李南伯，李天志，汪 洋

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 四川 成都 610092）

多模式視頻監(jiān)控系統(tǒng)在武器試飛中的應用

李南伯，李天志，汪 洋

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 四川 成都 610092）

隨著技術的進步，以常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、吊艙視頻監(jiān)控系統(tǒng)、伴飛攝像監(jiān)控系統(tǒng)為主體構架的多模式視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸完善，在闡述了各子系統(tǒng)在某型機的武器投放試飛中應用及技術難點后，分析了目前多模式視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的弊端，并提出了改進方向。

多模式視頻監(jiān)控；多路視頻采集記錄器；吊艙；伴飛攝像

隨著技術的進步，視頻監(jiān)控［1］作為飛機科研試飛的重要手段，在多年的科研試飛過程中，已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，衍化出的多種監(jiān)控模式在各種試飛領域都有著廣泛的應用，成為保障試飛安全有力的安全之鎖，并為各種科目試飛提供重要的試飛數(shù)據(jù)和判斷素材。

在某型機的武器投放試飛科目中，運用了多種視頻監(jiān)控模式，形成有效的可視化監(jiān)控網(wǎng)絡，覆蓋了武器試飛的全過程，成為了安全試飛的有利保障并為試飛決策提供了重要依據(jù)。

1 常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在試飛中的應用

目前常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心主要通過加裝的機載多路視頻采集記錄器，采集機上實時的一路屏顯、三路下顯信號以及加裝在座艙的攝像頭傳來的告警面板信號，將這些視頻信號通過合并、壓縮、轉(zhuǎn)化，成為一路PCM信號，從而實現(xiàn)遙測監(jiān)控［2］。多模式視頻監(jiān)控體系如圖1所示。

1.2 常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術要點

常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由安裝于待測飛機上的多路視頻采集記錄器以及安裝于地面監(jiān)控大廳的實時圖像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，地面的實時圖像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括有安裝于前端服務器的接收解調(diào)軟件、視頻流管理軟件和處理后圖像的實時顯示軟件。

圖1 多模式視頻監(jiān)控體系Fig.1 Multi-mode video monitoring system

安裝于機載的多路視頻采集記錄器通過分布于飛機各處的采集節(jié)點，將所需要采集的視頻、語音、標準時碼信息等信號統(tǒng)一采集，并將采集節(jié)點所提供的模擬語音視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字語音視頻，之后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的壓縮處理，并將壓縮后的數(shù)據(jù)流一分為二，其中一路轉(zhuǎn)換成PCM制式并遙測發(fā)送給地面站接收 （這路信號可以如傳統(tǒng)PCM信號一樣選擇幀率進行發(fā)送）；另外一路則直接進入該設備的記錄模塊進行100%數(shù)據(jù)的記錄。而多路視頻采集記錄器所采集的標準時碼信息則給所采集到的每一幀畫面都打上時間標簽，以便地面的圖像顯示軟件進行解調(diào)與分析，從而實現(xiàn)所采集的每幀圖像和機載其他設備所采集的數(shù)據(jù)處于同一時間格式下，以便實時監(jiān)控和事后的數(shù)據(jù)分析。

飛機上所采集的影像數(shù)據(jù)通過該設備的PCM輸出模塊與機載其他采集設備所采集輸出的PCM數(shù)據(jù)一起通過統(tǒng)一的遙測設備，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，經(jīng)由地面遙測接收機，將接收到的影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接薪邮战庹{(diào)功能的前端服務器進行處理，之后以固定的數(shù)據(jù)格式將解調(diào)后的影像數(shù)據(jù)通過以態(tài)網(wǎng)將影像數(shù)據(jù)發(fā)包到各個有監(jiān)控需要的監(jiān)控終端，監(jiān)控終端通過影像實時顯示軟件，把機載影像實時還原出來，讓試飛工程師對所收到的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控與分析。

而機載多路視頻采集記錄器將所采集的影像數(shù)據(jù)在本機的記錄介質(zhì)上加以保存，試飛任務結(jié)束后，也可以通過快卸工具，將記錄下來的所有數(shù)據(jù)通過地面軟件加以還原，供試飛工程師對當日的試飛影像數(shù)據(jù)進行詳細處理與分析。

