張 輝 ，黃明輝 ，李洪佳 ，顧榮鑫

（1.91366部隊(duì)，天津 300042；2.中國船舶重工集團(tuán)公司七五O試驗(yàn)場，云南 昆明 650051；3.中國人民解放軍海司航保部，天津 300042）

一種雙路水下電視的關(guān)鍵技術(shù)

張 輝1，黃明輝2，李洪佳2，顧榮鑫3

（1.91366部隊(duì)，天津 300042；2.中國船舶重工集團(tuán)公司七五O試驗(yàn)場，云南 昆明 650051；3.中國人民解放軍海司航保部，天津 300042）

介紹了一種新型雙路水下電視的雙路視頻干擾排除、雙路視頻數(shù)字記錄、雙路音視頻錄制、雙路攝像機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)、雙路音視頻雙絞線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)燃夹g(shù)，為同類產(chǎn)品的研發(fā)和海洋工程中的水下作業(yè)提供技術(shù)借鑒。

海洋工程設(shè)備；水下作業(yè)；水下電視

水下電視在水下作業(yè)和海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年發(fā)展，水下電視不斷采用新技術(shù)，從最早的同軸線水下電視到雙絞線水下電視[1]；從鍵盤輸入英文字符疊加、硬盤數(shù)字錄像到漢字鍵盤輸入疊加；從普通水下電視到渾濁水下電視；從一般水下攝像機(jī)到陣列式水下攝像機(jī)、高速水下攝像機(jī)、云臺(tái)水下攝像機(jī)、大深度深海水下攝像機(jī)等，水下電視已經(jīng)歷了五代的發(fā)展，當(dāng)前已成為海洋工程和水下作業(yè)的必備裝備。

隨著技術(shù)進(jìn)步和國家海洋開發(fā)步伐的加快，海洋工程的規(guī)模不斷加大，水下作業(yè)的精度和難度也在不斷提高，對(duì)于水下電視的技術(shù)要求也提高到了更高的水平。為了適應(yīng)海軍、公安、水利、交通、海上石油等用戶的需要，我們?cè)诶^承傳統(tǒng)水下電視成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)水下電視的水下攝錄方式、音視頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸和記錄、雙路信號(hào)的處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和改進(jìn)，集合了多項(xiàng)專利和新技術(shù)，研發(fā)成功了新型雙路視頻水下電視。該型產(chǎn)品還可以根據(jù)不同的用戶需求，合理調(diào)整配置，能適應(yīng)各種使用環(huán)境下完成水下觀測任務(wù)。

雙路水下電視設(shè)計(jì)為雙通道同時(shí)工作，可供兩名潛水員同時(shí)協(xié)調(diào)作業(yè)，具備數(shù)字硬盤錄像，兩路電視及音頻同時(shí)單獨(dú)記錄、兩路潛水電話、兩路調(diào)光水下輔助照明、屏上中英文輸入等功能，將能大大提高水下作業(yè)的效率和安全性。該型水下電視采用新型數(shù)字硬盤記錄技術(shù)，并通過集成信號(hào)處理，對(duì)兩路視頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送、接收、放大、疊加中英文字幕處理，具備兩路潛水電話通訊，視頻信號(hào)與音頻信號(hào)最終以數(shù)字的形式記錄在硬盤中以供后處理。

1 系統(tǒng)功能及工作原理

1.1 系統(tǒng)功能及組成

系統(tǒng)功能如下：

（1）兩路水下攝像視頻信號(hào)處理；

（2）時(shí)間/日期、GPS信息字幕疊加。主機(jī)錄像及顯示時(shí)，可同時(shí)疊加顯示時(shí)間/日期、GPS位置信息，并可在視頻回放時(shí)同步回放顯示；

（3）屏上中英文字符輸入。主機(jī)具備通過鍵盤輸入中英文信息功能，并顯示在主屏幕上，隨錄像一同記錄，該功能實(shí)現(xiàn)常用漢字、大小寫英文字母、數(shù)字、常見符號(hào)、特殊符號(hào)的輸入識(shí)別，視頻疊加顯示；

（4）數(shù)字硬盤錄像/回放。該功能將模擬音視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字音視頻信號(hào)，并編碼壓縮打包成媒體文件，記錄存儲(chǔ)在硬盤上，媒體文件能通過主機(jī)本身或者通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放；

（5）兩路攝像機(jī)深度測量顯示。主機(jī)能同時(shí)獲取兩路水下攝像機(jī)的深度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在主屏幕上，隨視頻記錄在錄像中，記錄攝像機(jī)的實(shí)時(shí)工作深度；

