張珺，朱秀峰

1.中國船舶工業(yè)集團公司船舶系統(tǒng)工程部，北京100036

2.中華女子學(xué)院山東分院，濟南276400

1 引言

空中交通管制系統(tǒng)是對多架飛機起降和航線進行管理，以保障飛行秩序和安全的系統(tǒng)。在進行管制活動時，一方面管制員要實時觀察雷達顯示屏，獲知航空器當前在地表的二維位置、高度、速度等信息，另一方面又要處理飛行情報數(shù)據(jù)，即起飛、延誤、降落等信息。這兩類信息都會實時反映在空管系統(tǒng)的顯示屏上，也會分門別類地存儲在服務(wù)器上。一般原始雷達數(shù)據(jù)記錄在雷達記錄儀上，而飛行情報數(shù)據(jù)則存儲在數(shù)據(jù)庫中。同時，管制員的操作，例如收發(fā)飛行情報等，都以日志的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。

在傳統(tǒng)的記錄方式中，雷達數(shù)據(jù)、飛行情報數(shù)據(jù)和管制員的操作都各自獨立的存儲，很難通過技術(shù)手段連續(xù)、完整地復(fù)現(xiàn)某一時刻的系統(tǒng)狀態(tài)；而系統(tǒng)的屏幕景象則比較連續(xù)完整地反映了雷達數(shù)據(jù)、飛行情報數(shù)據(jù)的顯示狀態(tài)和管制員的操作過程。因此，在空管系統(tǒng)中對屏幕景象進行連續(xù)記錄并在必要時進行回放，就成了對空中交通事故進行分析、定位以及審計管制質(zhì)量的重要手段。

2 空管系統(tǒng)屏幕景象特點及景象記錄系統(tǒng)的技術(shù)要求

記錄與回放系統(tǒng)本身不是空管系統(tǒng)的核心組成部分，但其作為輔助系統(tǒng)又是必不可少的，因此其設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)當既能夠滿足功能性能要求，又同時占有較少的系統(tǒng)資源。

首先，在時間上，能夠連續(xù)和真實地記錄屏幕景象。回放畫面清楚、流暢，地標、標牌等元素顯示清晰，不存在線面、字體、顏色等元素的失真和損失。在壓縮算法的選擇上，應(yīng)當考慮到回放效果的要求，即飛行數(shù)據(jù)的顯示無損失、無失真，應(yīng)該采用無損壓縮算法。

其次，在空間上，由于記錄系統(tǒng)24小時不間斷錄制和存儲屏幕景象，會給數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲造成很大的壓力。因此，在數(shù)據(jù)存儲前應(yīng)當進行適當?shù)膲嚎s，盡量減少數(shù)據(jù)存儲量。

再次，由于景象記錄與回放系統(tǒng)不是空管系統(tǒng)的核心部分，因此應(yīng)當以盡量小的系統(tǒng)資源代價實現(xiàn)該功能。高效壓縮算法的使用能提高壓縮效率，盡量減少對系統(tǒng)資源的占用。一般應(yīng)當保證對CPU占用率保持在20%以下，避免影響其他正常業(yè)務(wù)操作和顯示。

根據(jù)上述技術(shù)要求，可以得到景象記錄的基本工作流程如下：景象數(shù)據(jù)獲取——景象數(shù)據(jù)壓縮——景象數(shù)據(jù)存儲——景象數(shù)據(jù)回放。景象記錄方案的設(shè)計，就是基于這個流程，并結(jié)合這些技術(shù)要求來完成的。

3 景象記錄的總體設(shè)計方案

在總體設(shè)計上，采用常見的客戶端/服務(wù)器（Client/Server）構(gòu)架模式：服務(wù)器一般分為RDP（Radar Data Processing，雷達數(shù)據(jù)處理）和FDP（Flight Data Processing，飛行數(shù)據(jù)處理）兩個部分，并采用兩個獨立的服務(wù)器單元承擔(dān)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)；客戶端主要為雷達數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)操作界面。通信協(xié)議則用TCP/IP作為傳輸協(xié)議，并以磁帶庫作為記錄設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，數(shù)據(jù)獲取模塊負責(zé)進行原始景象數(shù)據(jù)的獲?。粩?shù)據(jù)壓縮模塊將原始景象數(shù)據(jù)進行壓縮；數(shù)據(jù)傳輸模塊負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)存儲模塊負責(zé)建立存儲結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)存儲在磁帶庫中；數(shù)據(jù)檢索模塊負責(zé)根據(jù)存儲結(jié)構(gòu)進行景象數(shù)據(jù)的快速檢索。

