關于機載實況攝錄傳輸系統中視頻圖像數據處理系統的設計?

喬文長 田向陽

（91388部隊94分隊 湛江 524002）

1 引言

目前各類試驗的數據處理主要分為事后數據處理、實時數據處理和視頻圖像數據處理三大類。由于多種因素的影響，試驗中視頻圖像數據處理比較薄弱，視頻圖像數據處理、使用和管理仍處于原始階段，隨著實驗任務需求不斷增加，視頻圖像信息越來越多，作用越來越大，對視頻圖像信息的質量要求越來越高。因此，結合試驗需求，通過對試驗視頻圖像數據處理可以有效提高試驗視頻圖像信息的可用度。

2 試驗視頻圖像信息現狀分析

2.1 試驗視頻圖像信息分類

雖然試驗視頻圖像信息很多，但是可以按照視頻圖像使用特性對試驗視頻圖像信息分類。

1）紅外光學電影經緯儀。紅外光學電影經緯儀錄取的試驗視頻圖像信息有兩種，一種為光學視頻圖像信息，另一種為紅外視頻。光學視頻圖像用于觀測被試品飛行初段的工作狀況，紅外視頻圖像用于實時定性分析被試品飛行狀態。并通過該設備提供的方位角和俯仰角計算被試品飛行初段的運行參數［1］。

2）水下微光設備。水下微光設備拍攝的為光學視頻圖像信息。主要用于觀測被試品發射平臺是否按照試驗程序正常開啟、關閉以及被試品出筒情況，便于指揮員按照試驗進程對試驗進行指揮。

3）圖像聲納。圖像聲納設備安裝在被試品發射平臺上，獲取水下視頻信息。在此基礎上計算被試品水中段運行參數。

4）攝像機。不同類型的攝像機分布設在被試品發射區域，拍攝的視頻信息主要用于觀測被試品飛行狀態，指揮員能更直觀掌握被試品出水以及初段飛行的實況。

2.2 影響試驗視頻圖像信息質量因素分析

影響試驗視頻圖像信息質量除了錄取設備傳感器自身質量因素外，主要有以下幾點：

1）海上能見度。氣象對紅外光學電影經緯儀和攝像設備的視頻圖像質量影響很大。以往為了滿足圖像質量需求，對海上能見度的要求≥15km。但試驗任務時往往達不到要求，由于能見度低，光學拍攝的視頻信息非常模糊，很難分辨出被試品飛行的狀況。

2）攝像平臺。由于海情、海況等因素影響，造成攝像平臺不穩定，攝取的圖像發生扭曲變形，影響技術人員對被試品出水姿態的分析。

3）信息傳輸。視頻圖像信息通過微波長距離傳輸受環境條件的影響［2］，造成信號衰減并且在圖像中疊加了大量的噪聲，直接影響視頻圖像顯示效果。

3 視頻圖像信息處理系統分析

3.1 系統任務分析及處理思路

1）系統任務分析。被試品飛行試驗視頻圖像信息處理系統承擔的任務可歸納為，一是對各類視頻圖像信息進行增強、還原等處理，提高圖像視感質量；二是對圖像壓縮處理［3］，便于存儲管理；三是將處理后的視頻圖像進行實時的連續顯示，提高顯示效果；四是對原始視頻圖像和處理后的視頻圖像進行分類存儲；五是提供視頻圖像信息查詢、增加、刪改等數據庫管理手段。

2）視頻圖像信息處理基本思路。根據任務需求可以確定視頻圖像處理的基本思路。首選選擇合適試驗視頻圖像處理方法，建立圖像實時處理數學模型，采用并行算法和可視化編程技術將已建立的數學模型研發為圖像實時處理軟件系統。利用圖像采集可將連續視頻圖像信息，分解為多幅單張圖片，由圖像實時處理軟件系統對每幅圖片自動進行實時處理，然后采用合成演示的方法，最后實現視頻圖像實時連續處理和顯示功能。采用大型數據庫對原始和處理后的視頻圖像信息進行存儲，提供查詢、增加、刪改等數據庫管理手段。

3.2 視頻圖像信息處理平臺建立基本原則

1）實用性。視頻圖像信息處理平臺主要功能分為兩大部分，一部分為視頻圖像處理，另一部分為視頻圖像存儲管理。視頻圖像處理對象要涵蓋實驗任務所有的視頻圖像信息，對不同的視頻圖像可以采用不同的處理方法，并提供相應的操作菜單進行分類處理控制。視頻圖像存儲管理首選將圖像信息分類壓縮處理［4］，然后利用大型數據庫系統進行管理，便于保密授權和搜索查詢等管理。

