高分辨率視頻數字記錄設備

摘要：介紹了高分辨率視頻數字記錄設備的設計與實現，給出了該設備的技術指標并分析了應用前景。 關鍵詞：高分辨率視頻 視頻提取 數據壓縮 視頻回放 隨著顯示技術的發展，顯示精度越來越高，高分辨率監視器應用在各個領域。伴隨顯示精度的提高，產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字記錄設備是一個獨立的、菜單控制的設備，它將高分辨率監視器上（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；由于記錄內容已為數字化信息，易于編輯整理，也可用于有針對性的模擬訓練，使訓練達到逼真的效果。該設備已經完成了相關試驗并在某系統中得到應用。 本文介紹了高分辨率視頻數字記錄設備的系統結構和關鍵技術。 １ 系統結構 為保證系統的獨立性和靈活性，筆者按照“黑匣子”的原則進行設計。就是說設備輸入和輸出均為標準的Ｒ、Ｇ、Ｂ視頻信號，所有的信息處理（包括信息的存儲）集中在設備內部進行。記錄時設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，也不再需要另外的信息處理設備。系統結構框圖如圖１所示。輸入視頻信號可以為三線制、四線制、五線制，記錄設備可以自適應輸入源。 輸出視頻信號可以通過編程設置為三線、四線、五線制。三線制設計的同步信號可以分別復合在Ｒ、Ｇ、Ｂ信號中。輸出的Ｒ、Ｇ、Ｂ為標準的視頻信號。 高分辨率視頻數字記錄設備由硬件和軟件兩部分組成。從圖１可看出，硬件設計可分為：輸入視頻提取模塊、數據壓縮模塊、數據記錄模塊、視頻回放模塊等幾個部分。 ２ 硬件設計 ２．１輸入視頻提取 高分辨率視頻數字記錄設備采用了數字處理，這意味著第一步工作就是要把模擬的Ｒ、Ｇ、Ｂ視頻量化為數字視頻。現在高分辨率監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轉換的精度，采用了鎖相環技術，鎖相環工作原理如圖２所示。 鎖相環是閉環反饋系統，通過參考分頻器、反饋分頻器、輸出分頻器的參數設置，可以在較低振蕩頻率輸入的情況下，產生高達數百兆的輸出頻率，同時自動跟隨輸入參考頻率相位的變化。 在此，以行同步為輸入參考頻率，設置相應的分頻參數，得出與行同步信號相位相關的采樣點時鐘，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據也是視頻提取時需要判斷的問題。在輸入視頻的行、場同步的基礎上，按照圖３的設計原則，設計出與輸入視頻相對應的消隱信號，圖３所示各參數的含義對照圖４。由于行、場的設計原理上是一致的，所以圖４中的Ｘ代表著Ｈ（行）或Ｖ（場）。 根據行、場同步設計出行、場消隱信號后，在消隱信號高電平期間為有效視頻區。視頻信號數字化后存儲在視頻存儲區，但要保證視頻的相關性。即同一幀視頻的內容存儲在連續存儲區，不同幀的內容需要有幀間標志加以區別。 ２．２ 數據壓縮 要實現高分辨率視頻數字化記錄，關鍵是要解決視頻數據的壓縮問題。其意義有兩個方面：節省信息存儲所需的空間；降低數據率、減小信息傳輸所需的帶寬。 由于設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小；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容。鑒于此，選擇了改進型的ＬＺＷ無損數據壓縮方法，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容壓縮比較低（如Ｉｍａｇｅ３），但針對高分辨率監視器上顯示的大部分圖形內容壓縮比還是可以接受的并有實際意義。 在實際設備使用過程中，壓縮比測試平均值達到２０：１。圖3 消隱信號設計原則 圖4 消隱信號參數定義２．３ 數據記錄模塊 經過壓縮處理后的數據流經過ＰＣＩ總線傳輸給主機存儲，在高速ＰＣＩ總線前設置了大容量的存儲空間，作為數據緩沖區，實現兩種數據總線的速度匹配，充分利用ＰＣＩ總線的帶寬。 該數據存儲空間分為上、下體結構，兩個體交替工作。一個體由壓縮芯片實時寫入或讀出數據時，主機通過ＰＣＩ總線從另一個體批量讀出存儲的內容。這樣即保證了數據記錄的實時性，又充分利用了總線的帶寬。 要注意的是在數據寫入和讀出過程中，必須保證兩個體內數據的完整性和連續性。寫入的數據不能覆蓋尚未讀出的數據，讀數據時同樣必須判斷是否為有效數據，否則在數據回放時，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據的地址與批量傳輸的地址進行比較，必須控制批量傳輸的地址小于壓縮芯片寫入或讀出數據的地址。 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為是數據恢復的過程，數據的（接上頁） 恢復必須伴隨著正確的顯示時序。這包含了顯示時序設計和解壓縮設計兩項技術。 解壓縮的設計原則上是２．３和２．２節所述的逆過程，解壓縮出來的數據為以幀為單位的視頻數據，在顯示時應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，需要自行產生。在２．１節的消隱生成圖例中，包含了行、場同步的設計，通過主機接口，可以按照不同的分辨率和刷新頻率靈活設置同步頭的寬度和同步信號的周期，并在此基礎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，在有效視頻區以點時鐘頻率進行數字視頻的Ｄ／Ａ變換并在高分辨率監視器上顯示（此處的數字視頻為解壓縮出來的數據）。 需要注意的是顯示時序的設計原則。雖然此處顯示時序是完全獨立的設計，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計回放時的分辨率，否則分辨率的累積誤差會導致回放視頻的扭曲、變形以致無法分辨。但顯示刷新頻率的設計則可完全獨立，只要高分辨率監視器支持即可。表1 改進的LZW無損數據壓縮算法針對不同圖像的壓縮比３ 性能分析 高分辨率視頻數字記錄設備實現了如下功能： （１）如實記錄監視器顯示的所有信息； （２）實時監控擬記錄的內容； （３）自動跟蹤輸入視頻分辨率及刷新頻率的變化，實現多分辨率、多刷新頻率視頻信號的實時跟蹤； （４）在同一設備內實現壓縮、解壓縮處理，并采用硬件實現； （５）以數字方式記錄、存儲，記錄內容多次重放而無信息質量的衰減損失； （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），數據處理速度較快，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。 高分辨率視頻數字記錄設備如實記錄了監視器上顯示的所有內容，包括操作員的實時操作痕跡，可用于模擬訓練系統，將記錄的內容，根據需要加以編輯以滿足有針對性的模擬訓練；并可用于需要事后分析、評估場合的記錄，如空管、航管等，有廣泛的應用前景。