遙測(cè)實(shí)時(shí)圖像處理顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧長(zhǎng)海，石一鳴，王殿勛

(中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量范圍不僅只限于傳統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)的采集與傳輸，圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸也成為組成遙測(cè)數(shù)據(jù)的重要一環(huán)[1]。通過(guò)飛行器上的圖像采集系統(tǒng)，將關(guān)鍵部位實(shí)時(shí)圖像壓縮處理后形成單獨(dú)遙測(cè)數(shù)據(jù)流或插入其他遙測(cè)數(shù)據(jù)流，與其他測(cè)量參數(shù)一起組成遙測(cè)數(shù)據(jù)幀，經(jīng)調(diào)制放大后微波信號(hào)發(fā)送至地面。通過(guò)遙測(cè)地面站接收、解調(diào)、圖像解碼后，可以實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)飛行器的飛行狀態(tài)畫面，供各級(jí)指揮決策和技術(shù)人員分析查看，在保障飛行試驗(yàn)安全性、高效性等方面發(fā)揮了重要作用。

1 視頻遙測(cè)的編碼

飛行器遙測(cè)圖像處理單元作為遙測(cè)發(fā)射的一部分，一般包括圖像信號(hào)接入接口、遙測(cè)圖像壓縮單元、遙測(cè)采編單元、遙測(cè)發(fā)射機(jī)及發(fā)射天線等部分，如圖1所示。圖像信號(hào)接入包括數(shù)字圖像信號(hào)和模擬圖像輸入，若為模擬圖像需要首先進(jìn)行數(shù)字化處理；圖像壓縮單元完成數(shù)字化遙測(cè)圖像的壓縮編碼和多路圖像信號(hào)的合成；遙測(cè)采編按照GJB21.2A-1992 PCM流標(biāo)準(zhǔn)，完成單獨(dú)PCM數(shù)據(jù)流或和其他遙測(cè)參數(shù)混合編幀功能；遙測(cè)發(fā)射機(jī)及發(fā)射天線完成遙測(cè)的射頻調(diào)制、放大、無(wú)線電發(fā)射[2]。

圖1 飛行器視頻遙測(cè)原理框圖

遙測(cè)圖像傳輸首要解決的是圖像壓縮問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外視頻壓縮技術(shù)應(yīng)用較多的是MPEG系列、JPEG系列及H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，JPEG2000和H.264壓縮算法是比較適合的兩種壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其中JPEG2000克服了原有JPEG編碼方式的不足，提高了壓縮率和遙測(cè)傳輸質(zhì)量[3]。對(duì)于低分辨率和低傳輸碼率H.264的幀內(nèi)壓縮效果比較好，對(duì)于JPEG2000而言，其是基于小波變換的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它所使用的小波變換和優(yōu)化截取的嵌入式塊編碼(EBCOT)方式，在較大分辨率、較高碼率的條件下性能更好。

常見(jiàn)的視頻遙測(cè)有兩種方式：一種是單獨(dú)地遙測(cè)數(shù)據(jù)流，一般遙測(cè)碼率較高，可達(dá) 8～10 Mb/s，重點(diǎn)是事后的數(shù)據(jù)分析。比如紅外導(dǎo)引頭的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)中紅外圖像數(shù)據(jù)，依靠紅外成像系統(tǒng)生成數(shù)字圖像，通過(guò)圖像識(shí)別和匹配算法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確打擊[4]。還有一種常用方式是關(guān)鍵部位的圖像監(jiān)視，一般是應(yīng)用多個(gè)圖像攝像頭，遙測(cè)圖像占據(jù)一定的遙測(cè)波道，需要實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)進(jìn)行分路處理，分路后圖像通過(guò)硬件實(shí)時(shí)顯示或通過(guò)軟件事后顯示。

2 地面?zhèn)鬏斀獯a設(shè)計(jì)

2.1 地面?zhèn)鬏斀獯a系統(tǒng)組成

地面?zhèn)鬏斀獯a系統(tǒng)主要由遙測(cè)地面接收站、IP通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)器(主備)、實(shí)時(shí)處理終端和圖像解碼器等組成，如圖2所示。為了完成測(cè)控保障任務(wù)，一般需要多個(gè)遙測(cè)地面站冗余或接力完成遙測(cè)接收任務(wù)，由于飛行器上天線安裝位置、地面布站、級(jí)間分離及火焰干擾等因素，遙測(cè)數(shù)據(jù)可能部分丟失或部分跟蹤段落誤碼較大，從而影響遙測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和遙測(cè)圖像的解碼。為了改善單接收站的圖像接收，在不影響實(shí)時(shí)性前提下，對(duì)多站遙測(cè)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接數(shù)據(jù)融合處理，對(duì)其他需要快速處理的遙測(cè)參數(shù)拼接前直接實(shí)時(shí)處理。

