多路图像实时采集侦察系统设计与实现

陈永禄， 张 莉， 张 佳

（1.中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089；2.西安远方航空技术发展总公司 陕西 西安 710089；3.西北工业大学机电学院 陕西 西安 710072）

现代战场是由部署在多维空间的光、电子装备和信息网络组成的巨大系统，其中情报分系统是主要骨干之一。军事侦察是为获取军事斗争所需敌方或有关战区的情况而采取的措施。它是实施正确指挥，取得作战胜利的重要保障。

航空侦察是军队为获取敌情、地形和有关作战情报而采取的行动，是实施正确指挥的前提，是取得作战胜利的重要保证。航空侦察是“发现-定位-瞄准-攻击-评估”杀伤链的重要组成部分，它既是从发现目标到打击效果评估诸多环节不可或缺的部分，而且实现了信息获取系统和空中打击系统的信息近实时传输，因此有人称它为战场力量的倍增器。在不同的历史条件下，尽管获取情报的技术手段不断发展变化，但是航空侦察在军事上的重要地位从未削弱。由于航空侦察具有时效性强、准确度高、侦察范围宽广深远、机动灵活、针对性强的特点，既可克服地面侦察受地球曲率和地形障碍物对视线的限制和较强的危险性，又可弥补卫星侦察的细节和时效不足[1]，所以目前它仍是获取战术情报的基本和有效手段。

侦察设备通常拥有多种类型的传感器，目前航空成像传感器常用的有可见光传感器和红外传感器，二者工作的波段范围不同。可见光传感器成像系统体积小、重量轻、结构简单，并且分辨率较高、对地面目标的边缘纹理等细节信息比较清晰，抗干扰能力较强，但容易受到天气等自然条件的影响；红外传感器成像系统具有可穿透烟雾，主体目标比较清晰，能昼夜工作等特点[2]，因此，通常根据使用场合的不同选用不同传感器类型。

由于航空侦察设备通常需要将侦察信息进行实时、远距离传输，在传输的过程中易受干扰，出现丢帧、误码等现象，因此传输数据的完整性与可靠性是衡量侦察信息的重要指标。针对航空侦察设备的以上特点，本文结合成像传感器的类型设计了一种多路图像采集的侦察设备，其中一路作为主通道传输图像，另一路作为备份通道。当主通道图像质量不佳时，可实时切换到备份通道，从而确保了图像采集的连续性与完整性。

1 系统设计及关键技术

1.1 系统总体设计

航空侦察设备在空中对目标侦察的过程中，利用可见光相机（CCD相机）或红外相机进行拍摄，获得原始图像。由于原始图像体积较大，为了便于传输需对原始图像压缩，然后通过数传电台传输至地面站。地面站接收到侦察设备传来的数据后，根据格式对数据进行位对齐，将图像解压还原。解压后的图像显示到监控显示器界面上，同时根据不同的接收时间保存至地面处理计算机硬盘内指定的文件夹。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 System block diagram

1.2 数据的传输

航空侦察设备在获得信息情报后，必须做好信息的安全传输。随着传感器、通信技术、网络技术的日益发达，现在的航空侦察已经实现了近实时性[3]，这对航空侦察移动目标很有效。利用数字信号处理等方式进行影像增强和数据压缩相机的输出可以近实时地直接从空中传送给地面。

由于航空侦察设备需要通过无线链路将信息情报传送到地面，而无线链路传输过程中信息容易受到干扰，因此需要信息中加入相应的数据校验机制。以固定长度的数据作为一帧，在每帧数据的头部与尾部分别加上标志位，地面站在接收数据时根据相应的标志位保存数据，可以最大限度的保证数据的连续性与完整性[4]。帧数据的结构如图2所示。

图2 帧数据结构Fig.2 Frame data structure

1.3 图像的显示与保存

针对实时性要求高的多任务系统，采用多线程技术可以合理的解决方案。可见光图像具有较高的分辨率（4008*2672），图像尺寸与数据容量较大，传输速度较慢（1 f/s）；红外图像分辨率较低（720*576），图像尺寸与数据容量较小，传输速度较快（4 f/s）。

可见光图像与红外图像的图像格式不同，故分别采用了不同的图像压缩与解压方式：可见光图像体积大，为保证数据的正常传输，采用压缩比较高的方式；红外图像体积较小，为保证图像不失真，采用压缩比较低的方式[5]。

由于在数据格式及保存路径上相同，因此可见光图像与红外图像在数据传输与图像保存上采用相同的方式：数据传输通过数传电台，地面站接收到数据后根据数据帧格式进行位对齐。地面解压后的图像一方面显示到监控显示器上，另一方面按照接收到的时间保存在以日期时间命名的文件夹中。

