一種視頻記錄回放和圖像復顯系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP37 文獻標志碼：A

Design of a Video Recording Playback and Image Reappearance System

LIU Jing'，WANG Fei2（1WuanSeoideahiteagtiga）

Abstract： This paper proposes an overall design scheme for a video recording and playback system based on hardware acquisition. It details the design scheme，hardware，and software architecture.Byutilizing asimple and reliable circuit，thesystemachieves fullrecording，storage，and playbackofdisplay terminal signals.Additionally，it provides a simple， reliable， and practical design method for remote screen reappearance.

Key words： video; recording; playback

1 引言

近年來，隨著現役艦船海上訓練實戰(zhàn)化程度越來越高，為提高訓練質量，對模訓的要求也隨之提高。在海上訓練中，將有關的態(tài)勢感知、攻擊決策、航行指揮等信息進行實時高保真記錄，回碼頭后，在岸基模擬訓練中心對視頻記錄數據進行回放、復盤，總結實操經驗、進行海訓效果評估，同時在岸基模擬艙室復顯海訓實時態(tài)勢，可有效提升各級操作指揮員海上綜合態(tài)勢適應性，是全面提升全艦各級各類人員的綜合作戰(zhàn)能力的重要手段。

現役艦船壽命期一般較長，人役時裝備的各類操控臺一般都沒有實時高保真記錄操控視頻信號的功能。期待艦船中期現代化改裝時隨同更換操控臺一并增加高清視頻信號實時動態(tài)高保真記錄功能，一來無法滿足現有急需提升訓練質量的現實需求，二來經費需求較高。

為解決此問題，有效保障訓練質量，在利用現有操控臺對外輸出RGB模擬視頻分顯接口分機的基礎上，提出了一種基于硬件采集方式實現高清視頻數字化采集、記錄、回放的應用方案，用于滿足對操控終端顯示的各類原始畫面信號，包括屏顯的所有內容和操作員實時操作過程畫面，進行全程高保真記錄、存儲和回放。

2 視頻記錄回放實現原理及系統(tǒng)構成

目前，慣常實現視頻數字化采集主要有軟件和硬件兩種方式。

軟件方式為直接在需要采集視頻信號的操控臺上安裝相應計算機軟件，通過抓屏方式進行視頻采集，特別是針對高清視頻信號的無損采集，對操控臺計算機硬件要求極高，需要操控臺在確保日常操控任務之外，具有較大的CPU“算力冗余”和視頻數據“存儲空間冗余”。

硬件方式為采用獨立的VGA硬件采集和錄放設備對操控臺輸出的RGB模擬視頻信號進行動態(tài)實時采集、記錄存儲、回放，此種方式不依賴、不占用操控臺主機的本地運算能力，完全獨立運算，實時采集、傳輸視頻信號。

受到當初研制時計算機技術水平限制，現役艦船平臺上裝備的各類早期定型操控臺主機CPU運算能力、數據存儲空間等硬件能力有限，無法滿足利用軟件方式實現實時視頻動態(tài)高精度采集的目的，因此提出一種在基本不改變原設備架構的基礎上，利用操控臺主顯示器輸出至遠距離分顯接口分機的RGB模擬視頻信號，新增一套視頻數據記錄系統(tǒng)，以實現模擬視頻信號的數字化采集和高清實時動態(tài)記錄存儲和回放[-2]。該系統(tǒng)主要由硬件采集設備和錄放設備組成。硬件采集設備采用模塊化設計，主要包括信號分配及VGA轉換模塊、VGA視頻采集模塊和電源轉換模塊等。

2.1信號分配及VGA轉換模塊

信號分配及VGA轉換模塊主要完成輸入RGB模擬視頻信號的多路分配、放大驅動和轉換功能。

原理框圖見圖2所示。

首先將RGB輸入信號進行緩沖，然后通過專用視頻驅動芯片及外圍電路，將輸入的RGB模擬信號分為兩路，其中一路RGB1信號進行驅動、放大和輸出緩沖、阻抗匹配后輸出，用于遠距離分顯接口分機使用；另一路RGB2信號則在進行驅動、放大和輸出緩沖、阻抗匹配的同時，經由轉換電路，將G信號中的行、場同步信號分離出來，變成RGBHV格式信號輸出，供VGA視頻采集模塊使用。

