高分辨率视频数字记录设备

摘要：介绍了高分辨率视频数字记录设备的设计与实现，给出了该设备的技术指标并分析了应用前景。 关键词：高分辨率视频 视频提取 数据压缩 视频回放 随着显示技术的发展，显示精度越来越高，高分辨率监视器应用在各个领域。伴随显示精度的提高，产生了高分辨率视频记录的需求。笔者研制的高分辨率视频数字记录设备是一个独立的、菜单控制的设备，它将高分辨率监视器上（１２８０%26;#215;１０２４并向下兼容）能观察到的所有信息（包括人工操作的痕迹）记录下来，存储在大容量载体上。该设备具备显示和信息回放功能，主要用于需要事后分析的场合，如空中管理、飞行、航海记录等；由于记录内容已为数字化信息，易于编辑整理，也可用于有针对性的模拟训练，使训练达到逼真的效果。该设备已经完成了相关试验并在某系统中得到应用。 本文介绍了高分辨率视频数字记录设备的系统结构和关键技术。 １ 系统结构 为保证系统的独立性和灵活性，笔者按照“黑匣子”的原则进行设计。就是说设备输入和输出均为标准的Ｒ、Ｇ、Ｂ视频信号，所有的信息处理（包括信息的存储）集中在设备内部进行。记录时设备的输入信号是拟记录视频源的Ｒ、Ｇ、Ｂ信号，在需要回放时只需将输出的视频信号接任一高分辨率监视器即可。这样，信息的记录、回放不必局限于某一特定的工作系统，也不再需要另外的信息处理设备。系统结构框图如图１所示。输入视频信号可以为三线制、四线制、五线制，记录设备可以自适应输入源。 输出视频信号可以通过编程设置为三线、四线、五线制。三线制设计的同步信号可以分别复合在Ｒ、Ｇ、Ｂ信号中。输出的Ｒ、Ｇ、Ｂ为标准的视频信号。 高分辨率视频数字记录设备由硬件和软件两部分组成。从图１可看出，硬件设计可分为：输入视频提取模块、数据压缩模块、数据记录模块、视频回放模块等几个部分。 ２ 硬件设计 ２．１输入视频提取 高分辨率视频数字记录设备采用了数字处理，这意味着第一步工作就是要把模拟的Ｒ、Ｇ、Ｂ视频量化为数字视频。现在高分辨率监视器常用的显示模式有：ＳＧＡ（８００%26;#215;６００）、ＸＧＡ（１０２４%26;#215;７６８）、ＳＸＧＡ（１２８０%26;#215;１０２４），显示刷新频率６０Ｈｚ～８５Ｈｚ，视频信号的点时钟频率４０ＭＨｚ～１５７．５ＭＨｚ。 为保证Ａ／Ｄ转换的精度，采用了锁相环技术，锁相环工作原理如图２所示。 锁相环是闭环反馈系统，通过参考分频器、反馈分频器、输出分频器的参数设置，可以在较低振荡频率输入的情况下，产生高达数百兆的输出频率，同时自动跟随输入参考频率相位的变化。 在此，以行同步为输入参考频率，设置相应的分频参数，得出与行同步信号相位相关的采样点时钟，并保证采样时钟实时、自动跟随输入行频的变化。何时为有效的视频数据也是视频提取时需要判断的问题。在输入视频的行、场同步的基础上，按照图３的设计原则，设计出与输入视频相对应的消隐信号，图３所示各参数的含义对照图４。由于行、场的设计原理上是一致的，所以图４中的Ｘ代表着Ｈ（行）或Ｖ（场）。 根据行、场同步设计出行、场消隐信号后，在消隐信号高电平期间为有效视频区。视频信号数字化后存储在视频存储区，但要保证视频的相关性。即同一帧视频的内容存储在连续存储区，不同帧的内容需要有帧间标志加以区别。 ２．２ 数据压缩 要实现高分辨率视频数字化记录，关键是要解决视频数据的压缩问题。其意义有两个方面：节省信息存储所需的空间；降低数据率、减小信息传输所需的带宽。 由于设计是针对高分辨率的视频信息，所以在选择压缩算法上必须考虑视频的失真度。对包含有文本信息的高分辨率视频，笔者曾试验过多种有损压缩算法，如ＭＰＥＧ２、小波变换等。