（6）兩路潛水電話。兩名潛水員同時(shí)作業(yè)時(shí)，能提供主機(jī)與兩名潛水員的實(shí)時(shí)語音通訊，以及潛水員之間的語音通訊，兼容國內(nèi)及國外各型潛水頭盔；

（7）音/視頻輸出、音/視頻輸入。主機(jī)提供模擬音視頻輸出功能，可使用外部的視頻設(shè)備進(jìn)行顯示或錄像，同時(shí)外部的音視頻能輸入到主機(jī)，錄制到硬盤中；

（8）渾濁水下攝像。配置手持式水下攝像機(jī)具有渾水近距離觀測功能，配置清水箱專用水下攝像機(jī)具有能見度極低水下環(huán)境中進(jìn)行觀測的功能；

（9）LED水下輔助照明/燈光連續(xù)調(diào)整。水下攝像機(jī)的水下輔助照明全部使用大功率高亮度LED燈來完成，并具備連續(xù)調(diào)光功能。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

水面主機(jī)由數(shù)字硬盤錄像機(jī)、視頻信號(hào)處理電路、調(diào)光電路、潛水電話電路、電源、液晶顯示器、防水機(jī)箱等組成；水下攝像機(jī)由水密殼體、水密接插件、攝像機(jī)芯、信號(hào)采集電路、深度傳感器、電源、水下光源（含驅(qū)動(dòng)電路）組成；水下電纜由水面過渡纜、電滑環(huán)、纜車、水下電纜、水密接插件、水下連接器組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

雙頻水下電視的工作由水面主機(jī)、水下電纜、一臺(tái)或任意兩臺(tái)水下攝像機(jī)共同完成。水面主機(jī)通過水下電纜為水下攝像機(jī)/水下燈提供電源，水下攝像機(jī)將拍攝到的圖像經(jīng)過信號(hào)采集電路轉(zhuǎn)換成平衡共模差分視頻信號(hào)，并進(jìn)行放大增強(qiáng)，以適合長距離傳輸，經(jīng)過水下電纜傳輸?shù)剿嬷鳈C(jī)后，由視頻信號(hào)處理電路將平衡共模差分視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端視頻，并進(jìn)行信號(hào)放大補(bǔ)償，以消除信號(hào)經(jīng)長距離傳輸所引起的信號(hào)衰減，然后進(jìn)行視頻字符疊加處理，在兩路視頻信號(hào)上疊加上各自的深度數(shù)據(jù)，以及通過PC鍵盤輸入的字符，兩路視頻信號(hào)處理完后輸出至數(shù)字硬盤錄像機(jī)，錄像機(jī)同時(shí)對(duì)兩路視頻信號(hào)進(jìn)行采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換，編碼壓縮打包，存儲(chǔ)；水面主機(jī)視頻信號(hào)處理電路以RS485數(shù)字信號(hào)形式同時(shí)向兩臺(tái)水下攝像機(jī)發(fā)出深度請(qǐng)求命令或者攝像機(jī)控制命令，水下攝像機(jī)信號(hào)采集電路收到水面主機(jī)發(fā)出的命令后，分析識(shí)別命令類別，若是深度請(qǐng)求命令，則立即從深度傳感器采集深度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后以RS485數(shù)字信號(hào)形式通過水下電纜返回給水面主機(jī)，若是攝像機(jī)控制命令，則執(zhí)行主機(jī)對(duì)水下攝像機(jī)的聚焦、變倍、深度校正等命令；潛水電話電路根據(jù)用戶在水面主機(jī)面板的接線定義可實(shí)現(xiàn)兩路潛水電話的全雙工或者半雙工通信，當(dāng)全雙工工作時(shí)，兩名潛水員以及水面主機(jī)操作員之間都能實(shí)時(shí)無限制的語音通信，當(dāng)半雙工工作時(shí)，兩名潛水員的電話語音能實(shí)時(shí)地傳回水面主機(jī)，水面主機(jī)與潛水員通信時(shí)需要PTT按鍵控制，潛水員之間的電話通信需要水面主機(jī)操作員通過按鍵調(diào)控，不管是使用哪種工作方式，潛水電話獲得的音頻信號(hào)經(jīng)過處理后都會(huì)輸出給數(shù)字硬盤錄像機(jī)，并采集編碼合并入視頻信號(hào)一同記錄。

2 雙路水下電視的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)字硬盤水下錄像機(jī)[2]

