陳永祿， 張 莉， 張 佳

（1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089；2.西安遠(yuǎn)方航空技術(shù)發(fā)展總公司 陜西 西安 710089；3.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 陜西 西安 710072）

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)是由部署在多維空間的光、電子裝備和信息網(wǎng)絡(luò)組成的巨大系統(tǒng)，其中情報(bào)分系統(tǒng)是主要骨干之一。軍事偵察是為獲取軍事斗爭(zhēng)所需敵方或有關(guān)戰(zhàn)區(qū)的情況而采取的措施。它是實(shí)施正確指揮，取得作戰(zhàn)勝利的重要保障。

航空偵察是軍隊(duì)為獲取敵情、地形和有關(guān)作戰(zhàn)情報(bào)而采取的行動(dòng)，是實(shí)施正確指揮的前提，是取得作戰(zhàn)勝利的重要保證。航空偵察是“發(fā)現(xiàn)-定位-瞄準(zhǔn)-攻擊-評(píng)估”殺傷鏈的重要組成部分，它既是從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到打擊效果評(píng)估諸多環(huán)節(jié)不可或缺的部分，而且實(shí)現(xiàn)了信息獲取系統(tǒng)和空中打擊系統(tǒng)的信息近實(shí)時(shí)傳輸，因此有人稱(chēng)它為戰(zhàn)場(chǎng)力量的倍增器。在不同的歷史條件下，盡管獲取情報(bào)的技術(shù)手段不斷發(fā)展變化，但是航空偵察在軍事上的重要地位從未削弱。由于航空偵察具有時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、偵察范圍寬廣深遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)靈活、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，既可克服地面?zhèn)刹焓艿厍蚯屎偷匦握系K物對(duì)視線的限制和較強(qiáng)的危險(xiǎn)性，又可彌補(bǔ)衛(wèi)星偵察的細(xì)節(jié)和時(shí)效不足[1]，所以目前它仍是獲取戰(zhàn)術(shù)情報(bào)的基本和有效手段。

偵察設(shè)備通常擁有多種類(lèi)型的傳感器，目前航空成像傳感器常用的有可見(jiàn)光傳感器和紅外傳感器，二者工作的波段范圍不同?？梢?jiàn)光傳感器成像系統(tǒng)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且分辨率較高、對(duì)地面目標(biāo)的邊緣紋理等細(xì)節(jié)信息比較清晰，抗干擾能力較強(qiáng)，但容易受到天氣等自然條件的影響；紅外傳感器成像系統(tǒng)具有可穿透煙霧，主體目標(biāo)比較清晰，能晝夜工作等特點(diǎn)[2]，因此，通常根據(jù)使用場(chǎng)合的不同選用不同傳感器類(lèi)型。

由于航空偵察設(shè)備通常需要將偵察信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離傳輸，在傳輸?shù)倪^(guò)程中易受干擾，出現(xiàn)丟幀、誤碼等現(xiàn)象，因此傳輸數(shù)據(jù)的完整性與可靠性是衡量偵察信息的重要指標(biāo)。針對(duì)航空偵察設(shè)備的以上特點(diǎn)，本文結(jié)合成像傳感器的類(lèi)型設(shè)計(jì)了一種多路圖像采集的偵察設(shè)備，其中一路作為主通道傳輸圖像，另一路作為備份通道。當(dāng)主通道圖像質(zhì)量不佳時(shí)，可實(shí)時(shí)切換到備份通道，從而確保了圖像采集的連續(xù)性與完整性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

航空偵察設(shè)備在空中對(duì)目標(biāo)偵察的過(guò)程中，利用可見(jiàn)光相機(jī)（CCD相機(jī)）或紅外相機(jī)進(jìn)行拍攝，獲得原始圖像。由于原始圖像體積較大，為了便于傳輸需對(duì)原始圖像壓縮，然后通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)傳輸至地面站。地面站接收到偵察設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位對(duì)齊，將圖像解壓還原。解壓后的圖像顯示到監(jiān)控顯示器界面上，同時(shí)根據(jù)不同的接收時(shí)間保存至地面處理計(jì)算機(jī)硬盤(pán)內(nèi)指定的文件夾。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

