机载GigE Vision高清影像采集记录技术研究

机载GigE Vision高清影像采集记录技术研究作者：张杰张虎龙邹强来源：《现代电子技术》2013年第10期摘要：在运八型飞机飞行流场测试课题中为了达到对机体不同部位的丝带进行高清影像采集记录的目的⁃在试验过程中设计了基于GigE Vision接口标准的多路高清机载视频采集记录方案⁃在机载测试环境下实现了双路1 080P高清视频的实时采集、传输、压缩与记录。

同时将IRIG⁃B时间精确同步技术引入高清视频采集系统中⁃实现了拍摄画面与测试系统的精确同步功能。

在此详细介绍了机载视频采集记录系统的主要设计内容以及实现方法⁃并结合具体飞行试验⁃对研究成果进行了验证和应用说明。

关键词： GigE Vision；高清影像；视频采集；飞行试验中图分类号： TN911⁃34；TP333.4 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）10⁃0045⁃040 引言随着高分辨数字摄像机技术的不断发展，在科研试飞中胶片式摄像机已经逐步退出了历史舞台，机载数字摄像机分辨率的不断提升是技术发展必然趋势[1⁃2]。

在近几年的科研试飞过程中，机载高分辨率数字摄像机所获取的高清晰度数字视频已经在很大程度上带来了测量精度的提高和视觉效果的改善。

但机载高分辨数字视频本身数据量大，对其进行实时传输与采集压缩是一项亟待解决的课题。

以运八飞机流场测试课题中的应用为例，1套数字视频采集设备需要对分辨率为1 600×1 200像素、帧频为30 f/s、时长为240 min的2路数字视频进行传输与采集，单路传输所需的数据率接近为83 MB/s，传输距离接近30 m，采集2路的未压缩视频的数据量大于800 GB，对此，存在两个方面的问题需要解决：（1）需要一种兼顾传输速率、传输距离的视频接口标准；（2）需要一种高效的视频编解码技术以实现高分辨率数字视频的压缩采集。

本文针对以上两个问题，结合实际应用环境对GigE Vision和H.264技术进行了相关研究，旨在研制出一种满足机载测试条件的基于GigE Vision接口标准的高清影像视频采集记录系统，解决高清数字视频长距离传输过程中存在的信号衰减问题，探索出一种高效的视频编解码技术，实现多路高清数字视频的采集压缩记录以及回放显示，并在飞行试验过程中提供满足地面监控所需的遥测下传视频图像。

1 系统总体设计基于GigE Vision的高清影像采集记录系统应用于机载环境下，其设备的研制首先需要满足宽温、振动和复杂电磁等要求。

根据运八飞机流场测试的特点和要求，为了保证能够在飞行试验过程中获取到稳定可靠的高清影像，在设计与研制本系统的过程中应用了较为先进的图像采集、传输、压缩技术，构建了一套机载高清影像采集记录系统。

PC⁃104PLUS是一种较为流行的机载测试设备构建方式，具有紧凑的结构，稳定的带宽，优异的抗振性能。

统筹考虑各方面的因素，在设计系统的时候各种采集板总线采用PC⁃104PLUS总线[3⁃5]。

高清影像采集记录系统的主要设计指标有以下几点：（1）图像获取单元：图像获取部分使用了两台高分辨率的数字摄像机，提供分辨率达1 600×1 200画质的数字图像；（2）视频传输单元：视频数据传输部分采用了基于GigE Vision标准接口的千兆网络，该视频接口标准能够提供最大达125 MB/s的数据传输速率；将PC104板卡输出的VGA信号转换为标准PAL信号输出到遥测系统进行遥测下传；（3）采集压缩单元：视频记录部分采用了H.264视频压缩编码技术，以30 f/s的速度对千兆网口中传来的原始图像数据进行实时的压缩，并将压缩后的数据以标准视频文件的方式保存至电子盘[6⁃7]。

2 关键技术2.1 GigE Vision高清影像采集GigE Vision是一种新出现的高性能工业摄像机接口标准，它由AIA （Automated Imaging Association）创建并推广的，广泛适于工业成像应用，通过网络传输视频信号的标准。

随着以太网技术的飞速发展，建立在现存网络标准基础上的GigE Vision在数据传输长度和速度上显示了很大的优势[8]。

GigE Vision标准制订的主要目的是提供一个开放的平台，以供摄像机和采集计算机间可以利用以太网相互传输大量及时的影像和控制信号，开放兼容是它主的目的。

在效能上它提供了不同的选择，厂商可以自行依照产品性能和定位来选择他们要提供的效能，包括CPU的使用率、帧率（f/s）、实时性和信号同步性等。

几乎所有的计算机都拥有以太网接口，因此，使用GigE Vision摄像机时，就不需要额外增加其他的适配卡如1394卡或Camera Link 卡，同时也不用影像采集卡（Grabber card），这大大的节省了系统的成本和提升了方便性。

而且，CPU资源的占用可低至2%（其他如IEEE 1394可占20%～25%，USB可占约35%～40%）；GigE Vision摄像机使用CAT5e或CAT6网线直接连接摄像机和采集计算机，其距离可达100 m；另外，CAT5e或CAT6类型网线非常易于用一般的工具加工，这对于常要因依现场环境布线的应用，非常方便。

国际上较为流行的数字摄像机接口类型有：GigE Vision、IEEE 1394、CameraLink以及USB 2.0等。

GigE Vision与Camera Link，IEEE 1394，USB 2.0相比，标准协议完善可靠，拥有更长的传输距离、更大的数据带宽，并且不需要专用的图像采集板卡。

