机载视频记录设计

机载视频记录系统主要用于记录飞行员在训练和作战过程中座舱内的综显、平显、下显、雷达及前视红外传感器等视频信息,以及飞行员耳机音频信息及事件标记。飞行结束后可在地面进行同步重放,从而快速、直观、真实地再现飞行过程中座舱外视景和座舱内的显示器画面,为及时评估飞行员的操纵技术、作战效果以及对意外事故进行调查分析提供依据。视频记录系统在作战飞机上装备使用对作战效果分析研判和训练任务完成情况评定等方面都起到十分重要的作用,对提高飞行员的训练质量和作战技术水平极为有利。因此,它已成为现代作战飞机上的重要设备之一。

1.国外机载视频记录设备的现状及发展
国外早在80年代就已开始在先进的战斗机上装载使用机载视频记录系统。就目前国外装备发展情况来看,其发展特点主要向全数字化、高分辨率等方向发展。下面以2个有代表性的国外机载视频记录系统的产品为例加以说明。
ICS-8580美国Ge公司,其特点:
  • 视频输入支持:HDMI(DVI)、HD-SDI、HDTV、CVBS,最高分辨率支持到1920x1080p/30fps
  • 压缩算法:ITU-T H.264
VS1410/1500/2200:法国Enertec,其特点:
  • 同步记录4路:VESA(1280x1024),SMPTE-292(HD-SDI),PAL/NTSC
  • 视频同步精度不低于500ms
  • 压缩算法:MPEG2/4
  • 飞行过程中记录同时可以回放
  • 符合DO-160、MIL-STD-461/704/810
  • 可配置以适应不同的需求。
从这两个产品中我们可以看出,机载视频记录系统的最新发展:
  • 开放式的设计。统一的电气、机械接口设计,便于产品的选用、替换、维护、升级。也使产品可应用于多种机型。
  • 更高的分辨率:从标清信号(720x576的PAL/NTSC制的视频)支持到1920x1080高清视频
  • 高清数字视频输入,除了标清外,大都是数字视频的输入,如HDMI(DVI)、HD-SDI等
  • 压缩算法标准化,大都是基于MPEG2/MPEG4/H.264等视频压缩标准。
  • 更加关注多路视频的同步性。对于视频的记录和回放,除了关注清晰度外,还强调了回放时的各通道视频同步性。

2.机载视频记录系统的设计考虑

2.1 开放性设计
开放式设计的本质,就是通用化、标准化、系列化。定义一个确定的、统一的电气接口和机械结构参数,会带来如下好处:(1)作为机载航电系统总体设计者,便于在不同生产厂家的产品中做优化选择,也便于产品的替换、维护和升级,有利于技术的进步。(2)作为产品生产者,便于产品的升级维护。
从机载视频记录设备本身的特性来看,也完全满足开放性设计的要求:因为视频记录设备的输入很单纯就是来自机载各种摄像机和显示器的视频信号输入 ,记录设备接收这些视频进行压缩存储。主机航电总体设计者 ,需要定义好(1)视频记录设备的输入信号数量、分辨率、视频传输接口等属性;(2)尺寸、安装、重量等机械特性;(3)其他功能,如记录时间长度、环境要求等。由此我们看出视频记录设备本质上就具有独立性。而视频记录设备作为现代战机的重要设备,理应有其作为独立完整设备的地位。

2.2 视频记录质量的考虑
视频记录质量是视频记录设备的关键性能之一。影响记录视频质量的两大关键因素是:
  • 输入视频的性质:是通过数字方式还是通过模拟方式。
  • 压缩算法
(1)输入视频的性质对记录图像的影响分析
采用模拟RGB信号来传输视频,几乎没有任何好处,相反会带来严重后果:
  • 模拟视频容易受到电磁干扰,飞机上电磁干扰非常严重,受到干扰的图像,会出现条纹干扰和噪声等,这些噪声不仅使得图像质量本身下降,而且会严重影响压缩,使得码流急剧升高,为了降低码流和维持码流恒定,必然需要增加压缩比,这样进一步使得压缩后的图像质量恶化。
  • 模拟视频在数字化过程中,也会带来图像质量的损失。尤其机载视频大都是文字 、线条等 ,甚至是单像素的点、线,比如雷达图像 。在数字化过程中 ,采样位置的偏差 ,导致单像素的线条和文字会严重信息丢失 ,出现看不清、模糊 、丢失信息等现象 。根本就没有办法弥补 。因为这不是压缩算法的问题 ,而是在模拟到数字转换过程中就丢失了,而且这是必然的本质存在的缺陷。
  • 记录的视频源都是来自显示器,显示器本身使用的图像都是数字的,为了提供模拟视频给视频记录设备,显示器要增加数字到模拟的转换电路,这个数模转换,也会使信息出现损失。
  • 高频模拟视频信号在传输线上传输,也会出现高频衰减损失。影响图像质量。
所以我们说使用模拟RGB视频,会极大影响视频记录的质量。而采用数字视频记录,会本质上克服了模拟视频传输的缺点和危害:
  • 显示器本身就是数字图像,因而直接的数字输出,减化了显示器电路的设计,同时不存在数模转换的带来的图像质量的损失。
  • 数字传输不存在传输过程中引入的干扰和衰减。
  • 在记录设备上直接使用数字信号,不需要模数转换电路,简化了电路,降低了功耗和体积重量。图像质量不会有任何损失。
通过上面分析,我们实在找不到模拟传输的任何好处。从国外视频记录设备的现状来看,无不使用HDMI、DVI、HD-SDI等数字图像传输方式。只有在老的机型改造中才有可能出现模拟RGB信号的传输 , 其实我们的家用电视信号都已经普遍实现了数字传输方式了。

