基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的箭載圖像采集系統(tǒng)設(shè)計及硬件實現(xiàn)

王 旭 趙子倫 榮 剛 常 曦 張 璁

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院,北京 100076;2.北京航天計量測試技術(shù)研究所,北京 100076)

1 引言

圖像采集系統(tǒng)在運載器上一般負(fù)責(zé)記錄運載器上的關(guān)鍵動作圖像畫面,在遙測帶寬允許的情況下傳輸清晰的圖像至地面。但由于器上發(fā)射功率有限,因此在有限的帶寬內(nèi)傳輸必要的圖像信息尤為重要。

基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)箭上圖像采集系統(tǒng),其采集的圖像信息可無損存儲在圖像壓縮器的存儲模塊中,經(jīng)其壓縮過的圖像也可通過遙測傳輸至地面。由于采集路數(shù)較多,由控制系統(tǒng)提供時序通過網(wǎng)絡(luò)進行不同飛行時段的兩路圖像切換,在占用少量帶寬的同時傳輸更多種類的圖像[1]。

2 圖像采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖像采集功能的實現(xiàn)主要由攝像頭和圖像壓縮器組成,如圖1 所示。攝像頭分別布置在艙內(nèi)和艙外,由于艙內(nèi)光線較暗,因此艙內(nèi)使用紅外攝像頭,艙外使用可見光攝像頭。圖像壓縮器保存原始圖像數(shù)據(jù)在存儲卡中,同時對圖像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮,壓縮后的數(shù)據(jù)以500 kbps 的速率發(fā)送至測量系統(tǒng)進行對地實時下傳。每個圖像壓縮器均連接至器上交換機,經(jīng)器上電纜至器地連接脫拔處,通過地面電纜至地面總控網(wǎng),總控網(wǎng)通過以太網(wǎng)訪問圖像壓縮器的IP 地址來觀測器上圖像信息,任務(wù)完成后通過訪問各圖像壓縮器的IP 地址進行壓縮后圖像數(shù)據(jù)回讀,實時圖像通過422 總線使用HDLC 協(xié)議發(fā)送至測量系統(tǒng)對地遙測下傳,地面軟件實時顯示圖像。為節(jié)約器上無線帶寬,采用分時顯示的方式,即測量系統(tǒng)通過收到的時序開關(guān)量在對地下傳遙測信息時切換至該時刻對應(yīng)的重要圖像[2]。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的圖像采集系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of image acquisition system based on network architecture

3 圖像壓縮算法設(shè)計

圖像采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備圖像壓縮器在滿足低功耗、小型化的前提下,還要實時可靠。圖像采集系統(tǒng)內(nèi)的圖像壓縮器主要采取算法優(yōu)化和編碼器結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩條技術(shù)途徑,解決箭上圖像壓縮的難題。

3.1 算法設(shè)計及優(yōu)化

本系統(tǒng)的圖像壓縮算法選用H.264 標(biāo)準(zhǔn),此標(biāo)準(zhǔn)代表了當(dāng)前業(yè)界最先進的視頻壓縮技術(shù),它使運動圖像壓縮技術(shù)上升到了一個更高的階段[3]。H.264的編碼過程比較復(fù)雜,編碼流程如圖2 所示。在I 幀和P 幀編碼處理過程中,都用采用了決策模塊,分別用于確定I 幀中的宏塊是否為16×16 或4×4大小及其對應(yīng)的最佳預(yù)測模式,確定P 幀中宏塊大小的劃分和最佳運動矢量,由此可以把決策模塊分為I 幀和P 幀兩種情況考慮。

圖2 H.264 編碼流程圖Fig.2 H.264 encoding flow chart

假設(shè)16×16 塊大小最佳預(yù)測模式對應(yīng)的花銷（模式對應(yīng)的匹配值SAD）為SADBMODE16,16×16塊的幀內(nèi)最佳的預(yù)測模式為BMODE16,4×4 大小塊最佳的模式對應(yīng)的花銷為SADBMODE4,第n個4×4大小塊的最佳的預(yù)測模式為BMODE4n,4×4大小時,16 個4×4 塊各自的最佳模式對應(yīng)的SAD值和為SADALL;幀間運動矢量對應(yīng)的花銷（該運動矢量對應(yīng)的匹配值SAD）為SADMV,幀間塊的劃分模式分別為M16×16、M16×8、M8×16、M8×8、M8×4、M4×8、M4×4,各劃分對應(yīng)的最佳運動矢量花銷（SADMV 值）分別為SAD16×16、SAD16×8、SAD8×16、SAD8×8、SAD8×4、SAD4×8、SAD4×4,每個8×8 塊分成4 個4×4 塊的SAD4×4 總和為SAD4×4ALL,16×16 塊劃分成4 個8×8 塊的SAD8×8 塊的總和為SAD8×8ALL,16×16 塊最佳的劃分為BMBMODE。