4 景象數(shù)據(jù)的獲取與壓縮的設(shè)計

屏幕景象的獲取一般都是采用拷屏的方式，本方案也不例外。而對于圖像壓縮算法，目前公認最好的是MPEG-4算法。但是該算法主要針對運動圖像進行壓縮，雖壓縮率高，但其分辨率最多只能做到704像素×576像素，不符合空管系統(tǒng)圖像“定格”的分辨率要求。為了達到這種要求，在進行幀內(nèi)壓縮前都要確立標桿幀。標桿幀的確立目前主要有完整幀和定時標桿幀兩種：完整幀方式是20世紀90年度初西方國家空管系統(tǒng)中普遍采用的方式，由于壓縮率低現(xiàn)在已很少使用；參考文獻[1]中所介紹的方法實際就是定時標桿幀的一種實現(xiàn)，該方法在無損的前提下大大提高了壓縮率。

本文的方案考慮在無損的前提下，比上述方法進一步大幅提高壓縮率。

4.1 景象數(shù)據(jù)的獲取

進行景象記錄與回放的第一步就是獲取景象數(shù)據(jù)，即屏幕原始圖像。由于其對可靠性和穩(wěn)定性方面的苛刻要求，空管系統(tǒng)一般都在UNIX系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)。而在該平臺上，缺少類似于事件驅(qū)動等高效地獲取屏幕景象的技術(shù)手段，因此，本方案采用以固定頻率“拷屏”的方式，通過共享內(nèi)存獲取原始的屏幕景象數(shù)據(jù)。為不丟失顯示細節(jié)，“拷屏”頻率應(yīng)當高于20 Hz。

4.2 景象數(shù)據(jù)的壓縮的基本設(shè)計

在獲取景象數(shù)據(jù)后，就要對其壓縮，以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并節(jié)省存儲空間。由于空管系統(tǒng)對景象記錄與回放系統(tǒng)中記錄的圖像質(zhì)量有較高的要求，因此在進行數(shù)據(jù)壓縮時要保證無損，還需要兼顧壓縮比和壓縮效率。

空管系統(tǒng)一般采用色彩變化較小的配色方案進行顯示，而且屏幕的景象不像運動圖像那樣短時內(nèi)發(fā)生大量的差異數(shù)據(jù)，因此圖像具有較大的冗余度，壓縮的空間較大。具體采用的壓縮方法如下：

（1）對屏幕進行均勻分割，分割成M×N個小方塊；

（2）定時確立標桿幀，生成差異幀；

（3）把數(shù)據(jù)進行幀內(nèi)壓縮；

（4）把壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器。

第（1）步和第（4）步比較簡單，第（2）步將在第4.3節(jié)中詳細介紹，第（3）步則將在第4.4節(jié)中詳細介紹。

4.3 標桿幀的設(shè)計

進行景象壓縮一般有完整幀方式和定時標桿幀兩種方式。完整幀方式，即直接記錄完整的幀數(shù)據(jù)[1]，然后進行幀內(nèi)壓縮。這樣，每一幀數(shù)據(jù)都是完整和獨立的，幀丟失不影響其他幀的回放效果；在回放時檢索速度快。其缺點是未考慮幀間共有數(shù)據(jù)的屬性和差異屬性并進行壓縮，傳輸和存儲數(shù)據(jù)量大。因此，這里采用定時標桿幀方式。

普通的定時標桿幀方式，即每隔固定時間確定標桿幀，在獲取當前景象的時候僅僅與標桿幀進行比較，記錄與標桿幀的差異。這種方式中，由于僅處理和傳輸與標桿幀的差異部分，其傳輸和存儲的數(shù)據(jù)量顯著減少。但如果標桿幀確立的時間較長，則會造成差異積累過大，增加了傳輸和存儲的數(shù)據(jù)量。在回放時，需要索引標桿幀并將標桿幀與當前幀之間所有的差異幀進行疊加。