1.2 數(shù)據(jù)的傳輸

航空偵察設(shè)備在獲得信息情報(bào)后，必須做好信息的安全傳輸。隨著傳感器、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)達(dá)，現(xiàn)在的航空偵察已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近實(shí)時(shí)性[3]，這對(duì)航空偵察移動(dòng)目標(biāo)很有效。利用數(shù)字信號(hào)處理等方式進(jìn)行影像增強(qiáng)和數(shù)據(jù)壓縮相機(jī)的輸出可以近實(shí)時(shí)地直接從空中傳送給地面。

由于航空偵察設(shè)備需要通過(guò)無(wú)線鏈路將信息情報(bào)傳送到地面，而無(wú)線鏈路傳輸過(guò)程中信息容易受到干擾，因此需要信息中加入相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制。以固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)作為一幀，在每幀數(shù)據(jù)的頭部與尾部分別加上標(biāo)志位，地面站在接收數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志位保存數(shù)據(jù)，可以最大限度的保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性與完整性[4]。幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame data structure

1.3 圖像的顯示與保存

針對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的多任務(wù)系統(tǒng)，采用多線程技術(shù)可以合理的解決方案?？梢?jiàn)光圖像具有較高的分辨率（4008*2672），圖像尺寸與數(shù)據(jù)容量較大，傳輸速度較慢（1 f/s）；紅外圖像分辨率較低（720*576），圖像尺寸與數(shù)據(jù)容量較小，傳輸速度較快（4 f/s）。

可見(jiàn)光圖像與紅外圖像的圖像格式不同，故分別采用了不同的圖像壓縮與解壓方式：可見(jiàn)光圖像體積大，為保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，采用壓縮比較高的方式；紅外圖像體積較小，為保證圖像不失真，采用壓縮比較低的方式[5]。

由于在數(shù)據(jù)格式及保存路徑上相同，因此可見(jiàn)光圖像與紅外圖像在數(shù)據(jù)傳輸與圖像保存上采用相同的方式：數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)，地面站接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行位對(duì)齊。地面解壓后的圖像一方面顯示到監(jiān)控顯示器上，另一方面按照接收到的時(shí)間保存在以日期時(shí)間命名的文件夾中。

1.4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

偵察設(shè)備在獲取到的圖像信息是圖像傳感器輸出的原始圖像（RAW格式），在傳輸過(guò)程中為了節(jié)約帶寬，需要先將RAW圖像壓縮，待數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婧?，再將壓縮數(shù)據(jù)解壓顯示。

實(shí)時(shí)圖像解壓顯示的過(guò)程中，地面處理計(jì)算機(jī)需要處理的一路圖像的數(shù)據(jù)量很大，約為88 Mb/s，同時(shí)需要保證系統(tǒng)至少無(wú)故障連續(xù)工作2小時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有很高的要求。主通道與備份通道兩路圖像同時(shí)傳輸時(shí)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，兼顧到地面處理計(jì)算機(jī)的性能，系統(tǒng)采用串行解壓的方式。所謂串行解壓方式是指地面處理計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的兩路圖像依次分時(shí)進(jìn)行解壓，即同一時(shí)刻只處理其中一路的圖像[6]。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 地面站工作流程Fig.3 Ground station workflow

系統(tǒng)采用VC++6.0平臺(tái)編寫(xiě)，解壓顯示部分采用了多線程技術(shù)，在軟件界面運(yùn)行的同時(shí)開(kāi)啟圖像解壓工作線程，代碼如下：

void Start（）

{

CWinThread*pThread；

//開(kāi)啟解壓線程

pThread=AfxBeginThread（Thread， this）；

}

//解壓顯示線程

UINT Thread（）

{

//兩通道采用串行分時(shí)解壓方式

ThreadFun1（）； //主通道位對(duì)齊、解壓顯示函數(shù)

ThreadFun2（）； //備份通道位對(duì)齊、解壓顯示函數(shù)

return 0；

}

兩路圖像在傳輸?shù)倪^(guò)程中由于是連續(xù)傳輸，加上數(shù)傳電臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中可能的誤碼與丟幀，每幀數(shù)據(jù)并不一定是以幀頭標(biāo)志位開(kāi)始或以幀尾標(biāo)志位結(jié)束，因此地面站接收到數(shù)據(jù)后首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位對(duì)齊操作，然后將對(duì)齊后的圖像保存為壓縮文件，再對(duì)壓縮文件進(jìn)行解壓顯示保存。

