无人机载光电吊舱双路视频压缩存储系统设计与实现

无人机载光电吊舱双路视频压缩存储系统设计与实现魏志强;葛珊【摘要】提出了一种双路视频压缩与存储系统,在介绍系统总体方案基础上，重点叙述了视频图像解码、压缩以及软件功能该系统可将视频图像存储于本地硬盘,同时,压缩后的视频图像也便于通过无线链路设备实时传输到地面控制站.该系统在实际测试中得到了验证满足了实际需求【期刊名称】《机械与电子》【年(卷)，期】2019(037)006【总页数】3页(P32-34)【关键词】光电吊舱;视频压缩;视频存储;无人机【作者】魏志强;葛珊【作者单位】中国电子科技集团公司第三研究所，北京100015;中国电子科技集团公司第三研究所，北京100015【正文语种】中文【中图分类】TP2740引言随着电子、通讯、储能技术和计算技术的不断发展，各类无人机不断涌现并得到广泛应用，尤其在侦察、探测领域发挥着重要的作用［1-4］。集成有红外热像仪或可见光摄像机的光电吊舱是无人机的重要载荷，为探测与侦察系统提供重要的信息数据。同时，随着无线宽带通信技术、视频压缩技术的不断发展，无人机不仅可以将空中拍摄的视频信息进行本地存储便于事后分析，也可以将压缩后的视频图像实时传到地面控制站，便于操作手实时掌控飞行状态及侦察信息。在此，给出一种高效的可见光及红外双路视频图像压缩、存储系统，为地面人员对无人机实现实时远程遥控、防碰避障提供技术支撑。1系统构成及其工作原理双路视频压缩与存储系统的组成如图1所示。视频压缩及存储系统采用FPGA+SOC（华为海思Hi3531D）架构。可见光及红外双路视频信号通过专用解码芯片传输至FPGA，FPGA将2路视频进行格式转换，通过BT1120接口方式输送至Hi3531DSOC，Hi3531D可以根据需求进行OSD叠加，并按H264/H265协议压缩打包，一路存储于本地存储器，另一路通过PCIe扩展总线传输给FPGA，FPGA将接收到的数据以透明传输方式通过高速同步422接口或网口传输给无线数据链路设备，实时传输给地面显控站，地面站接收到压缩视频后按协议解码，恢复视频图像显示。通过异步422接口控制光电吊舱作相应运动。图1双路视频压缩与存储系统总体结构2硬件选型Hi3531D模块Hi3531D是华为海思推出的新一代多通道H264/H265视频编码SOC，内置ARM-CortexA9双核1.4GHz处理器、图像编解硬核、丰富的外设接口，最高支持8路1080P30编解码，支持CBR，VBR，AVBR等5种码率控制模式，主要接口包括：USB2.0/3.0，BT.656/BT1120输入口，BT1120输出口，千兆以太网口，4个UART接口，HDMI/VGA/CVBS输出接口，PCIe，SATA3.0等。FPGA选型根据系统需要，FPGA需完成双路视频数据解析、PCIe接口、同步422接口和数据交换等功能，需要RAM资源约30MB,逻辑单元约29500个，因此，选用Xilinx公司A7系列XC7A100TFPGA，该芯片有63400个逻辑单元、135MBRAM，具有300个I/O接口、1个PCIe接口，能够满足设计需求。3系统主要模块设计图像压缩存储系统主要完成可见光与红外视频采集、编码、存储、视频文件管理、实时传输和数据转存等功能。遵循模块化、标准化设计原则，保证系统的可靠性及维修性。3.1视频解码模块可见光摄像机输出视频为1080P@30Hz的HD-SDI格式，采用专用的SDI解码芯片(GV7601)完成视频解码，解码后的视频有效数据以20bit随同F，V，H同步信号以CMOS电平方式输出给FPGA。GV7601不仅实现对视频的亮度、对比度控制，还可提供定时参考信号错误检测和提取、非法代码字重映射、辅助数据包提取等功能。红外热像仪视输出PAL制视频数据，采用专用A/D芯片(ADV7180烷成视频模数转换，视频数据以8bit数据形式随同HS，VS，PIXCLK输出给FPGA[5-6]。FPGA对接收的视频数据进行解析和格式转换，通过BT1120方式传输给海思Hi3531DSOC处理器，FPGA与Hi3531D电路接口如图2所示。