某新型飛機(jī)機(jī)載數(shù)字視頻記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?介紹一種用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)視頻記錄的方法及數(shù)字壓縮算法、工程實(shí)現(xiàn)中的技術(shù)要點(diǎn)。

??????? 機(jī)載視頻記錄系統(tǒng)在飛行員的日常訓(xùn)練中發(fā)揮著十分重要的作用。機(jī)載視頻記錄系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄飛行器飛行及訓(xùn)練過程中的各種信息。它能夠直觀、真實(shí)地反映飛行員在空中飛行和操作情況。通過地面回放設(shè)備的回放,飛行員可以準(zhǔn)確把握自身的不足,及時(shí)改進(jìn),提高訓(xùn)練水平。

　　但由于視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量大,技術(shù)要求高,數(shù)字視頻系統(tǒng)達(dá)不到,故多采用模擬記錄方式。模擬記錄電路復(fù)雜龐大,圖像質(zhì)量差,記錄時(shí)間短,回放和查找不方便;因其記錄載體為磁帶,磁帶的磨損會(huì)產(chǎn)生額外的干擾和噪聲。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,采用數(shù)字圖像壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓縮比、高質(zhì)量的圖像數(shù)字化壓縮記錄已成為可能。數(shù)字化的記錄方法可以將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮記錄在大容量的存儲(chǔ)器上,有效消除噪聲,增加記錄時(shí)間,快速拷貝和復(fù)制,快速回放和查找,還可以快速地通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。基于以上原因筆者為某新型飛機(jī)研制了高性能的適于航空機(jī)載環(huán)境的數(shù)字式彩色視頻記錄儀。本記錄儀采用MPEG-1數(shù)字圖像壓縮記錄技術(shù)。

　　1 MPEG-1壓縮算法的基本原理

　　MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)是ISO所推薦的通用動(dòng)態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),其編號(hào)為ISO/IEC-11172。此標(biāo)準(zhǔn)分四部分:系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、視頻標(biāo)準(zhǔn)、音頻標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在視頻壓縮方面,MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)采用色度信息子采樣、幀間預(yù)測(cè)編碼、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、離散余弦變換(DCT)壓縮和可變長(zhǎng)編碼等技術(shù);從空間域、時(shí)間域和頻率域三方面達(dá)到了對(duì)圖像冗余信息的高效壓縮。MPEG-1壓縮的基本原理如圖1所示。輸入圖像為數(shù)字化圖像,且以Y、Cb、Cr表示。圖像首先被分成16×16不相重疊的宏塊,然后對(duì)各宏塊進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)壓縮處理。為了極大地減小冗余信息,首先對(duì)每塊找出其相對(duì)于前一幀圖像所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)矢量,然后再對(duì)此塊相應(yīng)于運(yùn)動(dòng)向量所指出的塊進(jìn)行象素值相減。為了傳送此相減信息,在4:2:0的模式下,此16×16宏塊又被分成6個(gè)8×8的子塊,如圖2所示。其中Y、Cb、Cr對(duì)應(yīng)亮度信息,將16×16的宏塊隔行隔列抽取形成亞抽樣子塊8×8象素,對(duì)每一個(gè)8×8子塊可采用專用芯片進(jìn)行DCT變換,對(duì)所得系數(shù)首先進(jìn)行一次量化,然后再按“Z”形順序進(jìn)行二維塊的掃描,從而變?yōu)橐痪S的量化DCT系數(shù)串。為了達(dá)到高度壓縮的目的,這一系數(shù)串用可變長(zhǎng)Huffman碼進(jìn)行高效編碼。此編碼及模式信息、運(yùn)動(dòng)向量信息將被復(fù)用,送入緩沖器并按照一定的速率向外發(fā)送。

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　　采用上述算法,對(duì)絕大多數(shù)不同種類的視頻圖像MPEG-1均可將數(shù)據(jù)率壓縮為1.15Mbps,以保持較高的圖像質(zhì)量。對(duì)PAL制視頻信號(hào)(-3dB信號(hào)帶寬:6MHz),MPEG-1采用的原始數(shù)據(jù)分辨率為352×288,因而其采樣頻率為7.25MHz。設(shè)量化方式為8比特線性量化,且每象素為RGB三基色,則不考慮色度空間子采樣時(shí),在25幀/s的幀率下,原始圖像數(shù)據(jù)率為352×288×3×25=76.032Mbps。設(shè)壓縮后的數(shù)據(jù)率為1.15Mbps,則可算出壓縮比為76.032/1.15=61.15。正是由于較高的壓縮性能,考慮將它用于機(jī)載視頻壓縮記錄中。

　　2 記錄儀的組成與部分單元電路的工作原理

　　如圖3所示,整個(gè)系統(tǒng)由壓縮控制、存儲(chǔ)和電源三大模塊組成。其中壓縮部分由一路MPEG-1音視頻壓縮電路、控制單元PC-104組成,主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入音視頻信號(hào)的數(shù)字壓縮。存儲(chǔ)部分由大容量硬盤組成,完成對(duì)壓縮數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間記錄。電源部分對(duì)各模塊電路供電。