為改進這種定時標桿幀方式，如圖2所示，用差異部分覆蓋標桿幀的相應(yīng)部分并形成新的標桿幀，這里稱之為動態(tài)標桿幀。與原來的定時標桿幀方式相比，改進后的新方式在確立標桿幀時增加了一些數(shù)據(jù)運算量，但極大地節(jié)約了差異幀的比較運算量，且標桿幀確立的時間長短不會造成差異過大，提高了數(shù)據(jù)處理效率，同時也保證了原來的降低處理和存儲的數(shù)據(jù)量這一優(yōu)點。

圖2 動態(tài)標桿幀方式

回到4.2節(jié)的第（2）步，當確立標桿幀后，為了獲取的每個其他它幀，對每個方塊進行隔行掃描（一般認為圖像變化應(yīng)該在一個像素以上，因此為了提高掃描速度，放棄逐行掃描的方法），當該方塊內(nèi)有與標桿幀不同的數(shù)據(jù)時，將該方塊特征標記為‘1’，終止對該方塊的掃描并繼續(xù)掃描下一方塊，直到掃描結(jié)束。然后，將特征為‘1’的方塊內(nèi)的數(shù)據(jù)覆蓋標桿幀中相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)，形成新的標桿幀。這樣就可以進行4.2節(jié)中的第（3）步和第（4）步，即將差異數(shù)據(jù)進行幀內(nèi)壓縮并傳送給服務(wù)器。

4.4 幀內(nèi)無損壓縮的算法設(shè)計

對于標桿幀和差異幀的幀內(nèi)壓縮，可以利用整數(shù)小波變換對圖像數(shù)據(jù)進行編碼壓縮。由于小波基數(shù)是浮點數(shù)，而整形的圖像數(shù)據(jù)進行浮點變換后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)變換就可能產(chǎn)生差值，不符合無損壓縮的要求。為此，需要采用整數(shù)小波變換的一種提升算法實現(xiàn)圖像壓縮。在算法設(shè)計時主要參考了文獻[2-5]的相關(guān)內(nèi)容。

所設(shè)計的提升算法過程分為三個步驟：

（1）分裂，將數(shù)據(jù)集用惰性小波分解成兩個集合a1、c1。

（2）預(yù)測，用a1預(yù)測c1，預(yù)測誤差形成新的c1，c1=c1-P(a1)。

（3）更新，更新過程要求Q(a1)=Q(a0)，Q為標量運算器。定義算子U，在U(c1)對a1更新后保持Q(a1)=Q(a0)成立，更新過程為a1=a1+U(c1)。

每一級提升的正變換過程為：

其反變換為：

采用的整數(shù)小波變換需要對增加一個取整偏移量，修改后其正變換過程為：

反變換為：

其中Int()為取整操作，0.5f為取整偏移量，高通濾波消失矩為4，重構(gòu)高通濾波消失矩為2。

4.5 景象數(shù)據(jù)的存儲和回放的設(shè)計

由于景象數(shù)據(jù)壓縮時采用了標桿幀方式，景象數(shù)據(jù)的存儲和回放也要做相應(yīng)的設(shè)計，以便能夠正確保存和回放按標桿幀方式壓縮后的景象數(shù)據(jù)。

服務(wù)器接收到的每個數(shù)據(jù)包中包含了如下數(shù)據(jù)：圖像數(shù)據(jù)長度、圖像數(shù)據(jù)、標桿幀標志、區(qū)域標志和時標信息。當某一幀數(shù)據(jù)中包含多個差異區(qū)域時，差異窗口數(shù)據(jù)分別傳輸和處理，但這些數(shù)據(jù)存儲在同一段連續(xù)的區(qū)域中。

由于景象記錄數(shù)據(jù)具有時間上的順序性，且標桿幀為定時采樣，因此不需要采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行存儲。這里采用二級索引樹結(jié)構(gòu)進行存儲，如圖3所示。

圖3 景象數(shù)據(jù)存儲

在存儲數(shù)據(jù)時，首先判斷幀數(shù)據(jù)類型，如果是標桿幀，則在索引表中建立新的索引并存儲該數(shù)據(jù)；如果是差異幀，則索引到最后標桿幀的地址，訪問差異幀索引、存儲數(shù)據(jù)并更新索引。

在數(shù)據(jù)回放時，必須索引到標桿幀，解壓縮形成標桿圖像數(shù)據(jù)，并依次疊加標桿幀至回放時戳中間所有的差異幀，以形成固定時刻的景象數(shù)據(jù)。在回放時，根據(jù)回放的倍速要求，刷新景象圖片的疊加速度。

