喬文長 田向陽

（91388部隊94分隊 湛江 524002）

1 引言

目前各類試驗的數(shù)據(jù)處理主要分為事后數(shù)據(jù)處理、實時數(shù)據(jù)處理和視頻圖像數(shù)據(jù)處理三大類。由于多種因素的影響，試驗中視頻圖像數(shù)據(jù)處理比較薄弱，視頻圖像數(shù)據(jù)處理、使用和管理仍處于原始階段，隨著實驗任務(wù)需求不斷增加，視頻圖像信息越來越多，作用越來越大，對視頻圖像信息的質(zhì)量要求越來越高。因此，結(jié)合試驗需求，通過對試驗視頻圖像數(shù)據(jù)處理可以有效提高試驗視頻圖像信息的可用度。

2 試驗視頻圖像信息現(xiàn)狀分析

2.1 試驗視頻圖像信息分類

雖然試驗視頻圖像信息很多，但是可以按照視頻圖像使用特性對試驗視頻圖像信息分類。

1）紅外光學電影經(jīng)緯儀。紅外光學電影經(jīng)緯儀錄取的試驗視頻圖像信息有兩種，一種為光學視頻圖像信息，另一種為紅外視頻。光學視頻圖像用于觀測被試品飛行初段的工作狀況，紅外視頻圖像用于實時定性分析被試品飛行狀態(tài)。并通過該設(shè)備提供的方位角和俯仰角計算被試品飛行初段的運行參數(shù)［1］。

2）水下微光設(shè)備。水下微光設(shè)備拍攝的為光學視頻圖像信息。主要用于觀測被試品發(fā)射平臺是否按照試驗程序正常開啟、關(guān)閉以及被試品出筒情況，便于指揮員按照試驗進程對試驗進行指揮。

3）圖像聲納。圖像聲納設(shè)備安裝在被試品發(fā)射平臺上，獲取水下視頻信息。在此基礎(chǔ)上計算被試品水中段運行參數(shù)。

4）攝像機。不同類型的攝像機分布設(shè)在被試品發(fā)射區(qū)域，拍攝的視頻信息主要用于觀測被試品飛行狀態(tài)，指揮員能更直觀掌握被試品出水以及初段飛行的實況。

2.2 影響試驗視頻圖像信息質(zhì)量因素分析

影響試驗視頻圖像信息質(zhì)量除了錄取設(shè)備傳感器自身質(zhì)量因素外，主要有以下幾點：

1）海上能見度。氣象對紅外光學電影經(jīng)緯儀和攝像設(shè)備的視頻圖像質(zhì)量影響很大。以往為了滿足圖像質(zhì)量需求，對海上能見度的要求≥15km。但試驗任務(wù)時往往達不到要求，由于能見度低，光學拍攝的視頻信息非常模糊，很難分辨出被試品飛行的狀況。

2）攝像平臺。由于海情、海況等因素影響，造成攝像平臺不穩(wěn)定，攝取的圖像發(fā)生扭曲變形，影響技術(shù)人員對被試品出水姿態(tài)的分析。

3）信息傳輸。視頻圖像信息通過微波長距離傳輸受環(huán)境條件的影響［2］，造成信號衰減并且在圖像中疊加了大量的噪聲，直接影響視頻圖像顯示效果。

3 視頻圖像信息處理系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)任務(wù)分析及處理思路

1）系統(tǒng)任務(wù)分析。被試品飛行試驗視頻圖像信息處理系統(tǒng)承擔的任務(wù)可歸納為，一是對各類視頻圖像信息進行增強、還原等處理，提高圖像視感質(zhì)量；二是對圖像壓縮處理［3］，便于存儲管理；三是將處理后的視頻圖像進行實時的連續(xù)顯示，提高顯示效果；四是對原始視頻圖像和處理后的視頻圖像進行分類存儲；五是提供視頻圖像信息查詢、增加、刪改等數(shù)據(jù)庫管理手段。

2）視頻圖像信息處理基本思路。根據(jù)任務(wù)需求可以確定視頻圖像處理的基本思路。首選選擇合適試驗視頻圖像處理方法，建立圖像實時處理數(shù)學模型，采用并行算法和可視化編程技術(shù)將已建立的數(shù)學模型研發(fā)為圖像實時處理軟件系統(tǒng)。利用圖像采集可將連續(xù)視頻圖像信息，分解為多幅單張圖片，由圖像實時處理軟件系統(tǒng)對每幅圖片自動進行實時處理，然后采用合成演示的方法，最后實現(xiàn)視頻圖像實時連續(xù)處理和顯示功能。采用大型數(shù)據(jù)庫對原始和處理后的視頻圖像信息進行存儲，提供查詢、增加、刪改等數(shù)據(jù)庫管理手段。

3.2 視頻圖像信息處理平臺建立基本原則

1）實用性。視頻圖像信息處理平臺主要功能分為兩大部分，一部分為視頻圖像處理，另一部分為視頻圖像存儲管理。視頻圖像處理對象要涵蓋實驗任務(wù)所有的視頻圖像信息，對不同的視頻圖像可以采用不同的處理方法，并提供相應(yīng)的操作菜單進行分類處理控制。視頻圖像存儲管理首選將圖像信息分類壓縮處理［4］，然后利用大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行管理，便于保密授權(quán)和搜索查詢等管理。

