高分辨率視頻采集記錄器的實現(xiàn)

李新建+閆東旺+張虎龍

摘 要 以飛行試驗為背景，介紹一種高分辨率視頻采集記錄器的實現(xiàn)方案，用于實時獲取飛機試飛過程中飛機的某個部位、場景、狀態(tài)等的數(shù)字影像信息，進行實時監(jiān)控和事后分析。

關(guān)鍵詞 飛行試驗；視頻圖像；零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0047-02

飛行試驗是在真實的飛行環(huán)境下，為驗證飛機的某種性能指標是否滿足設(shè)計指標要求而進行的各種試驗。光電測試技術(shù)作為飛行試驗的重要測試手段，主要完成飛機飛行試驗過程中被試目標的光電特性、空間位置、運動影像等的獲取及測量。

光電測試的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域就是機載視頻的監(jiān)控及測量，即在飛行試驗過程中，通過在飛機上加裝高分辨率攝像頭或高速攝像機，拍攝被試對象，從而實時獲取飛機的某個部位、場景、狀態(tài)等的數(shù)字影像信息，用于實時監(jiān)控和事后分析。針對不同的飛行試驗任務(wù)情況和特點，通常需要采用不同的相機，從而研制針對不同相機的機載視頻采集記錄器。本文介紹了一種采用ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）協(xié)議，壓縮格式為H.264，支持外部觸發(fā)功能的高分辨率百兆網(wǎng)絡(luò)相機而開發(fā)的高分辨率視頻采集記錄器。

1 系統(tǒng)主要特點

1）實時同步采集4路高分辨率相機的數(shù)字影像。

2）記錄采集的4路H.264視頻數(shù)據(jù)。

3）具有IRIG-B時間碼同步功能，時間同步精度達到1 ms。

4）具有時間信息嵌入圖像數(shù)據(jù)的功能。

5）具有相機脈沖觸發(fā)信號產(chǎn)生功能。

6）具有網(wǎng)絡(luò)相機IP地址自動獲取功能。

7）具有配置參數(shù)定制功能。

8）電源切換時不損壞設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理

2 硬件實現(xiàn)

高分辨率視頻采集記錄器由電源轉(zhuǎn)換模塊、4個高分辨率相機采集模塊、時統(tǒng)解碼授時模塊、主控模塊、記錄模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1）高分辨率相機。高分辨率數(shù)字相機用于獲取視頻信息，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流形式傳輸至視頻采集記錄器。高分辨率數(shù)字相機主要特點如表1所示。

表1 高分辨率數(shù)字相機主要特點

2）電源轉(zhuǎn)換模塊。電源模塊將機載電源轉(zhuǎn)換為視頻采集記錄器所需的各種電壓，并且提供電源保護。為了有效降低輸入噪聲紋波以及電磁抗干擾能力，在輸入端增加了EMI濾波器，有效提高了電源工作效率。同時為了保證系統(tǒng)能長期正常工作，在電源電路中增加了智能監(jiān)測單元，出現(xiàn)異常則強制復(fù)位主控單元。

3）時統(tǒng)解碼授時模塊。時統(tǒng)解碼授時模塊接收IRIG-B碼時間，對IRIG-B碼時間進行解析，將解析后的IRIG-B碼時間通過串口發(fā)送給主控單元，同時產(chǎn)生4路同步TTL脈沖作為4路相機的外部觸發(fā)信號。用戶可以通過軟件設(shè)置外部觸發(fā)的開啟、關(guān)閉和觸發(fā)的頻率。

4）采集模塊。視頻采集模塊主要實現(xiàn)采集器與相機的通信，解析相機輸出的視頻信號，其處理過程為：每一路相機通過一個獨立的百兆以太網(wǎng)接口發(fā)送給采集器的采集壓縮模塊的網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)接口芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA通過對數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析，還原出視頻原始數(shù)據(jù)，通過背板總線送至主控單元進行處理。

5）主控單元。主控單元從背板總線上得到相機的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)處理，由應(yīng)用軟件控制記錄在固態(tài)電子盤上。主控單元電源管理模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)死機情況下的重啟。主控單元同時提供了板載RAM、USB用戶操作接口，VGA操作接口、網(wǎng)絡(luò)輸出接口等。

6）記錄模塊。記錄模塊采用512GB的工業(yè)級固態(tài)電子盤，采用SATA接口寫入技術(shù)。

3 軟件實現(xiàn)