安裝于前端服務器上的軟件是用于將PCM的原碼提供給視頻流服務器。首先把接收到的遙測數(shù)據(jù)解調(diào)成為三同步數(shù)據(jù)（即位同步、字同步、幀同步數(shù)據(jù)）。之后將解調(diào)出的數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換成視頻流服務器上的視頻流管理軟件所能解讀的數(shù)據(jù)格式，并以內(nèi)存共享的方式將數(shù)據(jù)提供給視頻流服務器軟件。

視頻流管理軟件在接收到前端服務器所共享的數(shù)據(jù)之后，將所收到的信息重新組成一個PCM全幀，對該幀數(shù)據(jù)進行分析處理，從PCM全幀數(shù)據(jù)中提取并還原出校驗正確的視頻數(shù)據(jù)幀及VGA格式的影像數(shù)據(jù)幀，然后以組播的方式通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡上所有的監(jiān)控終端。常規(guī)視頻監(jiān)控體系構架如圖2所示。

圖2 常規(guī)視頻監(jiān)控體系Fig.2 Conventional video monitoring system

2 高速攝像系統(tǒng)

高速攝像系統(tǒng)主要用于監(jiān)控武器投放科目試飛中［3］，導彈與機身的分離情況，保障試飛安全，并為飛機和導彈設計部門提供彈機分離后軌跡的第一手資料。并且，通過非接觸式的，基于多幀圖像的精確測算與運動測量方法，在與武器系統(tǒng)互不交聯(lián)、獨立于武器發(fā)射過程之外的狀態(tài)下，獲取的彈機分離影像數(shù)據(jù)，之后運用機翼變形測量試飛三維運動姿態(tài)分析系統(tǒng)，對外掛武器的投放初始狀態(tài)及發(fā)射過程中的機翼變形量的分析。導彈發(fā)射后標志顯示如圖3所示。

圖3 導彈發(fā)射后標志顯示Fig.3 Indication after the missile launch

2.1 飛機改裝與武器安裝方案

如圖4所示，在飛機機身下方固定連接一個安裝有兩臺高速攝像機的定制吊艙，考慮到機載外掛武器發(fā)射過程的測量區(qū)域需要較大的可視空間，因此，兩臺高速攝像機的布置視場應略有不同。根據(jù)機體與吊艙空間視場的實際情況，攝像機的拍攝視場應適用于6 m×6 m。并實際視場狀態(tài)（光線、距離等），選擇適合的相機鏡頭，視場大小可在試飛之前調(diào)至最佳。武器通過掛梁固連機翼下方，在武器上刻繪有“十”字絲或其它標志作為被測標識點。在飛機起降兩個過程的前后，需對高速攝像機進行標定，記錄下在飛機起降與科目試飛集中種狀態(tài)下，兩臺高速攝像機同時記錄的包含被測標識點在內(nèi)的影像像，對影像進行數(shù)據(jù)處理，從而獲取外掛武器在投放發(fā)射階段的三維運動姿態(tài) ［4］?？紤]到高空的溫度情況，吊艙內(nèi)部應采取相應的加熱保溫措施，以保障高速攝像機可以正常運行。外掛武器表面所粘貼或噴涂的事后分析用標志點的形狀和布置位置則需格局實際情況完成。

2.2 試飛中的應用與分析

在武器投放試飛過程中，將高速攝像機的拍攝幀數(shù)設置為100，即每秒鐘將捕捉 100幅圖像，以目前高速攝像機的記錄容量，可持續(xù)記錄40秒鐘的高速運動畫面。當試飛飛機進入武器投放區(qū)域后，由飛行員觸發(fā)安裝于座艙內(nèi)的觸發(fā)開關，然后進行武器投放，以保證可以拍攝到武器投放的全過程。

圖4 攝像機布置Fig.4 Camera arrangement

對外掛吊艙中的高速攝像機所拍攝的數(shù)據(jù)進行100%無損記錄，試飛結(jié)束后使用專用軟件進行數(shù)據(jù)分析處理，從而獲取了機翼攜帶并且伴隨飛機一起運動的機載外掛武器掛飛與投放過程中的武器三維運動姿態(tài)參數(shù)。

