高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備

摘要：介紹了高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)，給出了該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)并分析了應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：高分辨率視頻 視頻提取 數(shù)據(jù)壓縮 視頻回放 隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，顯示精度越來越高，高分辨率監(jiān)視器應(yīng)用在各個領(lǐng)域。伴隨顯示精度的提高，產(chǎn)生了高分辨率視頻記錄的需求。筆者研制的高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備是一個獨立的、菜單控制的設(shè)備，它將高分辨率監(jiān)視器上（１２８０%26;#215;１０２４并向下兼容）能觀察到的所有信息（包括人工操作的痕跡）記錄下來，存儲在大容量載體上。該設(shè)備具備顯示和信息回放功能，主要用于需要事后分析的場合，如空中管理、飛行、航海記錄等；由于記錄內(nèi)容已為數(shù)字化信息，易于編輯整理，也可用于有針對性的模擬訓(xùn)練，使訓(xùn)練達到逼真的效果。該設(shè)備已經(jīng)完成了相關(guān)試驗并在某系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 本文介紹了高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。 １ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為保證系統(tǒng)的獨立性和靈活性，筆者按照“黑匣子”的原則進行設(shè)計。就是說設(shè)備輸入和輸出均為標(biāo)準(zhǔn)的Ｒ、Ｇ、Ｂ視頻信號，所有的信息處理（包括信息的存儲）集中在設(shè)備內(nèi)部進行。記錄時設(shè)備的輸入信號是擬記錄視頻源的Ｒ、Ｇ、Ｂ信號，在需要回放時只需將輸出的視頻信號接任一高分辨率監(jiān)視器即可。這樣，信息的記錄、回放不必局限于某一特定的工作系統(tǒng)，也不再需要另外的信息處理設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。輸入視頻信號可以為三線制、四線制、五線制，記錄設(shè)備可以自適應(yīng)輸入源。 輸出視頻信號可以通過編程設(shè)置為三線、四線、五線制。三線制設(shè)計的同步信號可以分別復(fù)合在Ｒ、Ｇ、Ｂ信號中。輸出的Ｒ、Ｇ、Ｂ為標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號。 高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備由硬件和軟件兩部分組成。從圖１可看出，硬件設(shè)計可分為：輸入視頻提取模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、視頻回放模塊等幾個部分。 ２ 硬件設(shè)計 ２．１輸入視頻提取 高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備采用了數(shù)字處理，這意味著第一步工作就是要把模擬的Ｒ、Ｇ、Ｂ視頻量化為數(shù)字視頻?，F(xiàn)在高分辨率監(jiān)視器常用的顯示模式有：ＳＧＡ（８００%26;#215;６００）、ＸＧＡ（１０２４%26;#215;７６８）、ＳＸＧＡ（１２８０%26;#215;１０２４），顯示刷新頻率６０Ｈｚ～８５Ｈｚ，視頻信號的點時鐘頻率４０ＭＨｚ～１５７．５ＭＨｚ。 為保證Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的精度，采用了鎖相環(huán)技術(shù)，鎖相環(huán)工作原理如圖２所示。 鎖相環(huán)是閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過參考分頻器、反饋分頻器、輸出分頻器的參數(shù)設(shè)置，可以在較低振蕩頻率輸入的情況下，產(chǎn)生高達數(shù)百兆的輸出頻率，同時自動跟隨輸入?yún)⒖碱l率相位的變化。 在此，以行同步為輸入?yún)⒖碱l率，設(shè)置相應(yīng)的分頻參數(shù)，得出與行同步信號相位相關(guān)的采樣點時鐘，并保證采樣時鐘實時、自動跟隨輸入行頻的變化。何時為有效的視頻數(shù)據(jù)也是視頻提取時需要判斷的問題。在輸入視頻的行、場同步的基礎(chǔ)上，按照圖３的設(shè)計原則，設(shè)計出與輸入視頻相對應(yīng)的消隱信號，圖３所示各參數(shù)的含義對照圖４。由于行、場的設(shè)計原理上是一致的，所以圖４中的Ｘ代表著Ｈ（行）或Ｖ（場）。 根據(jù)行、場同步設(shè)計出行、場消隱信號后，在消隱信號高電平期間為有效視頻區(qū)。視頻信號數(shù)字化后存儲在視頻存儲區(qū)，但要保證視頻的相關(guān)性。即同一幀視頻的內(nèi)容存儲在連續(xù)存儲區(qū)，不同幀的內(nèi)容需要有幀間標(biāo)志加以區(qū)別。 ２．２ 數(shù)據(jù)壓縮 要實現(xiàn)高分辨率視頻數(shù)字化記錄，關(guān)鍵是要解決視頻數(shù)據(jù)的壓縮問題。