(shí)模塊接收IRIG-B碼時(shí)間，對(duì)IRIG-B碼時(shí)間進(jìn)行解析，將解析后的IRIG-B碼時(shí)間通過串口發(fā)送給主控單元，同時(shí)產(chǎn)生4路同步TTL脈沖作為4路相機(jī)的外部觸發(fā)信號(hào)。用戶可以通過軟件設(shè)置外部觸發(fā)的開啟、關(guān)閉和觸發(fā)的頻率。

4）采集模塊。視頻采集模塊主要實(shí)現(xiàn)采集器與相機(jī)的通信，解析相機(jī)輸出的視頻信號(hào)，其處理過程為：每一路相機(jī)通過一個(gè)獨(dú)立的百兆以太網(wǎng)接口發(fā)送給采集器的采集壓縮模塊的網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)接口芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA通過對(duì)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析，還原出視頻原始數(shù)據(jù)，通過背板總線送至主控單元進(jìn)行處理。

5）主控單元。主控單元從背板總線上得到相機(jī)的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)處理，由應(yīng)用軟件控制記錄在固態(tài)電子盤上。主控單元電源管理模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)情況下的重啟。主控單元同時(shí)提供了板載RAM、USB用戶操作接口，VGA操作接口、網(wǎng)絡(luò)輸出接口等。

6）記錄模塊。記錄模塊采用512GB的工業(yè)級(jí)固態(tài)電子盤，采用SATA接口寫入技術(shù)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

采集記錄軟件運(yùn)行在視頻采集記錄器的主控模塊之上，完成壓縮視頻數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)預(yù)覽和記錄。

軟件系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為五個(gè)功能模塊：相機(jī)適配模塊、系統(tǒng)配置模塊、相機(jī)采集模塊、相機(jī)預(yù)覽模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊，如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊劃分

1）相機(jī)適配模塊。本系統(tǒng)中采用的相機(jī)支持ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）協(xié)議，相機(jī)適配模塊完成對(duì)此協(xié)議的適配。ZeroConf協(xié)議是IETF（Internet Engineering Task Forces）提出的一組關(guān)于IPv4局域網(wǎng)地址連接和動(dòng)態(tài)配置用協(xié)議的總稱，目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在小型網(wǎng)絡(luò)下建立便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即不需任何手工以及其他服務(wù)，如動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）等的支持，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)上的電腦、設(shè)備和服務(wù)，從而自動(dòng)配置組網(wǎng)并正常工作[1]。ZeroConf協(xié)議主要包括以下三個(gè)功能：①設(shè)備IP地址自動(dòng)分配（Link-Local address）；②域名與IP地址自動(dòng)轉(zhuǎn)換（Multicast DNS）；③網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)（DNS- Service Discovery）。

本系統(tǒng)中，針對(duì)所用的相機(jī)，通過ZeroConf協(xié)議實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)類型和傳輸協(xié)議的自動(dòng)搜索、定位，從而自動(dòng)獲取相機(jī)設(shè)備的IP地址、域名、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能和設(shè)備信息等。

2）系統(tǒng)配置模塊。系統(tǒng)配置模塊完成對(duì)系統(tǒng)各功能的設(shè)置，主要包括2個(gè)方面：①相機(jī)參數(shù)的配置，本系統(tǒng)中采用的相機(jī)支持HTTP/CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口），通過此接口，實(shí)現(xiàn)采集器對(duì)相機(jī)各類參數(shù)的設(shè)置，具體原理如圖3所示；②系統(tǒng)全局參數(shù)配置，完成對(duì)外部觸發(fā)頻率、時(shí)間源、是否預(yù)覽、存儲(chǔ)路徑等的全局參數(shù)設(shè)置。

3）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是通過百兆網(wǎng)絡(luò)獲取相機(jī)發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，主要處理過程為：當(dāng)需要采集視頻數(shù)據(jù)時(shí)，相機(jī)作為Server端，采集器作為Client端，建立相機(jī)和采集器間的連接，完成 RTSP（Real Time Streaming Protocol，實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議）會(huì)話，請(qǐng)求Server端的相機(jī)上傳數(shù)據(jù)并打開時(shí)統(tǒng)解碼授時(shí)板上的外部觸發(fā)，相機(jī)將視頻數(shù)據(jù)以RTP包的形式發(fā)送給采集器。同時(shí)，通過控制時(shí)統(tǒng)解碼授時(shí)板上的外部觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)四路視頻數(shù)據(jù)的精確同步采樣。經(jīng)測(cè)試，四路同步采樣達(dá)到1 ms的同步精度。

圖3 相機(jī)參數(shù)配置原理

4）數(shù)據(jù)記錄模塊。數(shù)據(jù)記錄模塊主要功能是將采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并疊加IRIG-B碼時(shí)間，使得每一幀的視頻拍攝時(shí)間與疊加的IRIG-B碼時(shí)間精確同步，并將視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到固態(tài)電子盤上。經(jīng)測(cè)試，每一幀視頻的拍攝時(shí)間與疊加的IRIG-B碼時(shí)間精確同步，時(shí)間同步精度達(dá)到1ms，保證了飛行試驗(yàn)完成后事后分析的準(zhǔn)確性。

5）視頻預(yù)覽模塊。當(dāng)開啟預(yù)覽功能時(shí)，視頻預(yù)覽模塊是將視頻數(shù)據(jù)渲染，成像，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

該項(xiàng)目產(chǎn)品目前已經(jīng)研制完成，設(shè)備運(yùn)行可靠，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，將在某型號(hào)飛機(jī)的飛行試驗(yàn)中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙昕，郭恩全，李小杰，胡華偉.一種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置及服務(wù)發(fā)現(xiàn)的零配置協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008（08）.

[2]尹誠，黃小仙，尹達(dá)一.千兆級(jí)視頻流實(shí)時(shí)處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（09）.

作者簡(jiǎn)介

李新建（1981-），男，工程師，主要從事飛機(jī)性能品質(zhì)試飛、項(xiàng)目管理等。

閆東旺（1981-），男，工程師，研究方向：測(cè)試技術(shù)、視頻采集、嵌入式系統(tǒng)等。endprint