在研制任務(wù)中，首要解決的問題是數(shù)字硬盤錄像機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字硬盤錄像機(jī)要求兩路音視頻輸入，輸出一路模擬音視頻，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字硬盤錄像。錄像系統(tǒng)由CPU內(nèi)核、視頻解碼芯片、視頻編碼芯片、SDRAM、HDD硬盤、音頻編解碼芯片、USB2.0控制芯片、串口收發(fā)器等組成，系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。錄像系統(tǒng)處理單路音視頻原理如圖5所示。

數(shù)字硬盤錄像機(jī)采用ARM9作為核心CPU，處理頻率高達(dá)400 MHz，以此構(gòu)建Linux處理系統(tǒng)，外圍搭載高速音視頻解碼、編碼芯片，支持FAT32格式的HDD管理系統(tǒng)；USB 2.0 Host接口允許移動(dòng)存儲(chǔ)，鍵盤，鼠標(biāo)等人體輸入設(shè)備的接入；系統(tǒng)錄像驅(qū)動(dòng)程序支持H264視頻壓縮，視頻最大分辨率為D1（720x576 PAL），支持 mp3音頻壓縮，音頻質(zhì)量為 16 kb/s；支持圖像亮度、對(duì)比度、飽和度、色度調(diào)整；支持大容量SD卡及熱插拔；支持軟件OSD字符疊加；文件格式支持第三方播放器，可將錄像文件轉(zhuǎn)移到其他PC上使用暴風(fēng)影音、VLC、Media Player等播放器播放；使用串口可連接云臺(tái)、GPS等外圍設(shè)備；系統(tǒng)使用圖形界面，方便管理、升級(jí)錄像機(jī)。

2.2 水下攝像機(jī)技術(shù)綜合解決方法

水下攝像機(jī)均采用數(shù)字化控制技術(shù)，水面主機(jī)與攝像機(jī)的通信都是以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行，故水下攝像機(jī)內(nèi)部加入數(shù)字MCU芯片來實(shí)現(xiàn)這一功能，引入MCU使得水下攝像機(jī)具備更多的功能，通過MCU的高級(jí)語言軟件編程，眾多技術(shù)難題迎刃而解，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：控制命令以及深度數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，以往的攝像機(jī)使用模擬信號(hào)傳輸，可靠性低，深度數(shù)據(jù)精確度差；在程序中采用通信校驗(yàn)技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸可靠，誤碼率低；系統(tǒng)引入RS485總線通信技術(shù)[3]，使得主機(jī)能同時(shí)控制多臺(tái)攝像機(jī)，總線采用多機(jī)通信，主從應(yīng)答通信，地址廣播通信機(jī)制，這些技術(shù)確保多設(shè)備之間通信可靠，總線無沖突；MCU在采集深度數(shù)據(jù)方面，采用了過采樣技術(shù)，軟件濾波技術(shù)以及軟件線性補(bǔ)償技術(shù)，使得深度數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，無跳躍，線性達(dá)到3‰深度測量精度要求，使得攝像機(jī)之間的深度個(gè)體差異減少到最低，深度測量的一致性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；MCU編程采用模塊優(yōu)化匯編設(shè)計(jì)，程序結(jié)構(gòu)合理，易于移植、擴(kuò)展，使用高級(jí)中斷管理系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)資源的消耗，以及能耗，使得MCU芯片充分發(fā)揮處理優(yōu)勢(shì)；攝像機(jī)整體進(jìn)行了線路優(yōu)化，電源接地連續(xù)性得到重視，信號(hào)地與電源地之間以及模擬地與數(shù)字地之間明確分開處理，攝像機(jī)殼體絕緣處理，杜絕殼體因電位差異產(chǎn)生的電解腐蝕，降低了數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)及電源三者之間的干擾，提高了信號(hào)質(zhì)量。

2.3 屏上中英文OSD實(shí)現(xiàn)方法[4]

操作者通過PC鍵盤輸入字符，主機(jī)MCU經(jīng)識(shí)別，獲得相應(yīng)的字符ASCII碼，若是處于英文輸入狀態(tài)，將所輸入的字符ASCII碼轉(zhuǎn)換成OSD顯示芯片的顯示碼，送至OSD芯片，從字庫中讀取相應(yīng)的字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，OSD芯片根據(jù)視頻信號(hào)的場同步信號(hào)及行同步信號(hào)，將字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)疊加到視頻信號(hào)的指定行及每一幀上；若處于漢字輸入狀態(tài)，則MCU在屏幕上疊加顯示出操作員輸入的拼音字符，當(dāng)拼音正確時(shí)，主機(jī)MCU程序?qū)?huì)判斷所輸入的拼音聲母以及韻母，得出該拼音所處在的拼音區(qū)域，算出拼音區(qū)位碼地址范圍，再根據(jù)區(qū)位碼地址算出對(duì)應(yīng)漢字的機(jī)內(nèi)碼范圍，根據(jù)機(jī)內(nèi)碼指引漢字庫中對(duì)應(yīng)的漢字地址，最終將字庫中對(duì)應(yīng)的漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)讀出，同步疊加顯示在屏幕上，形成拼音漢字選擇列表，漢字列表由數(shù)字序號(hào)標(biāo)注，操作者通過數(shù)字鍵選擇所需的漢字，最終將所選擇的漢字顯示在指定的位置；同時(shí)處于漢字輸入狀態(tài)時(shí)，主機(jī)MCU程序具有智能判斷輸入功能，當(dāng)操作者輸入數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、空格時(shí)，MCU程序自動(dòng)篩選過濾，將這些字符歸類為英文輸入字符。