3.2 編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計

在圖像突變時,一般編碼器輸出的圖像質(zhì)量往往會下降,編碼器編碼速度也相應(yīng)下降而出現(xiàn)丟幀問題,這是因為圖像突變時碼率控制函數(shù)提高了量化步長導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降,同時圖像相關(guān)性下降導(dǎo)致編碼器計算量增大,出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象。因此設(shè)計了如圖3 所示的編碼器結(jié)構(gòu),通過在一般編碼器中加入異常情況處理機制,解決圖像突變時丟幀和圖像質(zhì)量下降的問題。

圖3 編碼器編碼流程圖Fig.3 Encoding flow chart of encoder

與一般編碼器不同的是,本編碼器增加了強制插入I 幀的功能,緩沖器容量較大（256 MB）,且編碼器能在編碼過程中實時統(tǒng)計當(dāng)前編碼已產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。當(dāng)圖像發(fā)生異常,P 幀宏塊運動矢量增大,目標(biāo)塊與原始塊匹配性差,編碼器輸出數(shù)據(jù)量迅速增加,如果完成50%宏塊編碼時已產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大于I 幀平均編碼數(shù)據(jù)量的75%,則認(rèn)為圖像發(fā)生異常,強制插入I 幀機制啟動,對當(dāng)前幀重新進行I 幀編碼。為了確保不丟失異常幀,對強制插入的I 幀只進行Intra16x16 幀內(nèi)預(yù)測,如果圖像異常持續(xù)存在（即出現(xiàn)飛行異常）,則執(zhí)行屏蔽碼率控制功能,取消容量監(jiān)控。

4 圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 攝像機模組硬件設(shè)計

攝像機模組由光學(xué)鏡頭、探測器、減振器組件、結(jié)構(gòu)殼體構(gòu)成。根據(jù)安裝位置的不同分別選用不同的視場鏡頭,探測器選用索尼的IMX252 芯片完成1080 P 成像。由于艙內(nèi)和艙外溫度均較低,相機窗口會產(chǎn)生水霧凝結(jié),為避免水霧影響成像觀察效果,需安裝鏡片加熱組件,對窗口進行加熱。鏡片加熱裝置包括溫度傳感器和加熱膜,安裝在相機外殼內(nèi)部。

4.2 圖像壓縮器硬件設(shè)計

圖像壓縮器采用模塊化設(shè)計思想,通過網(wǎng)絡(luò)模塊完成與地面及健康管理平臺的信息交互[4]。整機按功能可分為兩個模塊,即圖像壓縮模塊和電源模塊。圖像壓縮器整機系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 圖像壓縮器整機框圖Fig.4 Block diagram of image compressor

4.2.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊提供測量系統(tǒng)圖像壓縮器內(nèi)部工作的各種電源和前端圖像傳感器工作的二次電源。圖像壓縮板電源由彈上直流電源供給,輸入電壓為28 V±5 V,系統(tǒng)輸入28 V 電壓后,二次電源主要由TPS54360、TPS562201 等電源芯片實現(xiàn)內(nèi)部供電需要的12 V、5 V、3.3 V、1.2 V 等電源轉(zhuǎn)換處理。電源管理功能如圖5 所示。

圖5 電源管理功能框圖Fig.5 Functional block diagram of power management

圖6 圖像壓縮模塊框圖Fig.6 Block diagram of image compression module

4.2.2 圖像壓縮模塊設(shè)計

系統(tǒng)提供給圖像壓縮模塊電源后,DSP（數(shù)字信號處理器）復(fù)位,從FLASH 內(nèi)裝載程序代碼后,完成DSP 內(nèi)部寄存器初始化。初始化結(jié)束后,DSP 通過I2C 口完成對視頻解碼器的初始化,確定視頻解碼器的輸入信號格式、輸出信號格式等。DSP 收到視頻解碼器初始化結(jié)束的應(yīng)答信號后,同步讀入視頻解碼器的輸出信號,完成每一幀圖像的編碼。