2.2VGA視頻采集模塊

VGA視頻采集模塊主要完成模擬視頻信號的數字化采集。將輸入的模擬RGB視頻信號轉化為顯示分辨率 1 2 8 0 × 1 0 2 4 、逐行掃描、刷新率 的高清數字信號。

視頻采集模塊原理框圖如圖3所示。

視頻采集模塊的核心[是一片DSP數字信號處理芯片，另外還包括信號調理電路、A/D轉換電路、數據緩存電路及USB3.1接口電路。

整個信號采集流程如下：信號調理電路將輸入的RGBHV模擬信號變換成符合A/D轉換器格式要求的信號，A/D轉換器對其進行模數轉化，轉化后輸出的數字比特流傳輸到數據鎖存電路進行鎖存，由操作員向錄放設備發(fā)出開始錄制命令，錄放設備通過USB接口發(fā)出控制信息通知DSP取數，由DSP提取鎖存器中的數據并加以壓縮、編碼等處理后形成分辨率為1 2 8 0 × 1 0 2 4 、逐行掃描、刷新率 的高清數字信號，送往數據緩存電路，錄放設備經由USB3.1接口讀取數據緩存電路中的數據并保存到硬盤上。

數字化采集過程中最核心的關鍵在于高精度模數轉化和高性能DSP芯片。

為確保模擬視頻信號的無損、實時采樣，本方案中的A/D轉換器選用AD5664R系列，該系列A/D轉換器具有采樣精度為 1 6 b i t 的4路通道，最高采樣比為2 2 0 k S / s ，300MB的模擬帶寬，刷新率可達 的視頻信號，在鎖相環(huán)產生的采樣時鐘作用下，轉換為顯示所需的高清數字視頻信號。

在對高清數字視頻數據進行壓縮編碼過程中要求較高的行同步，如果某一行圖像數據丟失一個或多個點數據，整個圖像就會產生傾斜。因此為保證數據不丟失，在將高清數字視頻信號送往數據緩存電路的過程中需突發(fā)存儲每行數據，其突發(fā)數據長度為圖像的水平分辨率，即 1 2 8 0 × 2 4 b i t 。

核心芯片采用 A D S P 2 1 x x 系列的高性價比DSP器件，基于 A D S P 2 1 x x 內核，具有64個32位數據存儲器和48位程序存儲器，具有取模和比特反轉的雙數據地址產生器，多處理器連接，可工作在 時鐘速率下，最高可達到 4 8 0 0 M I / s 。采用了超長指令字結構以及數據總線和地址總線分開的哈佛結構，加上8個獨立計算功能單元，可實現多指令的并行執(zhí)行。

經過前端處理后的高清視頻數據通過高速串行總線USB3.1接口送往視頻錄放設備。USB3.1采取2組數據線、雙向傳輸數據，速率可達 1 0 G b p s 。

2.3電源模塊

電源模塊將艦船上提供的 A C2 2 0 V/ 5 0 H z 船電，根據模塊需求，經過穩(wěn)壓及過濾后，轉換為 D C± 5 V DC5V、 D C+1 2 V 等各種電制進行模塊供電并向錄放設備供電。

2.4錄放設備

錄放設備選用基于VXWORKS操作系統(tǒng)，高性能、大存儲量硬盤的軍用加固型便攜平板設備，利用軟件完成采集模塊送出的高清視頻數據信息的記錄、存儲及回放。

對于顯示分辨率 1 2 8 0 × 1 0 2 4 、逐行掃描、刷新率 的采樣高清視頻數據而言， 1 m i n 視頻數據最多占用存儲空間約為 4 0 M B ，選用1TB存儲硬盤進行數據存儲，可提供不少于 的視頻存儲空間。