图2视频解码接口3.2视频压缩编码FPGA将1路SDI视频及1路红外视频转换为BT1120时序，输入给Hi3531D的VI模块，经过接口转化、色度重采样、FIFO缓存等，将处理后的图像数据输出给VPSS模块，VPSS模块对输入图像进行统一预处理，然后对各通道进行缩放、锐化等操作，最后输出设定分辨率的图像给VENC模块。VENC模块对图像数据进行H264编码以及码流控制，编码后的数据发送给FPGA实现无线传输。整个过程中各模块都由Hi3531D中硬件模块实现，只需通过软件编程进行调用及参数设置即能实现整个编码流程。视频压缩编码流程如图3所示。图3视频编码流程Hi3531D使用在线模式将VI数据流直接传输给VPSS模块，VPSS模块以行为单位，采用边采集边发送的方式将视频数据发送给VENC模块进行编码，即可减少VPSS模块处理完整帧图像再发给VENC模块过程中的数据延时。3.3高速同步422数据发送模块编码后的视频数据、飞机数据和载荷状态数据打包后通过高速同步422传输给无线数据链路，实现无线发送至地面控制站。在Hi3531D图像处理时，按照协议将视频数据、飞机数据和载荷状态数据添加帧头、帧尾，组成完整的视频数据流，存储于DDR内存中，FPGA通过PCIe接口读取其中的数据进行并串转换后，按照设定的码流发送时钟驱动输出。高速数据发送流程如图4所示。图4数据发送流程高速同步422发送模块按帧、字节、比特3个独立层级进行数据处理，主要由以下功能组成：处理器通信。同步422控制从设备模式通过PCIe映射到处理器内存控制，支持处理器直接进行数据帧的发送和接收控制。帧处理。发送端读出传输数据，添加帧头和帧尾，组成完整的帧。字节处理。根据协议，发送端在帧间添加相应的填充字节。BIT处理。发送端完成字节到BIT的并串转换，时钟和数据输出驱动。4软件功能设计Hi3531D为主控SOC处理器，完成视频编码、存储和通信管理等功能。FPGA实现视频与通信接口处理，完成视频与数据格式转换、与主控SOC对接等。Hi3531D软件功能架构如图5所示，实现的基本功能如下：视频编码。完成视频数据的编码（1路SDI+1路PAL视频），编码方式H264/265可配置，码率可配置。视频回放功能。支持1路视频回放，即读取记录的视频文件进行回放。OSD模块。将飞机姿态信息、载体吊舱信息等叠加到视频中一起编码，实现本地存储与传输。视频文件存储管理功能。能够将编码后的视频按照相应格式存放到电子磁盘中，并且可自动覆盖（盘满的情况下）。RS422接口控制指令解析。接受控制指令并解析，根据要求实现视频记录、视频回放、OSD叠加和打包数据同步传输等功能。BIT获取功能。定时周期上报存储系统状态信息，包括剩余记录时间、记录文件个数和存储系统状态等信息。软件基于Linux2.6.38SMP开发包，可靠性强，便于升级、扩展和维护。图5海思处理器软件功能架构5测试将本系统通过某型无人机载光电吊舱进行实际测试。无线链路设备基于C波段、4Mbit/s数据速率、同步422接口传输，视频以H264算法进行编码，码率1.92Mbit/s、压缩比120，本地固态硬盘存储容量128GB。系统既可以单路视频传输，也可以可见光及红外双路视频交叉同时传输，通过地面控制站接收视频进行解码显示。测试结果表明，视频画面清晰流畅，实时性好；本地双路视频存储时间大于6h，同时可将存储的视频图像导出，便于事后处理及分析，系统运行稳定可靠，完全满足实际需求。6结束语给出了一种基于Hi3531D+FPGA的双路视频压缩存储系统，详细介绍系统总体功能及各模块接口设计方法。系统压缩存储效率及集成度高、功能丰富、结构简单、易于实现。将本系统应用于某型无人机载光电吊舱的系统测试中，达到了预期的设计要求，具有一定的参考价值。参考文献：【相关文献】杨帅，程红，李婷，等.无人机图像侦察目标定位方法及精度分析[J].红外技术,2016,38(10):825-831.张明义，赵泉朴,吴中华.无人机机载光电平台侦察图像拼接技术[J].舰船电子工程,2016,36(12):113-115.吴蔚，朱晶，许莺，等.无人机编队协同探测目标跟踪算法[J].指挥信息