(2)压缩算法对图像质量的影响分析
在显示器上的每个像素是由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三个分量来表示的,每个象素的RGB三个分量表示出一个像素的亮度和颜色,我们出称之为RGB444格式的图像表示方法。为了压缩方便,我们通过一种转换公式,将RGB三个分量转换为亮度(Y)、色度U分量、色度V分量来表示像素的亮度和颜色,这就是YUV444。因为对于自然景物的图像 , 色度UV分量所占带宽比较少,所以我们使用YUV420格式,也即每个像素都有一个亮度度分量Y ,但是相邻的4个像素合用一个UV分量,相当于把颜色分辨率在水平和垂直方向上都降低了1半,这就是是YUV420格式,如下图:
图1 RGB444格式  图2 YUV420
这种减少色度分量分辨率的方式对自然景物的图像是没有什么问题的,但是对于显示器的图像就会出现问题 ,显示器显示的大量是字符、线条等图形(注意是图形 ,而非图像),甚至是单像素的字符和线条,此时如果把颜色空间的分辨率降低一般,必然会导致单像素的字符和线条颜色出现丢失和失真!而民用的视频记录往往都是自然图像,所以使用YUV420格式丢失一部分颜色信息,这在视觉上不会带来任何损失。
下面以两个实际的结果说明RGB444转换为YUV420之后进行录像的结果
图3 RGB444的原始图像 图4 YUV420格式的图像
注意比较图3和图4中的“状态行”三个字,在原始RGB444格式下,是白色的,但是在YUV420格式下,却看出包含有红色的视觉感觉。
再看下面的图5和图6,情况更为糟糕:
图5 原始RGB444
图6 YUV420记录后回放的图像
在图6中我们基本上看不清绿色的字了,这是因为在这个图像中,字与背景的亮度相当,而区分字与背景是靠颜色,由于使用YUV420,所以导致颜色分辨率在水平和垂直方向上均降低了一半,所以对于这种单线条的字,根本就没法记录清楚。
所以:
  • 机载视频,记录的是图形,必须使用RGB444格式,才不会单线条的图形出现颜色丢失和损失。
  • 民用视频,记录的自然场景的图像,可以使用YUV420格式,这不会带来视觉上颜色损失。
所以机载视频记录的压缩算法,应该有别于民用的自然视频记录时所用的算法,采用RGB444格式。

(3)多路视频记录的同步问题
机载视频记录记录的机载显示器显示的内容,显示器上会显示飞机上大量参数、状态、、事件、图形、地图和视频等信息,地面回放的时候,必须要把记录多路视频同步地显示出来。为了便于地面的同步回放,我们在记录时必须为这种同步回放提供支持。主要措施:以一个标准的统一的同步时钟,给各路视频流打上毫秒级的时间戳。

3.机载视频记录系统的设计

(1)设计理念:
  • 全数字信号输入:5路DVI XGA(1024x768)信号输入。
  • 基于ITU H.264算法,使用RGB444颜色方式。统一的时钟基准,ms级的时间戳。
  • 高度集成,减少体积重量和功耗

(2)硬件结构:

  • 整个系统仅包含DSP核心模块、视频转换模块、电源模块
  • DSP使用TMS320DM8168

(3)主要技术指标:

  • 重量:
  • 体积:
  • 功耗:
  • 存储容量:(可以满足不小于5小时音视频记录,并提供不小于5GByte 网络存储空间)
  • 视频质量:(清晰可辨、色彩不失真)

4.特点及优势

(1)开放式设计
采用通用化、标准化、系列化的开放式设计,为系统总体设计者提供丰富而快捷的系统配置方案选择;记录仪提供多路数字视频、音频和网络存储服务,可以充分满足机载数据记录的各种要求;有利于成熟技术的继承和发展,提高系统的稳定性、可靠性。
(2)全数字信号输入
采用5路DVI XGA(1024x768)全数字信号输入 ,使用RGB444颜色方式直接进行压缩存储,优势明显:a)提高抗干扰能力;b)消除模数/数模转换的冗余设计,避免由此引起的图像模糊;c)消除由于色彩空间格式转换带来的图像损失;。
(3)集成度
视频压缩采用Ti高性能DSP TMS320DM8168,完成2路XGA信号的压缩、存储和网络,内置SATA、PCI/PCIe、Ethernet等接口,减少外部器件设计,可以有效:(a)减小体积;(b)减少功耗;(c)提高可靠性。