某新型飞机机载数字视频记录仪的设计与实现

  介绍一种用数字技术实现飞机视频记录的方法及数字压缩算法、工程实现中的技术要点。

        机载视频记录系统在飞行员的日常训练中发挥着十分重要的作用。机载视频记录系统可以实时记录飞行器飞行及训练过程中的各种信息。它能够直观、真实地反映飞行员在空中飞行和操作情况。通过地面回放设备的回放,飞行员可以准确把握自身的不足,及时改进,提高训练水平。

　　但由于视频信号数据量大,技术要求高,数字视频系统达不到,故多采用模拟记录方式。模拟记录电路复杂庞大,图像质量差,记录时间短,回放和查找不方便;因其记录载体为磁带,磁带的磨损会产生额外的干扰和噪声。随着大规模集成电路的发展与计算机技术的进步,采用数字图像压缩技术实现高压缩比、高质量的图像数字化压缩记录已成为可能。数字化的记录方法可以将视频数据经过压缩记录在大容量的存储器上,有效消除噪声,增加记录时间,快速拷贝和复制,快速回放和查找,还可以快速地通过计算机网络进行传送。基于以上原因笔者为某新型飞机研制了高性能的适于航空机载环境的数字式彩色视频记录仪。本记录仪采用MPEG-1数字图像压缩记录技术。

　　1 MPEG-1压缩算法的基本原理

　　MPEG-1标准是ISO所推荐的通用动态图像压缩标准,其编号为ISO/IEC-11172。此标准分四部分:系统标准、视频标准、音频标准和测试标准。在视频压缩方面,MPEG-1标准采用色度信息子采样、帧间预测编码、运动补偿、离散余弦变换(DCT)压缩和可变长编码等技术;从空间域、时间域和频率域三方面达到了对图像冗余信息的高效压缩。MPEG-1压缩的基本原理如图1所示。输入图像为数字化图像,且以Y、Cb、Cr表示。图像首先被分成16×16不相重叠的宏块,然后对各宏块进行有关数据压缩处理。为了极大地减小冗余信息,首先对每块找出其相对于前一帧图像所产生的运动矢量,然后再对此块相应于运动向量所指出的块进行象素值相减。为了传送此相减信息,在4:2:0的模式下,此16×16宏块又被分成6个8×8的子块,如图2所示。其中Y、Cb、Cr对应亮度信息,将16×16的宏块隔行隔列抽取形成亚抽样子块8×8象素,对每一个8×8子块可采用专用芯片进行DCT变换,对所得系数首先进行一次量化,然后再按“Z”形顺序进行二维块的扫描,从而变为一维的量化DCT系数串。为了达到高度压缩的目的,这一系数串用可变长Huffman码进行高效编码。此编码及模式信息、运动向量信息将被复用,送入缓冲器并按照一定的速率向外发送。

　　采用上述算法,对绝大多数不同种类的视频图像MPEG-1均可将数据率压缩为1.15Mbps,以保持较高的图像质量。对PAL制视频信号(-3dB信号带宽:6MHz),MPEG-1采用的原始数据分辨率为352×288,因而其采样频率为7.25MHz。设量化方式为8比特线性量化,且每象素为RGB三基色,则不考虑色度空间子采样时,在25帧/s的帧率下,原始图像数据率为352×288×3×25=76.032Mbps。设压缩后的数据率为1.15Mbps,则可算出压缩比为76.032/1.15=61.15。正是由于较高的压缩性能,考虑将它用于机载视频压缩记录中。

　　2 记录仪的组成与部分单元电路的工作原理

　　如图3所示,整个系统由压缩控制、存储和电源三大模块组成。其中压缩部分由一路MPEG-1音视频压缩电路、控制单元PC-104组成,主要功能是实现对输入音视频信号的数字压缩。存储部分由大容量硬盘组成,完成对压缩数据的长时间记录。电源部分对各模块电路供电。

　　在系统启动时,主控计算机对压缩卡进行初始化,设置好MPEG-1压缩格式及数据速率,压缩卡开始工作,在主控计算机的控制下,将压缩后的图像数据写入硬盘。在工作过程中,主控计算机不断监视相关信号,可以在图像中加入相应的标志。在接收到关机信号后,自动结束压缩卡的工作,并关闭主机。系统中的几个主要部分:

　　(1)视频压缩电路:因为MPEG-1压缩算法需要很大的运算量,用软件实时完成比较困难,所以主要依靠硬件电路来实现。在所研制的硬件压缩卡中,主要选用了以色列Zepax公司的SZ1510 MPEG-1编码芯片,实现了对视频信号的高效压缩。该芯片具有功能多、功耗小、温度范围宽等特点,其组成电路如图4所示。主要由运动估计与补偿单元、DCT与反DCT变换单元、可变长编码单元、控制单元、SDRAM接口单元、通用总线接口单元组成。其内部的压缩处理完全采用流水线结构,开机后只需简单初始化即可开始独立工作,自动送出压缩好的数据。外部时钟为27MHz,工作电压为3.3V。

　　(2)主控单元:考虑到控制单元的体积、可靠性和控制能力,选用了嵌入式计算机PC104作为主控单元。根据视频压缩的特点,选择了安普公司的产品AmproP5E/166,其温度特性好、功能强大、可靠性高、软硬件移植性好、易于调试。

　　(3)记录单元:从重量和可靠性出发,记录单元可以用Flash电子盘实现。但因为视频数据量很大,对记录单元的容量要求也很大。所以从价格和体积考虑,Flash电子盘显然无法满足要求。经过慎重的考虑和充分的论证,本系统选用了IDE硬盘作记录单元。IDE硬盘不能直接应用,需要进行一些必要的技术处理,主要是要进行减震处理。普通硬盘不工作时,可承受300～400G的冲击,5～12G的震动;但是通电工作后,1～2G的震动情况下不能保持正常工作,3～4G时有可能使其记录盘体划伤,并使磁头脱落,导致永久损坏。经过采取减震措施后,可在7G以上的震动中保持正常工作。

　　3 工程实现中主要问题的考虑

　　在工程实现中,主要根据使用环境要求,如温度、振动、冲击、加速度、电磁兼容等,从产品的可靠性、维修性、测试性方面考虑,设计出符合航空要求的产品。经降温、减震处理后,系统的工作温度范围达到-55℃～+70℃,耐加速度为13.75g,符合军用标准。下面主要介绍电磁兼容问题。

　　本系统着重以下方面的工作:   

　　a.不同功能模块分舱屏蔽、隔离;

　　b.电源输入端加滤波、瞬态抑制网络;

　　c.模拟接口信号采取屏蔽措施,其中视频信号必须采用三同轴电缆传输,传输阻抗必须匹配,地线连接采用一点接地方式;

　　d.接口离散量、开关量信号采用光电隔离措施;

　　e.局部电路二次稳压;

　　f.应用EMI滤波器减少VDDA的电源噪音;

　　g.PCB设计时,连接到SZ1510电路的外部LPF尽可能接近封装管脚,最大长度0.5英寸。

　　通过原理设计与工程实现,完成了高性能的机载彩色视频记录仪的研制。经过各项测试表明,设计思路正确,设计方案合理可行,技术先进,方便实现。随着多媒体计算机技术的发展,存储器容量、性能会不断提高,本系统很容易升级,从而保持技术的先进性。