針對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)位的情況，采用了遞歸與迭代算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行為對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)了較高的處理效率。位對(duì)齊過(guò)程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)位對(duì)齊過(guò)程Fig.4 Bits alignment process

為了應(yīng)對(duì)圖像實(shí)時(shí)顯示過(guò)程中光照較弱的情況，程序中加入了圖像增強(qiáng)功能，主要針對(duì)亮度與對(duì)比度增強(qiáng)處理。圖像增強(qiáng)部分使用CDib類(lèi)。亮度增強(qiáng)使用CDib類(lèi)中的ChangBrightness函數(shù)，函數(shù)原型為：

void ChangeBrightness（CDib*pOrigDib， int nChange）；

nChange是亮度的改變量，改變圖像亮度 pOrigDib為原先的圖像。

對(duì)比度增強(qiáng)使用CDib類(lèi)中的ChangeContrast函數(shù)，函數(shù)原型為：

void ChangeContrast（CDib*pOrigDib， int nChange）；

nChange是對(duì)比度的改變量，改變圖像對(duì)比度 pOrigDib為原先的圖像。

2 系統(tǒng)性能評(píng)估

為了確保系統(tǒng)能夠按照規(guī)定的幀率（可見(jiàn)光圖像1 f/s，紅外圖像4 f/s）解壓顯示圖像，測(cè)試單幅圖片的接收解壓速度。測(cè)試方法為，在地面搭建數(shù)傳電臺(tái)，仿真實(shí)際傳輸情況，并且編寫(xiě)單獨(dú)的測(cè)試用例并加入計(jì)時(shí)函數(shù)，對(duì)不同灰度的樣本圖片進(jìn)行解壓，分別記錄解壓時(shí)間如表1所示。

表1 圖像解壓時(shí)間測(cè)試Tab.1 Image decompression time test

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，可見(jiàn)光圖像的單幅解壓時(shí)間在228 ms左右，紅外圖像的解壓時(shí)間在30 ms左右。系統(tǒng)對(duì)著兩種圖像的解壓速度完全滿足圖像實(shí)時(shí)顯示所要求的幀率，為系統(tǒng)進(jìn)行其他處理操作提供了充足的時(shí)間裕量。

3 結(jié)束語(yǔ)

多路圖像實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)利用多線程技術(shù)，結(jié)合遞歸與迭代算法，實(shí)現(xiàn)了多路圖像數(shù)據(jù)的接收、對(duì)齊、解壓、顯示及保存等多項(xiàng)功能，達(dá)到了很高的時(shí)效性、完整性，實(shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時(shí)顯示與保存，為圖像的后期處理和分析奠定了良好的基礎(chǔ)。聯(lián)試表明，本系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。后續(xù)結(jié)合模式識(shí)別等技術(shù)，可以在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別查證等功能。

[1]賈平，張葆.航空光電偵察平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展[J].光學(xué)精密工程，2003（1）:82-87.JIA Ping，ZHANG Bao.Key technology of aerial photoelectric reconnaissance platform and development[J].Optical Precision Engineering，2003（1）:82-87.

[2]孫明超.可見(jiàn)光與紅外偵察圖像融合技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院研究生院 （長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2012.

[3]郭冬梅.美國(guó)航空偵察中信息的獲取及傳輸[J].中國(guó)科技信息，2006（20A）:13.GUO Dong-mei.American reconnaissance in information acquisition and transmission[J].Journal of Information Science and Technology of China，2006（20A）:13.

[4]孟超，張曦煌.基于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集與傳輸設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008（17）:4414-4416.MENG Chao，ZHANG Xi-huang.Image acquisition and transmission based on embedded system design[J].Computer Engineering and Design，2008（17）:4414-4416.

[5]（日）谷口慶治編，朱虹等譯.數(shù)字圖像處理[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[6]周斌，劉秉琦，張瑜，等.利用CCD實(shí)現(xiàn)“貓眼”目標(biāo)探測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究[J].光電工程，2011（11）:35-39.ZHOU Bin，LIU bing-qi，ZHANG Yu，et al.Using CCD to realize “cat-eye” target detection experimental study[J].Journal of Photoelectric Engineering，2011（11）:35-39.