这些算法对图像信息的处理比较好，压缩比大，视频回放时人眼可辨的失真度较小；但对字符等文本信息不适合，视频回放时失真度很大甚至无法分辨字符内容。鉴于此，选择了改进型的ＬＺＷ无损数据压缩方法，以较低的压缩比换取视频信息的高保真。表１是该压缩算法针对不同图例的压缩比。 由此可见，此无损压缩算法虽然针对色彩丰富、灰度变化范围较大的图像内容压缩比较低（如Ｉｍａｇｅ３），但针对高分辨率监视器上显示的大部分图形内容压缩比还是可以接受的并有实际意义。 在实际设备使用过程中，压缩比测试平均值达到２０：１。图3 消隐信号设计原则 图4 消隐信号参数定义２．３ 数据记录模块 经过压缩处理后的数据流经过ＰＣＩ总线传输给主机存储，在高速ＰＣＩ总线前设置了大容量的存储空间，作为数据缓冲区，实现两种数据总线的速度匹配，充分利用ＰＣＩ总线的带宽。 该数据存储空间分为上、下体结构，两个体交替工作。一个体由压缩芯片实时写入或读出数据时，主机通过ＰＣＩ总线从另一个体批量读出存储的内容。这样即保证了数据记录的实时性，又充分利用了总线的带宽。 要注意的是在数据写入和读出过程中，必须保证两个体内数据的完整性和连续性。写入的数据不能覆盖尚未读出的数据，读数据时同样必须判断是否为有效数据，否则在数据回放时，解压缩工作无法正确进行。基本原则是：上、下体的交替时刻利用压缩芯片写入或读出数据的地址与批量传输的地址进行比较，必须控制批量传输的地址小于压缩芯片写入或读出数据的地址。 ２．４ 视频回放模块 视频的回放是Ｘ、Ｙ、Ｔ的三维空间。也就是说，解压缩不能简单地被认为是数据恢复的过程，数据的（接上页） 恢复必须伴随着正确的显示时序。这包含了显示时序设计和解压缩设计两项技术。 解压缩的设计原则上是２．３和２．２节所述的逆过程，解压缩出来的数据为以帧为单位的视频数据，在显示时应按照正确的显示顺序和分辨率、刷新频率进行。 在视频回放时，没有任何外来的视频源，也就是说没有外来的行、场同步信号，需要自行产生。在２．１节的消隐生成图例中，包含了行、场同步的设计，通过主机接口，可以按照不同的分辨率和刷新频率灵活设置同步头的宽度和同步信号的周期，并在此基础上按照同样的原则生成行、场消隐信号。消隐信号的高电平为有效视频区，在有效视频区以点时钟频率进行数字视频的Ｄ／Ａ变换并在高分辨率监视器上显示（此处的数字视频为解压缩出来的数据）。 需要注意的是显示时序的设计原则。虽然此处显示时序是完全独立的设计，但考虑到视频显示的正确性，必须按照记录时视频的显示分辨率设计回放时的分辨率，否则分辨率的累积误差会导致回放视频的扭曲、变形以致无法分辨。但显示刷新频率的设计则可完全独立，只要高分辨率监视器支持即可。表1 改进的LZW无损数据压缩算法针对不同图像的压缩比３ 性能分析 高分辨率视频数字记录设备实现了如下功能： （１）如实记录监视器显示的所有信息； （２）实时监控拟记录的内容； （３）自动跟踪输入视频分辨率及刷新频率的变化，实现多分辨率、多刷新频率视频信号的实时跟踪； （４）在同一设备内实现压缩、解压缩处理，并采用硬件实现； （５）以数字方式记录、存储，记录内容多次重放而无信息质量的衰减损失； （６）随机快进查找功能； ７在１２８０%26;#215;１０２４分辨率下可实现１５帧／秒的实时无损记录及６０帧／秒的回放（分辨率向下兼容），数据处理速度较快，运动信息平滑程度较好； （８）１０ＧＢ的硬盘可记录约０．５～２小时的视频信息。 高分辨率视频数字记录设备如实记录了监视器上显示的所有内容，包括操作员的实时操作痕迹，可用于模拟训练系统，将记录的内容，根据需要加以编辑以满足有针对性的模拟训练；并可用于需要事后分析、评估场合的记录，如空管、航管等，有广泛的应用前景。