2.2 處理過(guò)程

遙測(cè)地面站根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)配置相應(yīng)的遙測(cè)基帶，完成遙測(cè)信息的接收。接收的遙測(cè)原始信息通過(guò)IP通信網(wǎng)送遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)處理中心完成信息存儲(chǔ)和分發(fā)，其中實(shí)時(shí)處理終端主要完成多站數(shù)據(jù)的拼接、融合處理以及關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)分發(fā)，遙測(cè)圖像數(shù)據(jù)經(jīng)分路后送圖像解碼器。具體各部分完成功能如下：

(1)地面站的接收與發(fā)送

圖2 遙測(cè)圖像地面?zhèn)鬏斀獯a結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)遙測(cè)地面站接收飛行器上發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，經(jīng)地面站天線饋線及信道送遙測(cè)基帶解調(diào)恢復(fù)出PCM遙測(cè)數(shù)據(jù)流，同時(shí)基帶存儲(chǔ)接收到的原始遙測(cè)信息，經(jīng)交互計(jì)算機(jī)把原始信息以組播方式發(fā)送至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)于高碼率UDP數(shù)據(jù)包，超出了網(wǎng)絡(luò)MTU長(zhǎng)度，在傳輸過(guò)程中需分片和重組，實(shí)際應(yīng)用中存在丟包現(xiàn)象。為此在高碼率數(shù)據(jù)發(fā)送端預(yù)先將大包數(shù)據(jù)分割為滿足MTU長(zhǎng)度的小包數(shù)據(jù)傳輸，從而避免大包數(shù)據(jù)的丟包現(xiàn)象。

(2)中心接收與處理

數(shù)據(jù)處理中心多臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)接收到的遙測(cè)原始信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分發(fā)，數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)UDP所包含的分片信息重組數(shù)據(jù)，恢復(fù)出原始遙測(cè)數(shù)據(jù)包。若為密文數(shù)據(jù)還需實(shí)時(shí)處理為明文數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)處理終端完成多站遙測(cè)原始信息的拼接、融合處理，拼接后的遙測(cè)信息按照遙測(cè)大綱配置圖像所在子幀波道信息，分路出圖像數(shù)據(jù)流，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組播或單播發(fā)送至圖像解碼器。

(3)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解碼

圖像解碼器實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接收處理終端送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)交織+RS編碼技術(shù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理，最后數(shù)據(jù)重組，恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用H.264解碼器，對(duì)壓縮圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，還原真實(shí)的圖像數(shù)據(jù)，最后對(duì)圖像進(jìn)行插值放大，通過(guò)閉路電視系統(tǒng)送各級(jí)指揮站位。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

為兼顧多種型號(hào)任務(wù)的實(shí)時(shí)處理需求，實(shí)時(shí)處理功能模塊要盡可能做到通用化，需采用模塊化設(shè)計(jì)，使用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展及二次開(kāi)發(fā)[5]。遙測(cè)實(shí)時(shí)處理終端除了包含遙測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)分路處理模塊、關(guān)鍵參數(shù)模擬量和數(shù)字量處理以及量綱恢復(fù)模塊外，還包括遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)拼接處理，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)處理軟件功能模塊組成框圖

實(shí)時(shí)處理終端配備數(shù)據(jù)分發(fā)子系統(tǒng)，可將處理前或者處理后的參數(shù)/數(shù)據(jù)塊以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者廣播的形式分發(fā)，將部分參數(shù)或整個(gè)PCM數(shù)據(jù)流分配給圖像解碼器。

參數(shù)配置主要有：(1)幀結(jié)構(gòu)設(shè)置，包括子幀長(zhǎng)、副幀長(zhǎng)、子幀同步碼和副幀同步碼等信息；(2)分路圖像信息，包括是否含子幀時(shí)間、子幀波道等信息；(3)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，包括接收原碼IP地址和端口號(hào)，組播/單播發(fā)送地址和端口號(hào)以及發(fā)送頻率和數(shù)據(jù)包大小等信息。