2.4 大功率LED驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

LED燈采用直流降壓型驅(qū)動(dòng)方式[5]，驅(qū)動(dòng)電路由PWM大功率DC/DC控制芯片，大功率儲(chǔ)能元件等組成，PWM控制器提供高頻開關(guān)信號(hào)，控制大功率開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，當(dāng)開關(guān)元件接通時(shí)，電路對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電，控制器檢測到儲(chǔ)能元件充電達(dá)到飽和時(shí)，控制開關(guān)元件關(guān)閉，當(dāng)開關(guān)元件關(guān)閉，儲(chǔ)能元件對(duì)LED回路放電，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。同時(shí)PWM控制器實(shí)時(shí)檢測開關(guān)回路的電流信息，并根據(jù)反饋電流信號(hào)控制開關(guān)頻率及占空比，從而實(shí)現(xiàn)電路恒功率驅(qū)動(dòng)LED，使得LED的發(fā)光功率不隨電源輸入電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，滿足LED恒功率驅(qū)動(dòng)要求。

LED的調(diào)光是通過外部給PWM控制器輸入不同占空比的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制LED的點(diǎn)亮?xí)r間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制LED燈的總功率，而且實(shí)際上LED的瞬時(shí)功率是恒定的，這樣既滿足LED的恒功率驅(qū)動(dòng)要求，又可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

LED芯片散熱鋁基片緊貼安裝在水下燈筒體內(nèi)部，并使用高效導(dǎo)熱處理，使得LED的熱量迅速擴(kuò)散到筒體之外，LED保持正常溫度，有效保護(hù)LED。驅(qū)動(dòng)電路主要的發(fā)熱器件也采用同樣方法處理，因此整個(gè)水下燈的熱性能達(dá)到最佳，有效延長LED使用壽命。

3 結(jié)論

新型雙路水下電視系統(tǒng)采用硬盤錄像機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制、顯示、記錄、回放一體化，簡化了系統(tǒng)操作，減少了系統(tǒng)作業(yè)時(shí)設(shè)備的數(shù)量，縮減了系統(tǒng)及其單臺(tái)設(shè)備的體積。為水下攝像機(jī)增設(shè)液晶取景器，使得操作人員在水下拍攝更為方便。水下照明燈使用高亮度LED，提高了工作可靠性和使用壽命；實(shí)現(xiàn)了兩路水下電視功能，可滿足兩名潛水員同時(shí)協(xié)調(diào)作業(yè)，能提供實(shí)時(shí)作業(yè)錄像資料，大大提高了水下作業(yè)的效率和安全性。

[1]楊磊，李鋒，等.閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]徐誠，高瑩婷，等.Linux環(huán)境C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]范逸之.Visual Basic與分布式監(jiān)控系統(tǒng)——RS-232/485串行通信[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[4]戴佳.戴衛(wèi)恒.51單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]周志敏，周紀(jì)海，等.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

Key Technique of Double-circuit Underwater Video

ZHANG Hui1,HUANG Ming-hui2,LI Hong-jia2,GU Rong-xin3
(1.91366 Troops,Tianjin 300042,China;2.750 Test Site,CSIC,Kunming Yunnan 650051,China;3.The Navigation Guarntee Department of the Chinese Navy Headquarters,Tianjin 300042,China)

A new kind of double-circuit(DC)underwater video was introduced,whose key technique includes DC video-frequency(VF)disturbance removing,DC VF digital recording,DC camera console and data collection,audio and video remote transfer with double cable.The underwater video can support the other device’s research and give a reference for marine engineering equipments.

marine engineering equipment;underwater operation;underwater video

P715.5

B

1003-2029（2013）01-0036-04

2012-07-10

張輝（1971-），男,碩士，主要研究方向?yàn)楹Ｉ戏离U(xiǎn)救生。