存儲和回放數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備選用磁記錄技術(shù)。磁記錄技術(shù)是目前廣泛使用的一種備份設(shè)備，相對于可擦寫光盤和外接硬盤來說，成本低，容量大，可靠性高[6]。

5 方案驗證

為驗證性能，特別是驗證景象數(shù)據(jù)壓縮的設(shè)計效果，這里分別實現(xiàn)了三套方案，以便實驗對比。這三套方案在景象數(shù)據(jù)的獲取上基本一致，而在景象數(shù)據(jù)壓縮的處理具有如下不同之處：

方案一一種原有的采用完整幀方式壓縮處理的景象記錄方案。20世紀90年代初期西方國家空管系統(tǒng)中記錄與回放系統(tǒng)普遍采用該方法，現(xiàn)在很少使用。

方案二在設(shè)計時曾考慮過的采用原來的定時幀方式壓縮處理的景象記錄方案。目前航管系統(tǒng)普遍采用的方法。國內(nèi)主流的川大智勝管制中心系統(tǒng)即采用了這種方法，其實現(xiàn)見參考文獻[1]。

方案三本文最后采用改進后的動態(tài)幀方式，并采用小波變換算法進行壓縮處理的景象記錄方案。

在景象數(shù)據(jù)的存儲設(shè)計上，由于只涉及對服務(wù)器接收到的壓縮后的數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以認為不影響這里的方案性能對比實驗結(jié)果。

實驗中，客戶端計算機配置為CPU 1.70GHz，512MB內(nèi)存，屏幕分辨率為1 280×1 024，顏色質(zhì)量為16位，每秒記錄24幀。在以上條件下，最后得到的存儲時的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三套方案實驗數(shù)據(jù)對比表

從表1可以看出，方案一到方案三，雖然CPU平均占用率和內(nèi)存平均占用量有所增加，但是增加的幅度很小，對系統(tǒng)的影響可以說是微不足道的。評判景象記錄方案的最核心指標是磁帶庫平均記錄容量，因為它表示單位時間內(nèi)磁帶庫需要存儲的數(shù)據(jù)，該指標越小，說明磁帶庫需要記錄的景象數(shù)據(jù)越少，結(jié)合第2章的技術(shù)要求，就說明這個方案的性能更好。表1反映出方案二的磁帶庫平均記錄容量幾乎只占方案一的1/10，而方案三則只占方案二的大概1/3，甚至小于方案一的1/30?？紤]到方案三只比前兩個方案多耗費那一點系統(tǒng)資源，完全可以合理的證明：在節(jié)約存儲容量方面，方案三，也就是最終采用的方案，在節(jié)約存儲容量方面具有明顯優(yōu)勢。

在景象記錄回放時，由于三種方案在景象數(shù)據(jù)壓縮時都是無損的，在景象數(shù)據(jù)的獲取、存儲和回放的設(shè)計上基本一致，因此無明顯差別。這也可以看出，方案三在保證對數(shù)據(jù)的高度壓縮的同時，沒有造成景象數(shù)據(jù)的損失和失真，進一步體現(xiàn)了其良好的性能。

總結(jié)實驗驗證，可以清楚地得到結(jié)論：本文設(shè)計的景象記錄方案可滿足空管系統(tǒng)記錄與回放要求，并且相當節(jié)約存儲容量。

6 結(jié)束語

空管系統(tǒng)的屏幕景象配色比較單一，目標運動相對較緩慢，屏幕景象發(fā)生劇烈變化的概率較低，數(shù)據(jù)存在較大冗余度，為高效、高速壓縮提供了條件。本文綜合考慮景象記錄系統(tǒng)的時間空間特性及壓縮效率等方面的要求；基于小波變換在圖像處理方面的優(yōu)異特性，采用小波提升算法進行圖像的快速無損壓縮；在以上分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合空管系統(tǒng)景象數(shù)據(jù)的特點，提出了一套景象記錄系統(tǒng)的設(shè)計方案。實驗驗證了該方案的可行性和優(yōu)越性。

[1]張五二.記錄回放在空管系統(tǒng)中的一種實現(xiàn)[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2005，16（3）：47-49.

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[4]李天偉.基于整數(shù)小波變換的雷達圖像快速無損壓縮算法[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（5）：152-154.

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[6]周祿華.空管系統(tǒng)中網(wǎng)上數(shù)據(jù)記錄技術(shù)的實現(xiàn)[J].空中交通管理，2009（10）：13-15.