采集記錄軟件運行在視頻采集記錄器的主控模塊之上，完成壓縮視頻數(shù)據(jù)流的實時預(yù)覽和記錄。

軟件系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為五個功能模塊：相機適配模塊、系統(tǒng)配置模塊、相機采集模塊、相機預(yù)覽模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊，如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊劃分

1）相機適配模塊。本系統(tǒng)中采用的相機支持ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）協(xié)議，相機適配模塊完成對此協(xié)議的適配。ZeroConf協(xié)議是IETF（Internet Engineering Task Forces）提出的一組關(guān)于IPv4局域網(wǎng)地址連接和動態(tài)配置用協(xié)議的總稱，目標是為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在小型網(wǎng)絡(luò)下建立便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即不需任何手工以及其他服務(wù)，如動態(tài)主機設(shè)置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）等的支持，自動發(fā)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)上的電腦、設(shè)備和服務(wù)，從而自動配置組網(wǎng)并正常工作[1]。ZeroConf協(xié)議主要包括以下三個功能：①設(shè)備IP地址自動分配（Link-Local address）；②域名與IP地址自動轉(zhuǎn)換（Multicast DNS）；③網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動發(fā)現(xiàn)（DNS- Service Discovery）。

本系統(tǒng)中，針對所用的相機，通過ZeroConf協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)類型和傳輸協(xié)議的自動搜索、定位，從而自動獲取相機設(shè)備的IP地址、域名、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能和設(shè)備信息等。

2）系統(tǒng)配置模塊。系統(tǒng)配置模塊完成對系統(tǒng)各功能的設(shè)置，主要包括2個方面：①相機參數(shù)的配置，本系統(tǒng)中采用的相機支持HTTP/CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口），通過此接口，實現(xiàn)采集器對相機各類參數(shù)的設(shè)置，具體原理如圖3所示；②系統(tǒng)全局參數(shù)配置，完成對外部觸發(fā)頻率、時間源、是否預(yù)覽、存儲路徑等的全局參數(shù)設(shè)置。

3）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是通過百兆網(wǎng)絡(luò)獲取相機發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，主要處理過程為：當(dāng)需要采集視頻數(shù)據(jù)時，相機作為Server端，采集器作為Client端，建立相機和采集器間的連接，完成 RTSP（Real Time Streaming Protocol，實時流傳輸協(xié)議）會話，請求Server端的相機上傳數(shù)據(jù)并打開時統(tǒng)解碼授時板上的外部觸發(fā)，相機將視頻數(shù)據(jù)以RTP包的形式發(fā)送給采集器。同時，通過控制時統(tǒng)解碼授時板上的外部觸發(fā)，實現(xiàn)四路視頻數(shù)據(jù)的精確同步采樣。經(jīng)測試，四路同步采樣達到1 ms的同步精度。

圖3 相機參數(shù)配置原理

4）數(shù)據(jù)記錄模塊。數(shù)據(jù)記錄模塊主要功能是將采集到的視頻數(shù)據(jù)進行解析，并疊加IRIG-B碼時間，使得每一幀的視頻拍攝時間與疊加的IRIG-B碼時間精確同步，并將視頻數(shù)據(jù)存儲到固態(tài)電子盤上。經(jīng)測試，每一幀視頻的拍攝時間與疊加的IRIG-B碼時間精確同步，時間同步精度達到1ms，保證了飛行試驗完成后事后分析的準確性。

5）視頻預(yù)覽模塊。當(dāng)開啟預(yù)覽功能時，視頻預(yù)覽模塊是將視頻數(shù)據(jù)渲染，成像，進行實時顯示。

該項目產(chǎn)品目前已經(jīng)研制完成，設(shè)備運行可靠，技術(shù)指標達到了設(shè)計要求，將在某型號飛機的飛行試驗中得到應(yīng)用。

參考文獻

[1]趙昕，郭恩全，李小杰，胡華偉.一種實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動配置及服務(wù)發(fā)現(xiàn)的零配置協(xié)議[J].計算機測量與控制，2008（08）.

[2]尹誠，黃小仙，尹達一.千兆級視頻流實時處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（09）.

作者簡介

李新建（1981-），男，工程師，主要從事飛機性能品質(zhì)試飛、項目管理等。

閆東旺（1981-），男，工程師，研究方向：測試技術(shù)、視頻采集、嵌入式系統(tǒng)等。endprint