机载数字视频记录仪的设计与实现

摘要

VTR是安装在战斗机座舱中的一个机载设备，用于记录飞行过程中机载显示器画面和通话声音以供地面分析。VTR采用模拟记录方式，以磁带为记录介质，鉴于国内磁头相关机械结构抗震性设计生产的落后水平，该设备一直依赖于进口。随着电子和计算机技术的蓬勃发展，数字视频压缩技术不断进步，已经广泛应用于安防和交通等领域，其通用文件管理方式和越来越清晰的图像效果受到航空电子系统的青睐，国外已经大量采用DVR作为机载记录设备，因此国内机载DVR呼之欲出，DVR替代VTR作为航空电子系统的一个重要新成员已经成为战机战斗力提升的一项迫切需要。 本文根据某型飞机的实际需求，设计一个DVR产品，通过其它机载设备的控制能实现1路标清视频、3路XGA高清视频及1路音频的3小时记录。 本文主要包括系统分析和系统设计与实现两个部分，从视频压缩方案、视频压缩算法、视频采集、数据存储四个方面进行了详尽的系统分析，并在系统设计与实现中详细论述了系统结构、系统应用及视频回放等设计环节，各部分主要内容如下： 1) 针对视频压缩方案，本文列举了时下主流的两种实现方案，并对ASIC和DSP两种方案进行分析对比，虽然各有优缺点，但最终以高灵活性和可扩展性的主要优势选择了DSP方案，并详细地论述了DSP方案实施的相关技术信息。 2) 发展至今，图形及视频相关的压缩算法和标准都很多，本文描述了JPEG、MPEGx和H.26x等压缩标准，通过对比其技术特点和适用性，选择了最新且最有发展前景的H.264压缩标准，然后列举了H.264的技术先进性，并结合实际应用的航空机载视频特性进行了相关优化，尤其是XGA视频压缩作为当时国内少有的高分辨率压缩首次在航空领域应用。 3) 就视频采集方面，本文分别论述了标清视频和XGA视频的采集方案，详细论述了设计实现的相关具体技术。尤其是XGA视频采集在国内航空领域尚属首次，局限于当时此类视频采集应用有限，没有支持的解码芯片，开始只能采用先将XGA视频转换成标清视频再进行采集压缩，直到后来高分辨率解码芯片的出现，XGA视频采集才采用了直接处理方式。 4) 数据存储方面，本文从实际使用角度出发，根据使用特性，决定了存储器采用可插拔的卡式结构，并对码流进行分析和计算，结合当时可选择范围，确定存储容量和接口，最终选定16GB IDE接口电子盘作为存储部件。 5) 对于产品系统结构设计，本文从CPU选择、总线控制、数据传输和存储以及操作系统、文件系统等各方面进行了全方位综合论证，提出具体的系统结构实现方案，并对功能模块进行划分，详述实现方案。 6) 结合DVR在飞机上的实际使用情况，详细论述了了该方案在系统应用的具体设计环节的实施过程，特别是同步设计、文件管理和算法优化。 7) 视频回放是检验DVR记录功能和性能的最直观方式，也是DVR功能的延伸，本文结合多通道音视频同步回放的实际使用特性，采用双处理器工作站作为工作平台，配合功能丰富的视频播放软件，实现记录内容的回放。 本文的意义在于，不仅成功的实现了机载视频记录设备的国产化，也是国内首个能实现XGA视频高分辨率压缩记录的系统，整个设计流程，特别是XGA高分辨率视频的采集压缩方案及系统结构设计，对于视频处理据具有很好的参考价值和指导意义。