摘? 要: 介紹了高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)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" title="數(shù)據(jù)壓縮">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(lái)越高,高分辨率監(jiān)視器應(yīng)用在各個(gè)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(gè)獨(dú)立的、菜單控制的設(shè)備,它將高分辨率監(jiān)視器上(1280×1024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(lái),存儲(chǔ)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(chǎng)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(duì)性的模擬訓(xùn)練,使訓(xùn)練達(dá)到逼真的效果。該設(shè)備已經(jīng)完成了相關(guān)試驗(yàn)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)" title="系統(tǒng)結(jié)構(gòu)">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(dú)立性和靈活性,筆者按照“黑匣子”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。就是說(shuō)設(shè)備輸入和輸出均為標(biāo)準(zhǔn)的R、G、B視頻信號(hào),所有的信息處理(包括信息的存儲(chǔ))集中在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行。記錄時(shí)設(shè)備的輸入信號(hào)是擬記錄視頻源的R、G、B信號(hào),在需要回放時(shí)只需將輸出的視頻信號(hào)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(hào)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(hào)可以通過(guò)編程設(shè)置為三線、四線、五線制。三線制設(shè)計(jì)的同步信號(hào)" title="同步信號(hào)">同步信號(hào)可以分別復(fù)合在R、G、B信號(hào)中。輸出的R、G、B為標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)。

　　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(jì)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(gè)部分。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024),顯示刷新頻率60Hz～85Hz,視頻信號(hào)的點(diǎn)時(shí)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(guò)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(dá)數(shù)百兆的輸出頻率,同時(shí)自動(dòng)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(hào)相位相關(guān)的采樣點(diǎn)時(shí)鐘,并保證采樣時(shí)鐘實(shí)時(shí)、自動(dòng)跟隨輸入行頻的變化。

　　何時(shí)為有效的視頻數(shù)據(jù)也是視頻提取時(shí)需要判斷的問(wèn)題。在輸入視頻的行、場(chǎng)同步的基礎(chǔ)上,按照?qǐng)D3的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)出與輸入視頻相對(duì)應(yīng)的消隱信號(hào),圖3所示各參數(shù)的含義對(duì)照?qǐng)D4。由于行、場(chǎng)的設(shè)計(jì)原理上是一致的,所以圖4中的X代表著H(行)或V(場(chǎng))。

?

?

　　根據(jù)行、場(chǎng)同步設(shè)計(jì)出行、場(chǎng)消隱信號(hào)后,在消隱信號(hào)高電平期間為有效視頻區(qū)。視頻信號(hào)數(shù)字化后存儲(chǔ)在視頻存儲(chǔ)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(chǔ)在連續(xù)存儲(chǔ)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(shí)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(wèn)題。其意義有兩個(gè)方面:節(jié)省信息存儲(chǔ)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(jì)是針對(duì)高分辨率的視頻信息,所以在選擇壓縮算法" title="壓縮算法">壓縮算法上必須考慮視頻的失真度。對(duì)包含有文本信息的高分辨率視頻,筆者曾試驗(yàn)過(guò)多種有損壓縮算法,如MPEG2、小波變換等。這些算法對(duì)圖像信息的處理比較好,壓縮比" title="壓縮比">壓縮比大,視頻回放時(shí)人眼可辨的失真度較小;但對(duì)字符等文本信息不適合,視頻回放時(shí)失真度很大甚至無(wú)法分辨字符內(nèi)容。鑒于此,選擇了改進(jìn)型的LZW無(wú)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(duì)不同圖例的壓縮比。

?

　　由此可見(jiàn),此無(wú)損壓縮算法雖然針對(duì)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(duì)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(shí)際意義。

　　在實(shí)際設(shè)備使用過(guò)程中,壓縮比測(cè)試平均值達(dá)到20:1。

2.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

　　經(jīng)過(guò)壓縮處理后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)PCI總線傳輸給主機(jī)存儲(chǔ),在高速PCI總線前設(shè)置了大容量的存儲(chǔ)空間,作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū),實(shí)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(chǔ)空間分為上、下體結(jié)構(gòu),兩個(gè)體交替工作。一個(gè)體由壓縮芯片實(shí)時(shí)寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)時(shí),主機(jī)通過(guò)PCI總線從另一個(gè)體批量讀出存儲(chǔ)的內(nèi)容。這樣即保證了數(shù)據(jù)記錄的實(shí)時(shí)性,又充分利用了總線的帶寬。

