高分辨率视频采集记录器的实现

李新建+闫东旺+张虎龙

摘 要 以飞行试验为背景，介绍一种高分辨率视频采集记录器的实现方案，用于实时获取飞机试飞过程中飞机的某个部位、场景、状态等的数字影像信息，进行实时监控和事后分析。

关键词 飞行试验；视频图像；零配置网络协议

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0047-02

飞行试验是在真实的飞行环境下，为验证飞机的某种性能指标是否满足设计指标要求而进行的各种试验。光电测试技术作为飞行试验的重要测试手段，主要完成飞机飞行试验过程中被试目标的光电特性、空间位置、运动影像等的获取及测量。

光电测试的一个重要应用领域就是机载视频的监控及测量，即在飞行试验过程中，通过在飞机上加装高分辨率摄像头或高速摄像机，拍摄被试对象，从而实时获取飞机的某个部位、场景、状态等的数字影像信息，用于实时监控和事后分析。针对不同的飞行试验任务情况和特点，通常需要采用不同的相机，从而研制针对不同相机的机载视频采集记录器。本文介绍了一种采用ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置网络协议）协议，压缩格式为H.264，支持外部触发功能的高分辨率百兆网络相机而开发的高分辨率视频采集记录器。

1 系统主要特点

1）实时同步采集4路高分辨率相机的数字影像。

2）记录采集的4路H.264视频数据。

3）具有IRIG-B时间码同步功能，时间同步精度达到1 ms。

4）具有时间信息嵌入图像数据的功能。

5）具有相机脉冲触发信号产生功能。

6）具有网络相机IP地址自动获取功能。

7）具有配置参数定制功能。

8）电源切换时不损坏设备。

图1 系统组成及工作原理

2 硬件实现

高分辨率视频采集记录器由电源转换模块、4个高分辨率相机采集模块、时统解码授时模块、主控模块、记录模块组成，系统组成框图如图1所示。

1）高分辨率相机。高分辨率数字相机用于获取视频信息，以网络数据流形式传输至视频采集记录器。高分辨率数字相机主要特点如表1所示。

表1 高分辨率数字相机主要特点

2）电源转换模块。电源模块将机载电源转换为视频采集记录器所需的各种电压，并且提供电源保护。为了有效降低输入噪声纹波以及电磁抗干扰能力，在输入端增加了EMI滤波器，有效提高了电源工作效率。同时为了保证系统能长期正常工作，在电源电路中增加了智能监测单元，出现异常则强制复位主控单元。

3）时统解码授时模块。时统解码授时模块接收IRIG-B码时间，对IRIG-B码时间进行解析，将解析后的IRIG-B码时间通过串口发送给主控单元，同时产生4路同步TTL脉冲作为4路相机的外部触发信号。用户可以通过软件设置外部触发的开启、关闭和触发的频率。

4）采集模块。视频采集模块主要实现采集器与相机的通信，解析相机输出的视频信号，其处理过程为：每一路相机通过一个独立的百兆以太网接口发送给采集器的采集压缩模块的网络接口，网络接口芯片将数据发送给FPGA，FPGA通过对数据的网络协议解析，还原出视频原始数据，通过背板总线送至主控单元进行处理。

5）主控单元。主控单元从背板总线上得到相机的压缩数据，经过相应处理，由应用软件控制记录在固态电子盘上。主控单元电源管理模块主要实现系统死机情况下的重启。主控单元同时提供了板载RAM、USB用户操作接口，VGA操作接口、网络输出接口等。

6）记录模块。记录模块采用512GB的工业级固态电子盘，采用SATA接口写入技术。

3 软件实现

采集记录软件运行在视频采集记录器的主控模块之上，完成压缩视频数据流的实时预览和记录。

软件系统根据功能划分为五个功能模块：相机适配模块、系统配置模块、相机采集模块、相机预览模块、数据记录模块，如图2所示。

图2 软件功能模块划分

1）相机适配模块。本系统中采用的相机支持ZeroConf（Zero Configuration Networking，零配置网络协议）协议，相机适配模块完成对此协议的适配。ZeroConf协议是IETF（Internet Engineering Task Forces）提出的一组关于IPv4局域网地址连接和动态配置用协议的总称，目标是为网络设备在小型网络下建立便捷的网络服务，即不需任何手工以及其他服务，如动态主机设置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）等的支持，自动发现IP网络上的电脑、设备和服务，从而自动配置组网并正常工作[1]。ZeroConf协议主要包括以下三个功能：①设备IP地址自动分配（Link-Local address）；②域名与IP地址自动转换（Multicast DNS）；③网络服务自动发现（DNS- Service Discovery）。

本系统中，针对所用的相机，通过ZeroConf协议实现局域网内服务类型和传输协议的自动搜索、定位，从而自动获取相机设备的IP地址、域名、网络服务功能和设备信息等。

2）系统配置模块。系统配置模块完成对系统各功能的设置，主要包括2个方面：①相机参数的配置，本系统中采用的相机支持HTTP/CGI（Common Gateway Interface，通用网关接口），通过此接口，实现采集器对相机各类参数的设置，具体原理如图3所示；②系统全局参数配置，完成对外部触发频率、时间源、是否预览、存储路径等的全局参数设置。

3）数据采集模块。数据采集模块主要功能是通过百兆网络获取相机发送的视频数据，主要处理过程为：当需要采集视频数据时，相机作为Server端，采集器作为Client端，建立相机和采集器间的连接，完成 RTSP（Real Time Streaming Protocol，实时流传输协议）会话，请求Server端的相机上传数据并打开时统解码授时板上的外部触发，相机将视频数据以RTP包的形式发送给采集器。同时，通过控制时统解码授时板上的外部触发，实现四路视频数据的精确同步采样。经测试，四路同步采样达到1 ms的同步精度。

图3 相机参数配置原理

4）数据记录模块。数据记录模块主要功能是将采集到的视频数据进行解析，并叠加IRIG-B码时间，使得每一帧的视频拍摄时间与叠加的IRIG-B码时间精确同步，并将视频数据存储到固态电子盘上。经测试，每一帧视频的拍摄时间与叠加的IRIG-B码时间精确同步，时间同步精度达到1ms，保证了飞行试验完成后事后分析的准确性。

5）视频预览模块。当开启预览功能时，视频预览模块是将视频数据渲染，成像，进行实时显示。

该项目产品目前已经研制完成，设备运行可靠，技术指标达到了设计要求，将在某型号飞机的飞行试验中得到应用。

参考文献

[1]赵昕，郭恩全，李小杰，胡华伟.一种实现网络自动配置及服务发现的零配置协议[J].计算机测量与控制，2008（08）.

[2]尹诚，黄小仙，尹达一.千兆级视频流实时处理关键技术研究[J].科学技术与工程，2012（09）.

作者简介

李新建（1981-），男，工程师，主要从事飞机性能品质试飞、项目管理等。

闫东旺（1981-），男，工程师，研究方向：测试技术、视频采集、嵌入式系统等。endprint