根据GigE Vision Version 1.0所发布的标准，GigE Vision高清影像采集在协议方面包括四个部分的实现内容：GDDM（GigE Device Discovery Mechanism）：定义摄像机如何获取IP 地址和如何在网络上被识别。

GVCP（GigE Vision Control Protocol）：定义如何描述数据流通道、控制命令以及GigE Vision摄像机的设定。

GVSP（GigE Vision Stream Protocol）：定义影像在传送时如何封装以及GigE Vision摄像机如何将影像和其他信息传送给远程采集计算机。

2.2 时间信息同步为了使采集的两路视频画面能够精确同步于其他测试设备，需要在系统中研制专用的GPS 时间采集板卡，用于读取时码发生设备所输出的IRIG⁃B码信号。

时间信息采集板卡的主要功能是采集IRIG⁃B时码信号，并将信号经过放大、滤波、同步检测后输出直流的IRIG⁃B （DC）信号。

IRIG⁃B（DC）信号顺序输入帧同步检测模块和字同步检测模块以获取帧同步信号和字同步信号。

同时将毫秒脉冲与同步信号对齐，用计数的方式获得时间信息中的毫秒值。

获取时、分、秒及毫秒的绝对时间信息后，将数据写入板载内存中，并向PC104PLUS总线发出中断信号，等待系统采集程序的获取。

系统在采集每一幅高清影像的同时通过总线读取时间采集板卡中解析的时间信息作为本幅影像的标识时间。

在通过网络接收到完整的一幅影像数据后，调用H.264算法对数据进行压缩，压缩后数据并同时间信息一同写入视频文件中，从而保证图像画面与其他测试设备的严格同步。

2.3 I/O输入/输出在高清影像采集记录设备上增加一组LED发光二极管对采集设备的当前工作状态进行标识可以极大的增加人机界面的友好度，方便工作人员的使用与检查。

同时将操作面板上的数码开关与设备内部的I/O通道相连，系统通过读取I/O通道的当前数值实时改变采集程序工作模式。

I/O输出通道用于控制LED发光二极管的点亮与否，从而明确设备是否相应人工操作。

I/O输入输出模块需要完成以下两点工作。

首先，与设备自我检查与诊断程序相结合，以控制各个LED发光二极管的点亮状态对外显示采集系统当前工作情况。

包括：（1）系统是否正常上电工作，采集程序是否如期启动；（2）高清视频采集的数据量特别巨大，因此需要在采集记录视频数据的同时关注电子盘的剩余空间大小，当剩余空间小于8 GB时，无法完成当前架次的试验任务，需要进行红灯告警；（3）当电子盘的剩余空间小于100 MB时，为防止损坏已记录数据，自动停止采集，并告警；（4）GigE Vision高清影像视频信号输入、B码信号是否正常；（5）具备看门狗功能，在系统处于非正常工作状态时自动重启。

其次，具备遥测传输通道选择功能。

当前机载视频遥测传输方式在单频点的情况下只能向地面发送一路PAL模拟视频。

因此在输入/输出模块上必须有视频选择功能，将采集设备采集的两路高清影像选择一路进行格式转换后进入遥测通道实时下传。

2.4 视频压缩高清图像的分辨率达到了200万像素的级别，也就是说在不压缩的情况下一幅贝尔彩色图像的数据量有2 MB。

按照一分钟30 f/s的采样速度计算一分钟需要存储的数据有3.6 GB。

海量的数据对电子盘的长时间记录和存储带来的极大的困难，同时为了减小采集过程中的画质损失，采用和设计合适的压缩算法是系统研制的主要难题之一。

MPEG⁃4视频压缩技术是国际最为流行的视频压缩技术之一。

它基于小波编码技术对图像进行画面分割与运动评估，具有空间时间双重压缩功能，相比MPEG⁃1/MPEG⁃2而言在不损失画面质量的前提下有着更高压缩比。

同时MPEG⁃4视频压缩技术能够根据画面内容实时调整压缩比，在画面变化不复杂的情况下适当减小输出比特率，能够满足网络实时传输对带宽及图像质量的要求 [9]。

为了能够适应不同的网络传输环境，并且在低比特率下得到较为良好的图像压缩效果，ITU_T的视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC的活动图像专家组（MPEG）联合制定的最新视频编码标准H.264 [10]。

H.264可以看成MPEG⁃4的一个特殊应用，同样使用块运动补偿与变换编码的双重混合编码架构，在保留MPEG⁃4优点的同时采用了诸如帧内预测、可变图像分割、亚像素运动预估等新编码技术，使其在同等条件下具有更好的压缩性能，使数据量减少30%～50%。

使用过程中对比各种压缩算法实际效果，H.264算法在各个方面表现最好，但其算法运算量大，计算复杂，普通PC104的单核CPU无法完成200万像素分辨率的图像数据包30 f/s压缩的目的。

经过实验分析，综合考虑图像质量、压缩效果和记录时长等各类指标，硬件选用具有双核1.5 GHz CPU的PC104主板，完成对双路GigE Vision高清影像H.264实时压缩。

4 结语试飞实践证明了新研制的基于GigE Vision接口标准的机载高清影像采集系统能够满足机载环境下的使用需求。

采用该系统可以进行长时间、双路视频采集，可以保障飞机长航时的需求。