多站數(shù)據(jù)的拼接融合是遙測(cè)圖像信息分路前首先要完成的工作，各個(gè)地面站由同一時(shí)統(tǒng)中心授時(shí)，傳輸距離時(shí)差遠(yuǎn)小于幀周期，因此不存在幀模糊問(wèn)題。又由于圖像數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間精度不敏感，因此可以采用子幀計(jì)數(shù)方式來(lái)完成數(shù)據(jù)拼接，子幀計(jì)數(shù)是用遙測(cè)子幀波道中的某一波道來(lái)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)字，為循環(huán)計(jì)數(shù)，通常分為高、低位或高、中、低位。一般以高、低位0～255循環(huán)計(jì)數(shù)，即十六進(jìn)制的00～FF循環(huán)，低位滿一個(gè)周期高位進(jìn)一位。在一個(gè)全幀內(nèi)，可根據(jù)幀計(jì)數(shù)相差為1，判斷是否丟幀，相差數(shù)量可以判斷丟子幀數(shù)量。若遙測(cè)數(shù)據(jù)為加密信息，可由此驗(yàn)證解密是否正確。文獻(xiàn)[6]首先完成各站數(shù)據(jù)的時(shí)差修正，根據(jù)各幀之間的時(shí)間間隔判斷是否丟幀以及丟多少幀，后完成丟幀插補(bǔ)。

在實(shí)時(shí)處理過(guò)程中，一般就近選擇兩個(gè)地面站，采用該方法可完成圖像信息的實(shí)時(shí)解碼傳輸。在事后處理過(guò)程中，需要考慮的因素比較多，除了完成子幀時(shí)間修正外，還要考慮信息的修正，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、選段及加工處理。

圖4所示為原始數(shù)據(jù)拼接示意圖。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)飛行試驗(yàn)遙測(cè)圖像監(jiān)視，由于布站因素，若一個(gè)地面站受火焰干擾，造成遙測(cè)數(shù)據(jù)誤碼增大甚至丟失，影響圖像質(zhì)量，系統(tǒng)將觸發(fā)拼接融合策略進(jìn)行補(bǔ)充（替換），從而保證遙測(cè)圖像穩(wěn)定。系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，能實(shí)時(shí)查看各艙段的工作情況，特別是級(jí)間分離等關(guān)鍵動(dòng)作的實(shí)時(shí)畫面的提供，直觀地掌握飛行器各個(gè)時(shí)序的工作狀態(tài)，為保障型號(hào)試驗(yàn)的高效順利進(jìn)行發(fā)揮了重要作用。

3 從IRIG106標(biāo)準(zhǔn)看圖像傳輸

圖4 原始數(shù)據(jù)拼接示意圖

遙測(cè)圖像的實(shí)時(shí)傳輸是今后飛行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)配置，受目前傳輸體制及頻帶資源的限制，目前圖像質(zhì)量還不是很高，畫面還不是很豐富。根據(jù)IRIG106標(biāo)準(zhǔn)，目前在標(biāo)準(zhǔn)第7章“下行鏈路數(shù)據(jù)包遙測(cè)”，定義了一種將其第10章數(shù)據(jù)包、TmNS(Telemetry Network Standard)數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包融入PCM流的方法[7]，形成了多數(shù)據(jù)流(PCM+網(wǎng)絡(luò)+視頻)混合遙測(cè)解決方案。比如法國(guó) Zodiac Aerospace公司MDR數(shù)據(jù)記錄器，符合標(biāo)準(zhǔn)第10章所制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以在進(jìn)行存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，也可以在任務(wù)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，可以記錄多種數(shù)據(jù)格式，以及進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。目前多種模塊支持視頻/音頻、模擬信號(hào)、數(shù)字量、總線和網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)的采集記錄，視頻及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活性大大提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)時(shí)圖像的獲取在各類飛行試驗(yàn)中將發(fā)揮重要作用，隨著關(guān)鍵艙段內(nèi)外攝像頭的增多以及高清圖像的應(yīng)用，視頻信息將占用大量的頻譜資源，遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)單向傳輸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)木窒扌砸苍桨l(fā)明顯。由于頻率資源的進(jìn)一步緊張，帶寬利用率更高的SOQPSK-TG、Multi-h CPM體制也將陸續(xù)被推出，網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)也具備了可實(shí)施的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，這些新技術(shù)的采用將顯著提升遙測(cè)實(shí)時(shí)傳輸能力。