機(jī)載ADVB 航電系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)研究

李寧寧，陳海洋

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 技術(shù)中心測(cè)試所，陜西 西安 710089）

引言

目前多型軍機(jī)[1]、民機(jī)、直升機(jī)等試驗(yàn)機(jī)均采用了新型視頻總線—ADVB 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，根據(jù)任務(wù)需求，需要完成機(jī)載ADVB 光纖數(shù)字視頻的測(cè)試，為實(shí)時(shí)監(jiān)控以及事后分析提供有效支撐。目前的研究現(xiàn)狀是，現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)只針對(duì)固定格式分辨率、DVI、VGA 等電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，且目前機(jī)載ADVB 總線的傳輸速率已達(dá)4.25 Gbps，現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)已經(jīng)不能滿足新一代飛機(jī)的測(cè)試需求。

針對(duì)該問題，有兩種解決方法：一是升級(jí)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的采集記錄設(shè)備，缺點(diǎn)是周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)高，升級(jí)后也只能專機(jī)專用；二是對(duì)抽引數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可實(shí)現(xiàn)不同格式ADVB 視頻的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)多型機(jī)間通用化測(cè)試，以降低測(cè)試成本。本文針對(duì)第二種解決方法進(jìn)行研究，主要從以下3 個(gè)方面進(jìn)行：一是分析研究ADVB 光纖數(shù)字視頻特點(diǎn)[3]，構(gòu)建ADVB 光纖視頻信號(hào)測(cè)試方案，完成新型機(jī)載ADVB 航電數(shù)據(jù)的光電測(cè)試；二是設(shè)計(jì)ADVB 數(shù)據(jù)自適應(yīng)識(shí)別解析方案，完成不同型機(jī)ADVB 光纖視頻總線的自適應(yīng)接收處理，實(shí)現(xiàn)不同型機(jī)的通用化測(cè)試；三是針對(duì)抽引視頻分辨率與現(xiàn)有采集設(shè)備不匹配問題，完成非常規(guī)格式視頻數(shù)據(jù)的固定化轉(zhuǎn)換，以兼容現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)，降低試飛成本。

1 機(jī)載ADVB 航電視頻數(shù)據(jù)測(cè)試方案

ADVB 是新型機(jī)載航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸總線，針對(duì)ADVB 傳輸數(shù)據(jù)多樣性、高速性等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了ADVB 總線數(shù)據(jù)測(cè)試方案，如圖1 所示。主要包括3 個(gè)單元，ADVB 數(shù)據(jù)接收單元、ADVB數(shù)據(jù)解析處理單元、視頻數(shù)據(jù)采集記錄單元[4]。其中ADVB 數(shù)據(jù)接收單元經(jīng)過多通道光纖數(shù)字視頻流接收以及ADVB 幀接收狀態(tài)機(jī)（包括光電轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換、8 B/10 B 解碼等）接收后，進(jìn)入ADVB數(shù)據(jù)解析單元，通過傳輸字同步、數(shù)據(jù)映射、幀狀態(tài)、數(shù)據(jù)解析以及數(shù)據(jù)重組等實(shí)現(xiàn)ADVB 幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的常規(guī)DVI 電信號(hào)經(jīng)過專用采集器進(jìn)行采集、記錄以及脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)編碼輸出，供課題人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與事后分析。

圖1 機(jī)載ADVB 光纖數(shù)字視頻測(cè)試方案Fig.1 Airborne ADVB optical fiber digital video test solution

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 基于視頻特征數(shù)據(jù)模板的自適應(yīng)識(shí)別解析技術(shù)

2.1.1 多通道不同速率數(shù)據(jù)接收

多通道不同速率數(shù)據(jù)接收模塊采用主動(dòng)式分流處理方式，實(shí)現(xiàn)多通道不同數(shù)據(jù)速率的ADVB視頻流的自適應(yīng)快速接收[5]。主動(dòng)式分流處理機(jī)制原理如圖2 所示。

