高分辨率視頻數(shù)字紀(jì)錄設(shè)備

武漢數(shù)字工程研究所產(chǎn)品研發(fā)部（430074） 王 珩

隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，顯示越來越高，高分辨率監(jiān)視器應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。伴隨顯示的提高，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，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)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)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，這意味著步工作就是要把模擬的Ｒ、Ｇ、Ｂ視頻量化為數(shù)字視頻。現(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，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，壓縮比大，視頻回放時(shí)人眼可辨的失真度較??；但對(duì)字符等文本信息不適合，視頻回放時(shí)失真度很大甚至無法分辨字符內(nèi)容。鑒于此，選擇了改進(jìn)型的ＬＺＷ無損數(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，此無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)過壓縮處理后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過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)寫入或讀出數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)通過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)寫入和讀出過程中，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，解壓縮不能簡(jiǎn)單地被認(rèn)為是數(shù)據(jù)恢復(fù)的過程，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)所述的逆過程，解壓縮出來的數(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)，沒有任何外來的視頻源，也就是說沒有外來的行、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。