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　　在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),主控計(jì)算機(jī)對(duì)壓縮卡進(jìn)行初始化,設(shè)置好MPEG-1壓縮格式及數(shù)據(jù)速率,壓縮卡開始工作,在主控計(jì)算機(jī)的控制下,將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)寫入硬盤。在工作過程中,主控計(jì)算機(jī)不斷監(jiān)視相關(guān)信號(hào),可以在圖像中加入相應(yīng)的標(biāo)志。在接收到關(guān)機(jī)信號(hào)后,自動(dòng)結(jié)束壓縮卡的工作,并關(guān)閉主機(jī)。系統(tǒng)中的幾個(gè)主要部分:

　　(1)視頻壓縮電路:因?yàn)镸PEG-1壓縮算法需要很大的運(yùn)算量,用軟件實(shí)時(shí)完成比較困難,所以主要依靠硬件電路來實(shí)現(xiàn)。在所研制的硬件壓縮卡中,主要選用了以色列Zepax公司的SZ1510 MPEG-1編碼芯片,實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻信號(hào)的高效壓縮。該芯片具有功能多、功耗小、溫度范圍寬等特點(diǎn),其組成電路如圖4所示。主要由運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償單元、DCT與反DCT變換單元、可變長(zhǎng)編碼單元、控制單元、SDRAM接口單元、通用總線接口單元組成。其內(nèi)部的壓縮處理完全采用流水線結(jié)構(gòu),開機(jī)后只需簡(jiǎn)單初始化即可開始獨(dú)立工作,自動(dòng)送出壓縮好的數(shù)據(jù)。外部時(shí)鐘為27MHz,工作電壓為3.3V。

　　(2)主控單元:考慮到控制單元的體積、可靠性和控制能力,選用了嵌入式計(jì)算機(jī)PC104作為主控單元。根據(jù)視頻壓縮的特點(diǎn),選擇了安普公司的產(chǎn)品AmproP5E/166,其溫度特性好、功能強(qiáng)大、可靠性高、軟硬件移植性好、易于調(diào)試。

　　(3)記錄單元:從重量和可靠性出發(fā),記錄單元可以用Flash電子盤實(shí)現(xiàn)。但因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)量很大,對(duì)記錄單元的容量要求也很大。所以從價(jià)格和體積考慮,Flash電子盤顯然無法滿足要求。經(jīng)過慎重的考慮和充分的論證,本系統(tǒng)選用了IDE硬盤作記錄單元。IDE硬盤不能直接應(yīng)用,需要進(jìn)行一些必要的技術(shù)處理,主要是要進(jìn)行減震處理。普通硬盤不工作時(shí),可承受300～400G的沖擊,5～12G的震動(dòng);但是通電工作后,1～2G的震動(dòng)情況下不能保持正常工作,3～4G時(shí)有可能使其記錄盤體劃傷,并使磁頭脫落,導(dǎo)致永久損壞。經(jīng)過采取減震措施后,可在7G以上的震動(dòng)中保持正常工作。

　　3 工程實(shí)現(xiàn)中主要問題的考慮

　　在工程實(shí)現(xiàn)中,主要根據(jù)使用環(huán)境要求,如溫度、振動(dòng)、沖擊、加速度、電磁兼容等,從產(chǎn)品的可靠性、維修性、測(cè)試性方面考慮,設(shè)計(jì)出符合航空要求的產(chǎn)品。經(jīng)降溫、減震處理后,系統(tǒng)的工作溫度范圍達(dá)到-55℃～+70℃,耐加速度為13.75g,符合軍用標(biāo)準(zhǔn)。下面主要介紹電磁兼容問題。

　　本系統(tǒng)著重以下方面的工作:???

　　a.不同功能模塊分艙屏蔽、隔離;

　　b.電源輸入端加濾波、瞬態(tài)抑制網(wǎng)絡(luò);

　　c.模擬接口信號(hào)采取屏蔽措施,其中視頻信號(hào)必須采用三同軸電纜傳輸,傳輸阻抗必須匹配,地線連接采用一點(diǎn)接地方式;

　　d.接口離散量、開關(guān)量信號(hào)采用光電隔離措施;

　　e.局部電路二次穩(wěn)壓;

　　f.應(yīng)用EMI濾波器減少VDDA的電源噪音;

　　g.PCB設(shè)計(jì)時(shí),連接到SZ1510電路的外部LPF盡可能接近封裝管腳,最大長(zhǎng)度0.5英寸。

　　通過原理設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn),完成了高性能的機(jī)載彩色視頻記錄儀的研制。經(jīng)過各項(xiàng)測(cè)試表明,設(shè)計(jì)思路正確,設(shè)計(jì)方案合理可行,技術(shù)先進(jìn),方便實(shí)現(xiàn)。隨著多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,存儲(chǔ)器容量、性能會(huì)不斷提高,本系統(tǒng)很容易升級(jí),從而保持技術(shù)的先進(jìn)性。