2）實時性。試驗視頻圖像信息處理后，需要在指控中心進行實時顯示。因此，信息的采樣、處理以及信息還原等環(huán)節(jié)設(shè)計要充分考慮其實時性，處理的模塊不能過于復(fù)雜，另外，視頻信息查詢時間也要有相應(yīng)的限制，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計要完成實時性指標。根據(jù)實驗需求，其技術(shù)指標：信息采集頻率：25Hz；圖像處理周期：40ms；圖像處理時延：≤ 2s；普通查詢時延：≤5s；組合查詢時延：≤50s。

3）擴展性。隨著試驗需求的不斷增加，視頻圖像信息將會越來越多，在系統(tǒng)時要充分考慮系統(tǒng)的可擴充性。依托試驗IP網(wǎng)絡(luò)，采用IP協(xié)議和分組交換技術(shù)［5］，建立適應(yīng)實驗任務(wù)的、視頻圖像處理需求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4）可靠性。視頻圖像處理系統(tǒng)的使命之一是進行視頻圖像實時處理與顯示，必須具備與指控中心其他設(shè)備相同的可靠性，才能不影響試驗任務(wù)的順利進行。因此，其平均故障間隔時間應(yīng)為MTBF≥1000h；平均故障修復(fù)時間應(yīng)為MTTR≤0.5h。

3.3 提高視頻圖像質(zhì)量的基本處理方法

針對被試品飛行試驗視頻圖像質(zhì)量不高影響試驗指揮決策等問題，需要對試驗視頻圖像進行綜合數(shù)據(jù)處理，即對視頻圖像進行圖像增強、復(fù)原、編碼、壓縮等處理。

1）圖像變換。在圖像處理過程中采用傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換［6］等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可以減少計算量，還可以獲得更有效的處理［7］。

2）圖像編碼壓縮。采用圖像壓縮國際標準的JPEG和MPEG對圖像進行壓縮處理。Windows為用戶設(shè)計兩種圖像壓縮方法，一種為16色圖像提供RLE4壓縮方法；一種為256色圖像提供RLE8的壓縮方法。

3）圖像增強和復(fù)原。為了改善圖像的視覺效果，提高圖像的清晰度以及使圖像變得有利于計算機計算處理，采用空間域方法和變換域方法對圖像進行增強處理［8］；再根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型”，采用濾波方法［9］，回復(fù)或重建原來的圖像。

4）圖像分割。雖然目前已經(jīng)研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法［10］，但是還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對不同的視頻圖像采取邊緣［11］、區(qū)域等綜合圖像分割方法，完成飛行器試驗中眾多種類的圖像處理。

5）圖像識別。圖像識別屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處理（增強、復(fù)原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，采用模糊模式識別或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式進行識別［12］。

4 視頻圖像信息系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的規(guī)?？筛鶕?jù)視頻處理的任務(wù)而定。一個基本的視頻圖像處理系統(tǒng)至少需要一臺視頻信息采集工作站，包含視頻采集卡，用于視頻圖像信息采集，一臺圖形工作站（3D圖像加速卡）用于視頻圖像處理，一臺網(wǎng)絡(luò)交換機用于連接內(nèi)外部設(shè)備和信息交換，一套信息存儲管理系統(tǒng)用于圖像信息存儲管理，以及部分專用圖像處理軟件和研制的圖像實時處理軟件系統(tǒng)等構(gòu)成。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1。

4.2 系統(tǒng)信息流程

系統(tǒng)信息流程是實現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能的基礎(chǔ)。信息流程的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)技戰(zhàn)指標能否實現(xiàn)。信息流程是根據(jù)系統(tǒng)承擔的任務(wù)，在保證系統(tǒng)實時性、可靠性需求的前提下設(shè)計的。因此，信息流程設(shè)計是系統(tǒng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)主要任務(wù)是實現(xiàn)視頻圖像實時處理和日常管理，其信息流程如下：

1）視頻圖像輸入端連接信息采集工作站的視頻采集卡，視頻采集卡按設(shè)定的采集頻率進行信息采集；

2）每幀圖像信息采集結(jié)束后，通過網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給圖像處理工作站和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器；

3）圖像處理工作站接收圖像信息后，對每幅圖像信息進行處理，累計圖像幅數(shù)；數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器接收到信息后進行分類壓縮處理，然后存儲到磁盤陣列中；

4）當圖像處理工作站累計圖像幅數(shù)達到預(yù)定值時，對所積累的圖像信息按先后順序分別向音視頻切換矩陣發(fā)送，通過選切進行實時顯示；與此同時圖像處理工作站通過網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器發(fā)送處理過的圖像信息，數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器接收到信息后，進行分類、壓縮處理后存儲到磁盤陣列中；

5）數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器可定期、定量地將存儲在磁盤陣列中的信息通過網(wǎng)絡(luò)備份到虛擬帶庫中。

5 結(jié)語

本文主要介紹了機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中試驗視頻圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過計算機網(wǎng)絡(luò)以及專用圖像處理軟件，對原始試驗視頻圖像進行去噪、增強、復(fù)原、分割提取特征等處理，用于提高圖像質(zhì)量。使指揮員能夠準確掌握參試艦船和被試品的運動態(tài)勢，幫助指揮員做出正確的決策。