　　要注意的是在數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀出過(guò)程中,必須保證兩個(gè)體內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。寫(xiě)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(shí)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(shí),解壓縮工作無(wú)法正確進(jìn)行?；驹瓌t是:上、下體的交替時(shí)刻利用壓縮芯片寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)的地址與批量傳輸?shù)牡刂愤M(jìn)行比較,必須控制批量傳輸?shù)牡刂沸∮趬嚎s芯片寫(xiě)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(shuō),解壓縮不能簡(jiǎn)單地被認(rèn)為是數(shù)據(jù)恢復(fù)的過(guò)程,數(shù)據(jù)的恢復(fù)必須伴隨著正確的顯示時(shí)序。這包含了顯示時(shí)序設(shè)計(jì)和解壓縮設(shè)計(jì)兩項(xiàng)技術(shù)。

　　解壓縮的設(shè)計(jì)原則上是2.3和2.2節(jié)所述的逆過(guò)程,解壓縮出來(lái)的數(shù)據(jù)為以幀為單位的視頻數(shù)據(jù),在顯示時(shí)應(yīng)按照正確的顯示順序和分辨率、刷新頻率進(jìn)行。

　　在視頻回放時(shí),沒(méi)有任何外來(lái)的視頻源,也就是說(shuō)沒(méi)有外來(lái)的行、場(chǎng)同步信號(hào),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(chǎng)同步的設(shè)計(jì),通過(guò)主機(jī)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(hào)的周期,并在此基礎(chǔ)上按照同樣的原則生成行、場(chǎng)消隱信號(hào)。消隱信號(hào)的高電平為有效視頻區(qū),在有效視頻區(qū)以點(diǎn)時(shí)鐘頻率進(jìn)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(lái)的數(shù)據(jù))。

　　需要注意的是顯示時(shí)序的設(shè)計(jì)原則。雖然此處顯示時(shí)序是完全獨(dú)立的設(shè)計(jì),但考慮到視頻顯示的正確性,必須按照記錄時(shí)視頻的顯示分辨率設(shè)計(jì)回放時(shí)的分辨率,否則分辨率的累積誤差會(huì)導(dǎo)致回放視頻的扭曲、變形以致無(wú)法分辨。但顯示刷新頻率的設(shè)計(jì)則可完全獨(dú)立,只要高分辨率監(jiān)視器支持即可。

3 性能分析

　　高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備實(shí)現(xiàn)了如下功能:

　　(1)如實(shí)記錄監(jiān)視器顯示的所有信息;

　　(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)M記錄的內(nèi)容;

　　(3)自動(dòng)跟蹤輸入視頻分辨率及刷新頻率的變化,實(shí)現(xiàn)多分辨率、多刷新頻率視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤;

　　(4)在同一設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓縮、解壓縮處理,并采用硬件實(shí)現(xiàn);

　　(5)以數(shù)字方式記錄、存儲(chǔ),記錄內(nèi)容多次重放而無(wú)信息質(zhì)量的衰減損失;

　　(6)隨機(jī)快進(jìn)查找功能;

　　(7)在1280×1024分辨率下可實(shí)現(xiàn)15幀/秒的實(shí)時(shí)無(wú)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(yùn)動(dòng)信息平滑程度較好;

　　(8)10GB的硬盤(pán)可記錄約0.5～2小時(shí)的視頻信息。

　　高分辨率視頻數(shù)字記錄設(shè)備如實(shí)記錄了監(jiān)視器上顯示的所有內(nèi)容,包括操作員的實(shí)時(shí)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(duì)性的模擬訓(xùn)練;并可用于需要事后分析、評(píng)估場(chǎng)合的記錄,如空管、航管等,有廣泛的應(yīng)用前景。

?

參考文獻(xiàn)

1 TMS34020 User＇s Guide.TEXAS INSTRUMENTS Inc,1990

2 吳樂(lè)南.數(shù)據(jù)壓縮的原理與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,1995

3 (美)尚利(Shanley,T.)著,劉 暉譯.PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 北京:電子工業(yè)出版社,2000