2）實時性。試驗視頻圖像信息處理后，需要在指控中心進行實時顯示。因此，信息的采樣、處理以及信息還原等環節設計要充分考慮其實時性，處理的模塊不能過于復雜，另外，視頻信息查詢時間也要有相應的限制，在數據庫設計要完成實時性指標。根據實驗需求，其技術指標：信息采集頻率：25Hz；圖像處理周期：40ms；圖像處理時延：≤ 2s；普通查詢時延：≤5s；組合查詢時延：≤50s。

3）擴展性。隨著試驗需求的不斷增加，視頻圖像信息將會越來越多，在系統時要充分考慮系統的可擴充性。依托試驗IP網絡，采用IP協議和分組交換技術［5］，建立適應實驗任務的、視頻圖像處理需求的網絡系統。

4）可靠性。視頻圖像處理系統的使命之一是進行視頻圖像實時處理與顯示，必須具備與指控中心其他設備相同的可靠性，才能不影響試驗任務的順利進行。因此，其平均故障間隔時間應為MTBF≥1000h；平均故障修復時間應為MTTR≤0.5h。

3.3 提高視頻圖像質量的基本處理方法

針對被試品飛行試驗視頻圖像質量不高影響試驗指揮決策等問題，需要對試驗視頻圖像進行綜合數據處理，即對視頻圖像進行圖像增強、復原、編碼、壓縮等處理。

1）圖像變換。在圖像處理過程中采用傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換［6］等間接處理技術，將空間域的處理轉換為變換域處理，不僅可以減少計算量，還可以獲得更有效的處理［7］。

2）圖像編碼壓縮。采用圖像壓縮國際標準的JPEG和MPEG對圖像進行壓縮處理。Windows為用戶設計兩種圖像壓縮方法，一種為16色圖像提供RLE4壓縮方法；一種為256色圖像提供RLE8的壓縮方法。

3）圖像增強和復原。為了改善圖像的視覺效果，提高圖像的清晰度以及使圖像變得有利于計算機計算處理，采用空間域方法和變換域方法對圖像進行增強處理［8］；再根據降質過程建立“降質模型”，采用濾波方法［9］，回復或重建原來的圖像。

4）圖像分割。雖然目前已經研究出不少邊緣提取、區域分割的方法［10］，但是還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對不同的視頻圖像采取邊緣［11］、區域等綜合圖像分割方法，完成飛行器試驗中眾多種類的圖像處理。

5）圖像識別。圖像識別屬于模式識別的范疇，其主要內容是圖像經過某些預處理（增強、復原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，采用模糊模式識別或人工神經網絡模式進行識別［12］。

4 視頻圖像信息系統設計

4.1 系統組成

系統的規模可根據視頻處理的任務而定。一個基本的視頻圖像處理系統至少需要一臺視頻信息采集工作站，包含視頻采集卡，用于視頻圖像信息采集，一臺圖形工作站（3D圖像加速卡）用于視頻圖像處理，一臺網絡交換機用于連接內外部設備和信息交換，一套信息存儲管理系統用于圖像信息存儲管理，以及部分專用圖像處理軟件和研制的圖像實時處理軟件系統等構成。系統拓撲結構如圖1。

4.2 系統信息流程

系統信息流程是實現系統功能和性能的基礎。信息流程的優劣直接決定系統技戰指標能否實現。信息流程是根據系統承擔的任務，在保證系統實時性、可靠性需求的前提下設計的。因此，信息流程設計是系統建設的重要環節。本系統主要任務是實現視頻圖像實時處理和日常管理，其信息流程如下：

1）視頻圖像輸入端連接信息采集工作站的視頻采集卡，視頻采集卡按設定的采集頻率進行信息采集；

2）每幀圖像信息采集結束后，通過網絡將其發送給圖像處理工作站和數據存儲服務器；

3）圖像處理工作站接收圖像信息后，對每幅圖像信息進行處理，累計圖像幅數；數據存儲服務器接收到信息后進行分類壓縮處理，然后存儲到磁盤陣列中；

4）當圖像處理工作站累計圖像幅數達到預定值時，對所積累的圖像信息按先后順序分別向音視頻切換矩陣發送，通過選切進行實時顯示；與此同時圖像處理工作站通過網絡向數據存儲服務器發送處理過的圖像信息，數據存儲服務器接收到信息后，進行分類、壓縮處理后存儲到磁盤陣列中；

5）數據存儲服務器可定期、定量地將存儲在磁盤陣列中的信息通過網絡備份到虛擬帶庫中。

5 結語

本文主要介紹了機載實況攝錄傳輸系統中試驗視頻圖像數據處理系統的設計方法，通過計算機網絡以及專用圖像處理軟件，對原始試驗視頻圖像進行去噪、增強、復原、分割提取特征等處理，用于提高圖像質量。使指揮員能夠準確掌握參試艦船和被試品的運動態勢，幫助指揮員做出正確的決策。