遙測地面站視頻解碼系統(tǒng)的設(shè)計

賴彪

（91245部隊 遼寧 葫蘆島125001）

遙測地面站視頻解碼系統(tǒng)的設(shè)計

賴彪

（91245部隊 遼寧 葫蘆島125001）

為了實現(xiàn)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(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該解碼系統(tǒng)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(shè)計平臺，運行Linux系統(tǒng)管理系統(tǒng)。軟解壓采用高性能的工控機為硬件平臺，利用軟件實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)H.264方式的解碼、保存、同步播放等功能。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遙測數(shù)據(jù)中視頻信息的實時顯示、存儲和回放，達(dá)到了設(shè)計要求。

視頻遙測；視頻圖像；視頻編碼；H.264

遙測系統(tǒng)是飛行器試驗中的重要組成部分，隨著測控技術(shù)的飛速發(fā)展，遙測技術(shù)的發(fā)展同樣日新月異，人們已經(jīng)不滿足于遙測信道只傳輸傳統(tǒng)上的測量值，而希望能夠傳輸各種不同的數(shù)據(jù)，例如實時圖像信號。在飛行試驗過程中，將飛行目標(biāo)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(jīng)越來越成為飛行試驗中不可缺少的技術(shù)手段［1］。通過飛行器遙測數(shù)據(jù)圖像傳輸，使技術(shù)人員能夠?qū)崟r觀測飛行目標(biāo)的動作，特別是對一些關(guān)鍵時刻的飛行狀態(tài)，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(shè)計，縮短產(chǎn)品的研制周期。

在一些應(yīng)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(dá)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(biāo)的其它遙測參數(shù)［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(tǒng)，對飛行目標(biāo)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(shù)

視頻壓縮技術(shù)，是針對視頻信號存在冗余的情況，對數(shù)字視頻信號進行編碼壓縮和解碼處理的技術(shù)，盡可能地在較低碼率的情況下不影響圖像的整體質(zhì)量。視頻壓縮技術(shù)已廣泛應(yīng)用于娛樂、多媒體等商業(yè)領(lǐng)域，也迅速滲透到軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以來，ITU-T和ISO制定了一系列多媒體編碼的標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的視頻編碼技術(shù)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(tài)圖像專家組（MPEG）聯(lián)合制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。同以往的壓縮技術(shù)相比，同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量更少。它采用混合編碼結(jié)構(gòu)，提高了編碼效率。其具備的分層編碼技術(shù)、錯誤約束機制、錯誤掩蓋技術(shù)及高效的比特流切換技術(shù)也使得該標(biāo)準(zhǔn)特別適合應(yīng)用于IP網(wǎng)以及移動傳輸網(wǎng)。根據(jù)H.264的一系列優(yōu)點，在本方案中采用了H.264編解碼方式［5-6］。

2 系統(tǒng)概述

遙測地面站的視頻解碼系統(tǒng)屬于遙測地面站的1個分系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。飛行目標(biāo)的視頻信息經(jīng)過采集后利用H.264編碼方式進行壓縮，壓縮后的視頻數(shù)據(jù)與常規(guī)遙測數(shù)據(jù)合并到遙測數(shù)據(jù)幀中，通過遙測發(fā)射系統(tǒng)進行無線發(fā)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(diào)還原遙測數(shù)據(jù)幀，圖像解碼終端從遙測數(shù)據(jù)幀中提取視頻數(shù)據(jù)，送入解碼器解碼，進行實時顯示和記錄［9-10］。系統(tǒng)同時采用了硬件解碼和軟件解碼兩種方式。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

圖像解碼終端為19英寸標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)CPCI工控機箱等設(shè)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(yīng)的外設(shè)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬解碼設(shè)計

圖像解碼板采用“ASIC+處理器”的設(shè)計平臺，操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)，實現(xiàn)H.264的視頻解碼任務(wù)和基于以太網(wǎng)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)形式。

圖3 圖像解碼板原理圖

3.3 軟解碼設(shè)計

軟解碼主要通過圖像解碼軟件來實現(xiàn)，圖像解碼軟件是系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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(shè)置模塊：主要對軟件的工作方式進行設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)工作模式下接收網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)進行處理，本地工作模式下對本機存儲的視頻數(shù)據(jù)進行處理。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊：主要完成網(wǎng)絡(luò)的實時通信功能，包括建立網(wǎng)絡(luò)連接，接收網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)，接收網(wǎng)絡(luò)時碼信息。

視頻去復(fù)用模塊：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀頭、附加時間碼等信息，本模塊主要對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的各種數(shù)據(jù)進行識別，自適應(yīng)后進行H.264解碼。

存儲視頻模塊：主要對視頻去復(fù)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?shù)?。采用基于?shù)據(jù)流與流水線技術(shù)相結(jié)合的控制策略對串行數(shù)據(jù)實施并行化處理，提高解碼效率。

視頻重構(gòu)模塊：主要對解碼后的圖像數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，疊加網(wǎng)絡(luò)接收到的時間碼等信息，形成相應(yīng)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(dá)到更好的顯示效果，對圖像進行了數(shù)字濾波和圖像動態(tài)對比度調(diào)整。

4 運行結(jié)果

遙測系統(tǒng)回放帶有圖像信息的遙測數(shù)據(jù)文件，解碼系統(tǒng)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(qū)，右面是控制區(qū)。

圖5 圖像解碼軟件運行界面

5 結(jié)束語

基于H.264技術(shù)的視頻解碼方案，在某型試驗中進行了實際應(yīng)用，實現(xiàn)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(nèi)的大部分遙測設(shè)備，能夠滿足遙測視頻系統(tǒng)試驗的需求。

［1］魏建新．飛行試驗中多路視頻數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電子設(shè)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(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電腦知識與技術(shù)，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(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電子測量技術(shù)，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(tǒng)設(shè)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(wǎng)的飛行試驗視頻遙測傳輸技術(shù)［J］．測控技術(shù)，2010，29（6）：29-32．

［6］張魯濱，胡晉銘，范秉宇，等．基于無線網(wǎng)絡(luò)的機載數(shù)字視頻遙測傳輸技術(shù)［J］．海軍航空工程學(xué)院學(xué)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電視技術(shù)，2015，39（3）：43-45．

［8］馮妮，張會新．遙測數(shù)字視頻信號高速采集存儲系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)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(shù)據(jù)同步記錄與回放系統(tǒng)［J］．航空計算技術(shù)，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(shù)［J］．計算機與數(shù)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(shù)。