DSP 采集一場圖像后,首先檢測“起飛”信號,如果“起飛”信號有效,鎖存“起飛”信息;其次,DSP檢測“請求輸出”信號,如果“請求脈沖”有效,則DSP以128 Mb／s 的速率從SDRAM 讀取數(shù)據(jù),并通過SPORT 串行接口以約30 Mb／s 的速率發(fā)送2.4 KB 數(shù)據(jù)給控制模塊;最后,DSP 進行當(dāng)前場圖像數(shù)據(jù)編碼并將編碼結(jié)果寫入數(shù)據(jù)存儲器。DSP 在完成當(dāng)前幀編碼的同時讀取下一場圖像的原始數(shù)據(jù)。

4.2.3 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

圖像壓縮器網(wǎng)絡(luò)接口模塊的主要功能是實現(xiàn)圖像壓縮器與健康管理單機的網(wǎng)絡(luò)通訊。當(dāng)接收到報文后,網(wǎng)絡(luò)接口模塊逐個完成INTERNET 協(xié)議的每一層解包,去掉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每一層首部信息和尾部信息,最后將獲取的圖像信息存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。網(wǎng)絡(luò)接口模塊工作原理如圖7 所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)接口模塊工作原理框圖Fig.7 Working principle block diagram of network interface module

網(wǎng)絡(luò)接口模塊基于單片機和網(wǎng)絡(luò)控制器完成。UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）控制器接收攝像機模組輸出的經(jīng)圖像壓縮模塊壓縮后的視頻圖像數(shù)據(jù),將視頻圖像數(shù)據(jù)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū),單片機通過查詢方式,從UDP 緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口輸出視頻數(shù)據(jù)至其他系統(tǒng)。

5 測試方案設(shè)計

5.1 單機測試方案

圖像壓縮器地面測試臺用于器上圖像壓縮器的單機檢測,并能接收器上圖像采集系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)。地面測試臺原理如圖8 所示。

圖8 地面測試臺原理框圖Fig.8 Principle block diagram of ground test bench

地面測試臺基于計算機完成,它主要包括視頻信號源（攝像頭）、電源模塊、二次電源負(fù)載、RS-422-A接口板及測試軟件等部分。其中,攝像頭模擬圖像傳感器輸出視頻信號;電源模塊提供圖像壓縮處理器工作電源;二次電源負(fù)載模擬攝像頭電源負(fù)載;RS-422-A 接口板模擬測量系統(tǒng)中心程序器輸出信號和測量系統(tǒng)指令,并實時接收圖像壓縮器的輸出視頻數(shù)據(jù)[5]。圖像壓縮器地面測試臺與圖像壓縮器的連接如圖9 所示。

圖9 地面測試臺與圖像壓縮器連接框圖Fig.9 Connection block diagram of ground test bench and image compressor

5.2 系統(tǒng)測試

圖像采集系統(tǒng)加電工作時,地面總控網(wǎng)可通過電纜連接至器上健康管理系統(tǒng)的交換機,通過網(wǎng)絡(luò)IP 地址訪問圖像壓縮器獲取器上的實時圖像[6],圖像經(jīng)網(wǎng)口傳輸至地面解碼軟件實時顯示圖像。

運載器執(zhí)行完任務(wù)后,也可通過地面軟件選用視頻回放模式,同樣通過脫拔連接至器上進行原始視頻回讀,讀取數(shù)據(jù)后進行視頻回放。地面視頻解碼軟件界面如圖10 所示。

圖10 地面軟件界面Fig.10 Ground software interface

6 結(jié)束語

提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的箭載圖像采集系統(tǒng),將采集到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至箭上遙測系統(tǒng)和地面。通過箭上交換機連接箭上圖像采集設(shè)備和地面測試設(shè)備,增加了器上圖像傳輸速率,簡化了系統(tǒng)接口和地面測試流程,同時通過分時切換的方式節(jié)約了箭上帶寬,保證地面測試獲取高清圖像的同時也提高了獲取圖像信息效率。