在飛機起降過程的前后分別對所使用的高速攝像機進行標定，獲取高速攝像機的標定參數(shù)數(shù)據(jù)。在試飛過程中高速攝像機完整記錄包含被測外掛武器標識點在內(nèi)的所有影像，并將拍攝到的影像按照拍攝順序存儲在影像像采集卡里。試飛任務結(jié)束后，將影像采集卡中的順序影像數(shù)據(jù)下載到數(shù)據(jù)處理計算機中進行影像處理，分析處理后即可得到機載外掛武器在掛飛于投放的整個試飛過程中的三向位移、姿態(tài)（俯仰角/滾轉(zhuǎn)角/偏航角）等參數(shù)。

專用的影像數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)框圖如圖5所示，包括有試驗任務管理模塊、序列圖像回放模塊、攝像機標定模塊、圖像特征提?。?］模塊、武器三維位置姿態(tài)計算［6］模塊、武器三維運動速度/加速度計算模塊及結(jié)果三維動畫顯示模塊等模塊在內(nèi)。

圖5 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)框圖Fig.5 Data processing software system

3 伴飛攝像監(jiān)控系統(tǒng)

目前，國內(nèi)的伴飛攝像一般通過人工觀測到目標后，再實現(xiàn)對目標的人工拍攝，但是人工觀測的距離有限，人工拍攝角度不易把握，使得視頻捕獲靈活性低，穩(wěn)定性差，采集的視頻數(shù)據(jù)可觀性不強，不能滿足設計部門、飛行試驗部門和飛行員的分析要求。自動跟蹤技術是國內(nèi)外視覺監(jiān)控領域研究的難點和熱點之一。

3.1 伴飛攝像系統(tǒng)解決技術難點

首先，在伴飛攝像系統(tǒng)中采用手動鎖定模式，鎖定需要跟蹤的目標，并將目標信息送到自動跟模塊。在自動跟蹤模塊中，利用背景差分法實時捕獲目標信息，從而實現(xiàn)自動跟蹤。背景差分法是目前運用在移動目標的跟蹤檢測領域中較為常用的一種方法，該方法以實時圖像和背景圖像為基礎素材，以二者差分計算的結(jié)果來檢測運動區(qū)域，將背景前景圖像的灰度提取作差，從而保證可以較為完整的提取目標。但這種背景差分法［7］對光照、天氣等外部環(huán)境條件的變化較為敏感，不能完全用于伴飛攝像系統(tǒng)對空中拍攝的要求。經(jīng)過研究，采用中值背景模型實時更新背景信息。在伴飛攝像系統(tǒng)中，在建立背景模型的過程中采用四角篩選式中值計算法，并且在計算過程中，間隔30秒刷新一次背景圖像。將手動鎖定目標的時間點定義為零時刻t0，從t0時刻開始計算，選取第1，3，5幀圖像，使用四角篩選式中值法對已選取的三幀圖像進行計算，并且從t0+n×30秒（n為自然數(shù)）的時間點開始，再選取第1，3，5幀圖像，使用四角篩選式中值法對選取的三幀圖像再次進行計算，這樣即是每間隔30秒鐘進行一次四角篩選式中值計算，實現(xiàn)背景圖像達到每30秒一次的刷新率。如圖6所示。

圖6 背景提取示意圖Fig.6 Schematic diagram of background extraction

其次，將自動跟蹤技術［8］應用到伴飛攝像系統(tǒng)，除了獲取目標的即時位置的動態(tài)坐標信息外，還需要將被跟蹤目標的目前所在方位的空間坐標信息輸入到PID控制器中。PID控制器得到被跟蹤目標的坐標信息（x，y）后，和當前攝像機瞄準的坐標（x0，y0）進行實時差分，計算出x方向與y方向的偏移量，如式（1）和式（2）所示。

圖7 PID控制系統(tǒng)結(jié)構框圖Fig.7 PID control system diagram

在伴飛攝像系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的伺服機構控制器采用了PID控制律，PID即比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）控制，PID控制是一種基于過去、現(xiàn)在和未來三系時間坐標所屬信息對比得出的控制算法，具有較強的魯棒性。其控制系統(tǒng)結(jié)構圖如圖7所示，PID控制系統(tǒng)主要包含PID控制器和被控對象兩部分。PID控制器是利用比例、積分和微分的方法對定值與實際值的偏差進行運算，并通過線性組合的方式，完成控制量對被控對象進行控制。