圖2 主動(dòng)式分流處理機(jī)制Fig.2 Active shunt processing mechanism

主動(dòng)式分流處理機(jī)制目的是解決數(shù)據(jù)帶寬與數(shù)據(jù)接收單元速率不匹配的問題，主要存在數(shù)據(jù)帶寬大于數(shù)據(jù)接收單元能力以及數(shù)據(jù)帶寬小于數(shù)據(jù)接收能力兩種情況。主動(dòng)式分流處理機(jī)制的工作原理是：當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)的原始發(fā)送速率低于數(shù)據(jù)接收單元的處理速率時(shí)，輸入數(shù)據(jù)流控制單元將傳輸數(shù)據(jù)緩沖至B 緩沖區(qū)并進(jìn)行預(yù)處理，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)流控制單元將控制輸出A 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的圖像處理，當(dāng)A 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后進(jìn)入等待狀態(tài)，直到B 緩沖預(yù)處理單元存滿；當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)的原始發(fā)送速率高于數(shù)據(jù)接收單元的處理速率時(shí)，輸入數(shù)據(jù)流控制單元將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)緩沖至A 緩沖區(qū)并進(jìn)行預(yù)處理，輸出數(shù)據(jù)流控制單元輸出A 緩沖區(qū)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，直至A 緩沖區(qū)存儲(chǔ)結(jié)束，輸入數(shù)據(jù)流控制單元繼續(xù)輸送數(shù)據(jù)至B 緩沖區(qū)，輸出數(shù)據(jù)流控制單元處理完A 緩沖區(qū)后切換至B 緩沖區(qū)，繼續(xù)進(jìn)行下一步的圖像處理。采用主動(dòng)式分流機(jī)制，可以有效解決數(shù)據(jù)流堵塞與間斷的問題，更好地保證數(shù)據(jù)的高效性與連續(xù)性。

2.1.2 視頻數(shù)據(jù)自動(dòng)解析

1）視頻特征數(shù)據(jù)模板設(shè)計(jì)

不同型機(jī)、不同通道傳輸?shù)囊曨l格式存在異源、多樣化特點(diǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)不同格式視頻數(shù)據(jù)的通用化轉(zhuǎn)換，依據(jù)主機(jī)ICD 結(jié)構(gòu)[6]定義，選取關(guān)鍵特征信息，設(shè)計(jì)了視頻特征數(shù)據(jù)模板，以架機(jī)為單位[7]定義架機(jī)每個(gè)通道的分辨率、幀率、組幀方式和傳輸方式，為幀流中關(guān)鍵信息的提取提供依據(jù)。本文設(shè)計(jì)的視頻特征數(shù)據(jù)模板如圖3所示。

圖3 視頻特征模板Fig.3 Video feature template

2）數(shù)據(jù)映射處理

ADVB 總線容器頭與對(duì)像0 定義了視頻幀的幀率、分辨率、容器序號(hào)等信息。對(duì)容器頭關(guān)鍵信息的映射提取，反饋?zhàn)R別視頻文件通道，通過分辨率以及組幀模式計(jì)算每行幀數(shù)，從而直接識(shí)別后續(xù)ADVB 數(shù)據(jù)塊的有效數(shù)據(jù)，減少對(duì)冗余信息解析帶來的時(shí)間消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)同型機(jī)不同通道的自適應(yīng)識(shí)別解析。其中將總線物理對(duì)像，如分辨率、幀率、傳輸方式等實(shí)際物理信息與模板文件數(shù)據(jù)中的分辨率、幀率、傳輸方式數(shù)據(jù)塊等進(jìn)行映射，數(shù)據(jù)自動(dòng)解析示意圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)自動(dòng)解析示意圖Fig.4 Schematic diagram of automatic data analysis

2.2 基于時(shí)序重構(gòu)的DVI 編碼技術(shù)

ADVB 視頻信號(hào)采用異步傳輸[8]模式，即數(shù)據(jù)打包，以行為單位，按行緩存，像素?cái)?shù)據(jù)平均分配到不同的ADVB 幀。將每個(gè)容器頭的開始作為場(chǎng)同步信息，ADVB 幀間的IDLE 信號(hào)作為行同步信息，如圖5 所示為行場(chǎng)同步定義，圖6 為試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 行、場(chǎng)同步信息的定義Fig.5 Definition of line and field synchronization information

圖6 行、場(chǎng)同步試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of field synchronization

行場(chǎng)同步信號(hào)的恢復(fù)是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，需要根據(jù) ADVB 幀傳送時(shí)序和VESA 標(biāo)準(zhǔn)[9]準(zhǔn)確還原出信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。例如光纖通道的速率為 4.25 Gbps，時(shí)鐘頻率為106.25 MHz，則發(fā)送數(shù)據(jù)1 個(gè)周期為 9.412 ns，由此可以計(jì)算出 ADVB 幀的傳輸時(shí)間和ADVB 幀的間隔時(shí)間。針對(duì)場(chǎng)（vs）同步信號(hào)，在同步時(shí)間之后有1 個(gè)場(chǎng)后消隱，緊接著是1 個(gè)頂層消隱，此時(shí)行（hs）同步時(shí)間開始，然后是1 個(gè)行后消隱，緊接著是1 個(gè)左消隱，此時(shí)開始有效數(shù)據(jù)。當(dāng)一行有效數(shù)據(jù)接收結(jié)束后，是1 個(gè)行右消隱，然后是1 個(gè)行前消隱，當(dāng)所有行的有效數(shù)據(jù)接收結(jié)束后，緊接著是底層消隱和場(chǎng)前消隱。

