某新型飛機機載數字視頻記錄儀的設計與實(shí)現

摘  要: 介紹一種用數字技術(shù)實(shí)現飛機視頻記錄的方法及數字壓縮算法、工程實(shí)現中的技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞: 視頻記錄  MPEG-1標準  電磁兼容

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

　　但由于視頻信號數據量大,技術(shù)要求高,數字視頻系統達不到,故多采用模擬記錄方式。模擬記錄電路復雜龐大,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(zhù)大規模集成電路的發(fā)展與計算機技術(shù)的進(jìn)步,采用數字圖像壓縮技術(shù)實(shí)現高壓縮比、高質(zhì)量的圖像數字化壓縮記錄已成為可能。數字化的記錄方法可以將視頻數據經(jīng)過(guò)壓縮記錄在大容量的存儲器上,有效消除噪聲,增加記錄時(shí)間,快速拷貝和復制,快速回放和查找,還可以快速地通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳送?；谝陨显蚬P者為某新型飛機研制了高性能的適于航空機載環(huán)境的數字式彩色視頻記錄儀。本記錄儀采用MPEG-1數字圖像壓縮記錄技術(shù)。

　　1 MPEG-1壓縮算法的基本原理

　　MPEG-1標準是ISO所推薦的通用動(dòng)態(tài)圖像壓縮標準,其編號為ISO/IEC-11172。此標準分四部分:系統標準、視頻標準、音頻標準和測試標準。在視頻壓縮方面,MPEG-1標準采用色度信息子采樣、幀間預測編碼、運動(dòng)補償、離散余弦變換(DCT)壓縮和可變長(cháng)編碼等技術(shù);從空間域、時(shí)間域和頻率域三方面達到了對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,然后對各宏塊進(jìn)行有關(guān)數據壓縮處理。為了極大地減小冗余信息,首先對每塊找出其相對于前一幀圖像所產(chǎn)生的運動(dòng)矢量,然后再對此塊相應于運動(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對應亮度信息,將16×16的宏塊隔行隔列抽取形成亞抽樣子塊8×8象素,對每一個(gè)8×8子塊可采用專(zhuān)用芯片進(jìn)行DCT變換,對所得系數首先進(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系數串。為了達到高度壓縮的目的,這一系數串用可變長(cháng)Huffman碼進(jìn)行高效編碼。此編碼及模式信息、運動(dòng)向量信息將被復用,送入緩沖器并按照一定的速率向外發(fā)送。

　　采用上述算法,對絕大多數不同種類(lèi)的視頻圖像MPEG-1均可將數據率壓縮為1.15Mbps,以保持較高的圖像質(zhì)量。對PAL制視頻信號(-3dB信號帶寬:6MHz),MPEG-1采用的原始數據分辨率為352×288,因而其采樣頻率為7.25MHz。設量化方式為8比特線(xiàn)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,原始圖像數據率為352×288×3×25=76.032Mbps。設壓縮后的數據率為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)系統由壓縮控制、存儲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)現對輸入音視頻信號的數字壓縮。存儲部分由大容量硬盤(pán)組成,完成對壓縮數據的長(cháng)時(shí)間記錄。電源部分對各模塊電路供電。

　　在系統啟動(dòng)時(shí),主控計算機對壓縮卡進(jìn)行初始化,設置好MPEG-1壓縮格式及數據速率,壓縮卡開(kāi)始工作,在主控計算機的控制下,將壓縮后的圖像數據寫(xiě)入硬盤(pán)。在工作過(guò)程中,主控計算機不斷監視相關(guān)信號,可以在圖像中加入相應的標志。在接收到關(guān)機信號后,自動(dòng)結束壓縮卡的工作,并關(guān)閉主機。系統中的幾個(gè)主要部分:

　　(1)視頻壓縮電路:因為MPEG-1壓縮算法需要很大的運算量,用軟件實(shí)時(shí)完成比較困難,所以主要依靠硬件電路來(lái)實(shí)現。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)現了對視頻信號的高效壓縮。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。主要由運動(dòng)估計與補償單元、DCT與反DCT變換單元、可變長(cháng)編碼單元、控制單元、SDRAM接口單元、通用總線(xiàn)接口單元組成。其內部的壓縮處理完全采用流水線(xiàn)結構,開(kāi)機后只需簡(jiǎn)單初始化即可開(kāi)始獨立工作,自動(dòng)送出壓縮好的數據。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,選用了嵌入式計算機PC104作為主控單元。根據視頻壓縮的特點(diǎn),選擇了安普公司的產(chǎn)品AmproP5E/166,其溫度特性好、功能強大、可靠性高、軟硬件移植性好、易于調試。

　　(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(pán)實(shí)現。但因為視頻數據量很大,對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(pán)顯然無(wú)法滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)慎重的考慮和充分的論證,本系統選用了IDE硬盤(pán)作記錄單元。IDE硬盤(pán)不能直接應用,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(pán)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(pán)體劃傷,并使磁頭脫落,導致永久損壞。經(jīng)過(guò)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)現中主要問(wèn)題的考慮

　　在工程實(shí)現中,主要根據使用環(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、測試性方面考慮,設計出符合航空要求的產(chǎn)品。經(jīng)降溫、減震處理后,系統的工作溫度范圍達到-55℃～+70℃,耐加速度為13.75g,符合軍用標準。下面主要介紹電磁兼容問(wèn)題。

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

　　d.接口離散量、開(kāi)關(guān)量信號采用光電隔離措施;

　　e.局部電路二次穩壓;

　　f.應用EMI濾波器減少VDDA的電源噪音;

　　g.PCB設計時(shí),連接到SZ1510電路的外部LPF盡可能接近封裝管腳,最大長(cháng)度0.5英寸。 

　　通過(guò)原理設計與工程實(shí)現,完成了高性能的機載彩色視頻記錄儀的研制。經(jīng)過(guò)各項測試表明,設計思路正確,設計方案合理可行,技術(shù)先進(jìn),方便實(shí)現。隨著(zhù)多媒體計算機技術(shù)的發(fā)展,存儲器容量、性能會(huì )不斷提高,本系統很容易升級,從而保持技術(shù)的先進(jìn)性。

　　參考文獻

　　1 PC/104 Consortium.PC/104-plus specification Version 1.1. 1992/98

　　2 EMBLAZE electronics Corp.sz1510 DataSheet_3.0.2001

　　3 馬小虎,張明敏,嚴華明. 多媒體數據壓縮標準及實(shí)現[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,1996