3.2 伴飛攝像系統(tǒng)的應用

在成功的解決通過基于背景差分法提取目標及PID （Proportional Integral Derivative）伺服機構控制系統(tǒng)的關鍵技術問題后，將自動跟蹤技術應用到伴飛攝像中，有效的解決了視頻目標捕獲的靈活性及穩(wěn)定性問題。伴飛攝像系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖8所示。

圖8 伴飛攝像系統(tǒng)實現(xiàn)框圖Fig.8 Schematic diagram of co-flight video recording

由此開發(fā)的伴飛攝像系統(tǒng)也成功的應用到了武器投放試飛中。在武器投放試飛中，由伴飛飛機攜帶伴飛吊艙，全程拍攝試飛飛機的整體和局部畫面，并將影像數(shù)據(jù)傳送回地面監(jiān)控大廳，使在監(jiān)控大廳中的試飛指揮員、試飛工程師等可以綜合其它的機載遙測試飛數(shù)據(jù)，更加全面的了解試飛飛機在整個試飛過程中的起飛著落、空中姿態(tài)、空中對靶場的瞰視全景、彈機安全分離全過程、導彈命中等試飛要素。

4 結(jié) 論

以常規(guī)視頻監(jiān)控、吊艙視頻監(jiān)控、伴飛攝像監(jiān)控為主體的多模式視頻監(jiān)控系統(tǒng)在武器試飛以及常規(guī)科研試飛中已得到了廣泛的應用。為可視化試飛體系的構建建立了良好的基礎。目前的多模式視頻監(jiān)控系統(tǒng)還存在一些缺點，如受傳輸帶寬限制，遙測監(jiān)控視頻畫面質(zhì)量不穩(wěn)定；數(shù)據(jù)存儲量大，數(shù)據(jù)下載時間較長；控制環(huán)節(jié)較多，需要操作人員較多等缺點。隨著試飛需求的進一步提高，測試技術的進步，視頻監(jiān)控體系也迎來了二次發(fā)展的機會，在不久的將來，網(wǎng)絡化將應用到全新一代視頻采集設備中，地面模擬驅(qū)動還原技術，分流多點遙測技術，小型化存儲陣列技術，等也將逐步應用在視頻監(jiān)控體系之中，以改善監(jiān)控質(zhì)量，提高效率，提升試飛基地的整體試飛監(jiān)控能力。

［1］張建琳.試飛監(jiān)控與指揮系統(tǒng)的建立及應用［J］.測控技術，2004，23（9）:27-30.

［2］李相國，李士麗.試飛遙測顯示監(jiān)控系統(tǒng)［C］//2013年首屆中國航空科學技術大會論文集，2013.

［3］蘇曾立.高速攝像系統(tǒng)及其在靶場中的應用分析［J］.飛行器測控學報，2003（4）:267-270.

［4］阮娟.機載導彈傳遞對準匹配方案研究［J］.彈箭與制導學報，1998（5）:57-60.

［5］楊杰.一種移動機器人視覺圖像特征提取及分割方法［J］.機器人，2008，36（1）:227-234.

［6］唐自力.單站光測圖像確定空間目標三維姿態(tài)［J］.光子學報，2004，33（12）:48.

［7］李林，盧煥章.基于分級自適應背景差分的運動目標檢測［J］.電視技術，2013，40（8）:34-39.

［8］鄭巖，譚慶昌，王樹范.車載火控系統(tǒng)自動跟蹤的卡爾曼濾波［J］.紅外與激光工程，2010，39（2）:230-233.

The application of multi-mode video monitoring system in weapon test

LI Nan-bo，LI Tian-zhi，WANG Yang
（Flight Test Center of Avic Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.，LTD，Chengdu 610092，China）

With the progress of technology，in this thesis，a multiple video monitoring system was formed based on legacy video monitoring，suspended cabin video monitoring and co-flight video monitoring，in each subsystem in weapons delivery flight test in the application of a certain type of machine and the technical difficulties，analysis of the current insufficiency of multi-mode video monitoring system，and proposed the improvement direction.

multiple mode video monitoring；multiple video acquisition recorder；suspension cabin；co-flight video recording

TN2

A

1674－6236（2016）04-0094-04

2015-04-02 稿件編號：201504029

李南伯（1983—），男，江西九江人，工程師。研究方向：飛行試驗、試飛測試。