以專用采集設(shè)備的時(shí)序要求為標(biāo)準(zhǔn)，以ADVB時(shí)鐘周期為基礎(chǔ)，計(jì)算視頻控制信號(hào)周期（行同步時(shí)間，場(chǎng)同步時(shí)間，前、后、左、右消隱時(shí)間），為后續(xù)DVI 編碼[10]提供時(shí)序信息。以1 920×1 080 @60 fps 為例，展示了所有視頻控制信號(hào)時(shí)鐘信息的實(shí)現(xiàn)過程，如圖7 所示。

圖7 時(shí)序信息恢復(fù)邏輯Fig.7 Timing information recovery logic

2.3 基于迭代反投影的視頻重采樣技術(shù)

針對(duì)抽引視頻數(shù)據(jù)受傳輸干擾以及噪聲影響而引起數(shù)據(jù)模糊問題，提出了基于迭代反投影圖像超分辨率[11-13]的方法，在單幅圖像基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)視頻畫面的重采樣。將多幅圖像的一幀圖像作為參考圖像，通過圖像配準(zhǔn)得出其他觀測(cè)圖像的亞像素位移量，建立圖像的運(yùn)動(dòng)降采樣模型，再通過雙三次插值方法求出參考圖像的高分辨率圖像，并作為高分辨率圖像的初始估計(jì)，利用建立的運(yùn)動(dòng)降采樣模型對(duì)初始估計(jì)進(jìn)行降質(zhì)，得到多幀與初始分辨率圖像對(duì)應(yīng)的模擬低分辨率圖像。如果兩者差異小于設(shè)定的閾值，則估計(jì)出的高分辨率圖像即為重建后的圖像，否則，將差值反向投影到當(dāng)前估計(jì)的高分辨率圖像，對(duì)其進(jìn)行修正，再進(jìn)行降質(zhì)對(duì)比，直到差值小于閾值，得到重建圖像。將重建誤差以各向異性的方式迭代反投影到高分辨率圖像，使得高分辨率圖像具有更多的高頻信息，提高圖像清晰度。重采樣前后的圖像對(duì)比圖如圖8 所示。

采用無參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)算法進(jìn)行對(duì)比分析，重采樣前后的灰度平均梯度值提高了12.4。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)鏈路示意圖如圖9 所示。原機(jī)主顯的輸出ADVB 光視頻信號(hào)經(jīng)過仿真板卡轉(zhuǎn)換后，生成常規(guī)且匹配專用采集器的DVI 視頻信號(hào)，采集的視頻信號(hào)通過筆記本電腦進(jìn)行回放。

圖9 試驗(yàn)鏈路Fig.9 Test link

現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)可直接抽取原機(jī)顯示系統(tǒng)的視頻信號(hào)（DVI）進(jìn)行采集，針對(duì)新型ADVB 航電總線信號(hào)，在現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加ADVB/DVI 轉(zhuǎn)換，兼容現(xiàn)有視頻測(cè)試系統(tǒng)，解決了升級(jí)視頻采集設(shè)備帶來的專用性與高成本等問題。

在以上試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2 560×1 024 @30 fps 高分辨率視頻的分屏與倍頻[14]重采樣，即2 560×1 024 @30 fps 的大分辨率。低幀率視頻轉(zhuǎn)換成兩路1 280×1 024 @60 fps 的常規(guī)分辨率視頻，如圖10 所示。實(shí)現(xiàn)了1 400× 1 050 像素到1 600×1 200 像素、1 280×768 像素到1 280×1 024像素，即低分辨率到高分辨的上采樣[15]。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 T est results

4 結(jié)論

本文從任務(wù)需求出發(fā)，在研究機(jī)載新一代航電數(shù)字視頻總線ADVB 協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過對(duì)ADVB協(xié)議的深層解析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的需求，采用基于視頻特征數(shù)據(jù)模板的自適應(yīng)識(shí)別解析技術(shù)、時(shí)序重構(gòu)的DVI 編碼技術(shù)，以及迭代反投影的視頻重采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新型機(jī)載ADVB 航電數(shù)字視頻到常規(guī)DVI 的轉(zhuǎn)換、重采樣與測(cè)試，完成了機(jī)載航電視頻測(cè)試技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，解決了不同型試驗(yàn)機(jī)航電視頻系統(tǒng)的通用化測(cè)試問題，并且兼容了現(xiàn)有的機(jī)載視頻測(cè)試系統(tǒng)。