所需存儲空間如下式計算。

2 0 0 × 6 0 × 4 0 M B = 4 8 0 0 0 0 M B

即 共需要存儲空間為大約480GB，1TB的硬盤空間除去機內各種軟件占用的空間外，完全滿足存儲要求。

錄放軟件可根據需要設置存入任意時段、時長的視頻數據，包括實時記錄存儲、回放兩部分功能，記錄和回放功能可以同時進行，互不干擾[4。錄放軟件主程序流程框圖如圖4所示。

初始化模塊，程序啟動檢查空間，更改操作記錄日志文件，記下起始時間、截止時間、特定時間點回放等。

自檢進程，對各個單元模塊自檢，記下檢測結果，并顯示相關故障信息，如視頻故障、通訊故障及數據存儲故障，方便快速故障定位。

回放控制界面，設置有停止、開始、暫停、快進、快退、退出等功能鍵，方便快速回放。

2.5電磁兼容和環(huán)境適應性設計

本系統(tǒng)中涉及的各項硬件在設計、制造過程中均需進行電磁兼容設計，在設計、制造過程中滿足相關國軍標的具體指標要求，對其電場磁場泄漏和傳導干擾等進行控制[5]。

1）在板卡設計上，通過優(yōu)選器件，在線路原理設計中充分考慮線路的合理性和參數的適當性，PCB布板中確定EMC設計原則等措施保證EMC設計。

2）在接地方面，硬件采集設備機箱采用金屬外殼形成電磁屏蔽罩，在內部設置足夠的接地點，通過接地焊片、螺釘等與設備地相連。印制板設置大面積覆銅接地，將由電源、信號、屏蔽層引起的各類傳導干擾就近接入設備地，再通過設備地接人系統(tǒng)地，有效防止了各類傳導干擾的傳遞、累加、相互作用，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時也避免了干擾經接口電路對其他設備的串擾和電磁能量輻射。

3）在屏蔽方面，采用多重屏蔽手段，可有效阻隔電磁輻射在空間上對設備的干擾，包括各模塊的屏蔽設計和采用多層屏蔽電纜，對易受干擾的視頻信號用屏蔽層保護，并將電纜屏蔽層有效接地，以減少視頻信號對外輻射并提高抗干擾能力。

4）在傳導抑制方面，為有效抑制傳導中帶來的干擾，電源轉換模塊及各處理模塊電源均采取逐級電容濾波設計，以消除難以抑制的干擾累加現象，且此種設計對由個別電路異動引起的特殊干擾有較強的抑制作用。

有關視頻電纜、電源電纜均選用滿足國軍標相關標準的專用電纜，以及按照相關國軍標對于電纜布置原則的要求，按照間隔至少 1 0 0 m m 的空間隔離要求進行分級分類固定敷設[5]。

除此以外，硬件還需進行以下設計：1）環(huán)境適應性設計，包含艙室環(huán)境適應性（溫度、濕度等），設計時考慮適當的耐環(huán)境余量；2）元器件降額設計；3）采用改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施；4）控制設備工作時對周圍環(huán)境影響或干擾程度。

3視頻數據記錄系統(tǒng)布置安裝及工作流程

視頻數據記錄系統(tǒng)中硬件采集設備按照上艦標準進行艙室固定安裝；便攜式錄放設備采取臨時固定方式固定于硬件采集設備附近。

艦船出海前，將便攜式錄放設備攜行上船，接入視頻數據記錄系統(tǒng)。艦船出海訓練期間，適時啟動視頻數據記錄系統(tǒng)對有關訓練視頻進行實時采集存儲。

海訓結束后，可將錄放設備攜行至岸基模擬訓練中心，接入模訓網絡，將相關高清視頻數據導入各有關模訓操控臺，實現視頻回放、訓練復盤、總結實操經驗、海訓效果評估等工作。

4結論

本系統(tǒng)實現的實時視頻記錄回放功能，能很好的實現對操練視頻數據的高精度實時數字化采集、存儲和回放，實現了艦船靠岸后對態(tài)勢感知、攻擊決策、航行指揮等狀態(tài)進行模擬復現，有效地提升了岸基模訓的真實性，可有效提升各級操作指揮員海上綜合態(tài)勢適應性，為進一步提升全艦各級各類人員的綜合作戰(zhàn)能力提供了有力的支撐。

參考文獻

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