1.4 系统关键技术

侦察设备在获取到的图像信息是图像传感器输出的原始图像（RAW格式），在传输过程中为了节约带宽，需要先将RAW图像压缩，待数据传输到地面后，再将压缩数据解压显示。

实时图像解压显示的过程中，地面处理计算机需要处理的一路图像的数据量很大，约为88 Mb/s，同时需要保证系统至少无故障连续工作2小时，对系统的稳定性和可靠性有很高的要求。主通道与备份通道两路图像同时传输时，为了保证系统的稳定可靠，兼顾到地面处理计算机的性能，系统采用串行解压的方式。所谓串行解压方式是指地面处理计算机对接收到的两路图像依次分时进行解压，即同一时刻只处理其中一路的图像[6]。系统工作流程如图3所示。

图3 地面站工作流程Fig.3 Ground station workflow

系统采用VC++6.0平台编写，解压显示部分采用了多线程技术，在软件界面运行的同时开启图像解压工作线程，代码如下：

void Start（）

{

CWinThread*pThread；

//开启解压线程

pThread=AfxBeginThread（Thread， this）；

}

//解压显示线程

UINT Thread（）

{

//两通道采用串行分时解压方式

ThreadFun1（）； //主通道位对齐、解压显示函数

ThreadFun2（）； //备份通道位对齐、解压显示函数

return 0；

}

两路图像在传输的过程中由于是连续传输，加上数传电台传输数据的过程中可能的误码与丢帧，每帧数据并不一定是以帧头标志位开始或以帧尾标志位结束，因此地面站接收到数据后首先要对数据进行位对齐操作，然后将对齐后的图像保存为压缩文件，再对压缩文件进行解压显示保存。

针对数据错位的情况，采用了递归与迭代算法对数据进行为对齐，实现了较高的处理效率。位对齐过程如图4所示。

图4 数据位对齐过程Fig.4 Bits alignment process

为了应对图像实时显示过程中光照较弱的情况，程序中加入了图像增强功能，主要针对亮度与对比度增强处理。图像增强部分使用CDib类。亮度增强使用CDib类中的ChangBrightness函数，函数原型为：

void ChangeBrightness（CDib*pOrigDib， int nChange）；

nChange是亮度的改变量，改变图像亮度 pOrigDib为原先的图像。

对比度增强使用CDib类中的ChangeContrast函数，函数原型为：

void ChangeContrast（CDib*pOrigDib， int nChange）；

nChange是对比度的改变量，改变图像对比度 pOrigDib为原先的图像。

2 系统性能评估

为了确保系统能够按照规定的帧率（可见光图像1 f/s，红外图像4 f/s）解压显示图像，测试单幅图片的接收解压速度。测试方法为，在地面搭建数传电台，仿真实际传输情况，并且编写单独的测试用例并加入计时函数，对不同灰度的样本图片进行解压，分别记录解压时间如表1所示。

表1 图像解压时间测试Tab.1 Image decompression time test

由测试数据可知，可见光图像的单幅解压时间在228 ms左右，红外图像的解压时间在30 ms左右。系统对着两种图像的解压速度完全满足图像实时显示所要求的帧率，为系统进行其他处理操作提供了充足的时间裕量。

3 结束语

多路图像实时采集显示系统利用多线程技术，结合递归与迭代算法，实现了多路图像数据的接收、对齐、解压、显示及保存等多项功能，达到了很高的时效性、完整性，实现了图像的实时显示与保存，为图像的后期处理和分析奠定了良好的基础。联试表明，本系统完全达到了设计要求。后续结合模式识别等技术，可以在实现实时目标识别查证等功能。

[1]贾平，张葆.航空光电侦察平台关键技术及其发展[J].光学精密工程，2003（1）:82-87.JIA Ping，ZHANG Bao.Key technology of aerial photoelectric reconnaissance platform and development[J].Optical Precision Engineering，2003（1）:82-87.

[2]孙明超.可见光与红外侦察图像融合技术研究[D].长春：中国科学院研究生院 （长春光学精密机械与物理研究所），2012.

[3]郭冬梅.美国航空侦察中信息的获取及传输[J].中国科技信息，2006（20A）:13.GUO Dong-mei.American reconnaissance in information acquisition and transmission[J].Journal of Information Science and Technology of China，2006（20A）:13.

[4]孟超，张曦煌.基于嵌入式系统的图像采集与传输设计[J].计算机工程与设计，2008（17）:4414-4416.MENG Chao，ZHANG Xi-huang.Image acquisition and transmission based on embedded system design[J].Computer Engineering and Design，2008（17）:4414-4416.

[5]（日）谷口庆治编，朱虹等译.数字图像处理[M].北京：科学出版社，2002.

[6]周斌，刘秉琦，张瑜，等.利用CCD实现“猫眼”目标探测的实验研究[J].光电工程，2011（11）:35-39.ZHOU Bin，LIU bing-qi，ZHANG Yu，et al.Using CCD to realize “cat-eye” target detection experimental study[J].Journal of Photoelectric Engineering，2011（11）:35-39.