其意義有兩個方面：節(jié)省信息存儲所需的空間；降低數(shù)據(jù)率、減小信息傳輸所需的帶寬。 由于設(shè)計是針對高分辨率的視頻信息，所以在選擇壓縮算法上必須考慮視頻的失真度。對包含有文本信息的高分辨率視頻，筆者曾試驗過多種有損壓縮算法，如ＭＰＥＧ２、小波變換等。這些算法對圖像信息的處理比較好，壓縮比大，視頻回放時人眼可辨的失真度較??；但對字符等文本信息不適合，視頻回放時失真度很大甚至無法分辨字符內(nèi)容。鑒于此，選擇了改進型的ＬＺＷ無損數(shù)據(jù)壓縮方法，以較低的壓縮比換取視頻信息的高保真。表１是該壓縮算法針對不同圖例的壓縮比。 由此可見，此無損壓縮算法雖然針對色彩豐富、灰度變化范圍較大的圖像內(nèi)容壓縮比較低（如Ｉｍａｇｅ３），但針對高分辨率監(jiān)視器上顯示的大部分圖形內(nèi)容壓縮比還是可以接受的并有實際意義。 在實際設(shè)備使用過程中，壓縮比測試平均值達到２０：１。圖3 消隱信號設(shè)計原則 圖4 消隱信號參數(shù)定義２．３ 數(shù)據(jù)記錄模塊 經(jīng)過壓縮處理后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過ＰＣＩ總線傳輸給主機存儲，在高速ＰＣＩ總線前設(shè)置了大容量的存儲空間，作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)總線的速度匹配，充分利用ＰＣＩ總線的帶寬。 該數(shù)據(jù)存儲空間分為上、下體結(jié)構(gòu)，兩個體交替工作。一個體由壓縮芯片實時寫入或讀出數(shù)據(jù)時，主機通過ＰＣＩ總線從另一個體批量讀出存儲的內(nèi)容。這樣即保證了數(shù)據(jù)記錄的實時性，又充分利用了總線的帶寬。 要注意的是在數(shù)據(jù)寫入和讀出過程中，必須保證兩個體內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。寫入的數(shù)據(jù)不能覆蓋尚未讀出的數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時同樣必須判斷是否為有效數(shù)據(jù)，否則在數(shù)據(jù)回放時，解壓縮工作無法正確進行。基本原則是：上、下體的交替時刻利用壓縮芯片寫入或讀出數(shù)據(jù)的地址與批量傳輸?shù)牡刂愤M行比較，必須控制批量傳輸?shù)牡刂沸∮趬嚎s芯片寫入或讀出數(shù)據(jù)的地址。 ２．４ 視頻回放模塊 視頻的回放是Ｘ、Ｙ、Ｔ的三維空間。也就是說，解壓縮不能簡單地被認(rèn)為是數(shù)據(jù)恢復(fù)的過程，數(shù)據(jù)的（接上頁） 恢復(fù)必須伴隨著正確的顯示時序。這包含了顯示時序設(shè)計和解壓縮設(shè)計兩項技術(shù)。 解壓縮的設(shè)計原則上是２．３和２．２節(jié)所述的逆過程，解壓縮出來的數(shù)據(jù)為以幀為單位的視頻數(shù)據(jù)，在顯示時應(yīng)按照正確的顯示順序和分辨率、刷新頻率進行。 在視頻回放時，沒有任何外來的視頻源，也就是說沒有外來的行、場同步信號，需要自行產(chǎn)生。在２．１節(jié)的消隱生成圖例中，包含了行、場同步的設(shè)計，通過主機接口，可以按照不同的分辨率和刷新頻率靈活設(shè)置同步頭的寬度和同步信號的周期，并在此基礎(chǔ)上按照同樣的原則生成行、場消隱信號。消隱信號的高電平為有效視頻區(qū)，在有效視頻區(qū)以點時鐘頻率進行數(shù)字視頻的Ｄ／Ａ變換并在高分辨率監(jiān)視器上顯示（此處的數(shù)字視頻為解壓縮出來的數(shù)據(jù)）。 需要注意的是顯示時序的設(shè)計原則。雖然此處顯示時序是完全獨立的設(shè)計，但考慮到視頻顯示的正確性，必須按照記錄時視頻的顯示分辨率設(shè)計回放時的分辨率，否則分辨率的累積誤差會導(dǎo)致回放視頻的扭曲、變形以致無法分辨。但顯示刷新頻率的設(shè)計則可完全獨立，只要高分辨率監(jiān)視器支持即可。表1 改進的LZW無損數(shù)據(jù)壓縮算法針對不同圖像的壓縮比３ 性能分析 高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備實現(xiàn)了如下功能： （１）如實記錄監(jiān)視器顯示的所有信息； （２）實時監(jiān)控擬記錄的內(nèi)容； （３）自動跟蹤輸入視頻分辨率及刷新頻率的變化，實現(xiàn)多分辨率、多刷新頻率視頻信號的實時跟蹤； （４）在同一設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)壓縮、解壓縮處理，并采用硬件實現(xiàn)； （５）以數(shù)字方式記錄、存儲，記錄內(nèi)容多次重放而無信息質(zhì)量的衰減損失； （６）隨機快進查找功能； ７在１２８０%26;#215;１０２４分辨率下可實現(xiàn)１５幀／秒的實時無損記錄及６０幀／秒的回放（分辨率向下兼容），數(shù)據(jù)處理速度較快，運動信息平滑程度較好； （８）１０ＧＢ的硬盤可記錄約０．５～２小時的視頻信息。 高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備如實記錄了監(jiān)視器上顯示的所有內(nèi)容，包括操作員的實時操作痕跡，可用于模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，將記錄的內(nèi)容，根據(jù)需要加以編輯以滿足有針對性的模擬訓(xùn)練；并可用于需要事后分析、評估場合的記錄，如空管、航管等，有廣泛的應(yīng)用前景。