中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of a Video Recording Playback and Image Reappearance System

LIU Jing'，WANG Fei2（1WuanSeoideahiteagtiga）

Abstract： This paper proposes an overall design scheme for a video recording and playback system based on hardware acquisition. It details the design scheme，hardware，and software architecture.Byutilizing asimple and reliable circuit，thesystemachieves fullrecording，storage，and playbackofdisplay terminal signals.Additionally，it provides a simple， reliable， and practical design method for remote screen reappearance.

Key words： video; recording; playback

1 引言

近年來，隨著現(xiàn)役艦船海上訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化程度越來越高，為提高訓(xùn)練質(zhì)量，對(duì)模訓(xùn)的要求也隨之提高。在海上訓(xùn)練中，將有關(guān)的態(tài)勢(shì)感知、攻擊決策、航行指揮等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)高保真記錄，回碼頭后，在岸基模擬訓(xùn)練中心對(duì)視頻記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、復(fù)盤，總結(jié)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)、進(jìn)行海訓(xùn)效果評(píng)估，同時(shí)在岸基模擬艙室復(fù)顯海訓(xùn)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)，可有效提升各級(jí)操作指揮員海上綜合態(tài)勢(shì)適應(yīng)性，是全面提升全艦各級(jí)各類人員的綜合作戰(zhàn)能力的重要手段。

現(xiàn)役艦船壽命期一般較長(zhǎng)，人役時(shí)裝備的各類操控臺(tái)一般都沒有實(shí)時(shí)高保真記錄操控視頻信號(hào)的功能。期待艦船中期現(xiàn)代化改裝時(shí)隨同更換操控臺(tái)一并增加高清視頻信號(hào)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高保真記錄功能，一來無法滿足現(xiàn)有急需提升訓(xùn)練質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)需求，二來經(jīng)費(fèi)需求較高。

為解決此問題，有效保障訓(xùn)練質(zhì)量，在利用現(xiàn)有操控臺(tái)對(duì)外輸出RGB模擬視頻分顯接口分機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于硬件采集方式實(shí)現(xiàn)高清視頻數(shù)字化采集、記錄、回放的應(yīng)用方案，用于滿足對(duì)操控終端顯示的各類原始畫面信號(hào)，包括屏顯的所有內(nèi)容和操作員實(shí)時(shí)操作過程畫面，進(jìn)行全程高保真記錄、存儲(chǔ)和回放。

2 視頻記錄回放實(shí)現(xiàn)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

目前，慣常實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)字化采集主要有軟件和硬件兩種方式。

軟件方式為直接在需要采集視頻信號(hào)的操控臺(tái)上安裝相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件，通過抓屏方式進(jìn)行視頻采集，特別是針對(duì)高清視頻信號(hào)的無損采集，對(duì)操控臺(tái)計(jì)算機(jī)硬件要求極高，需要操控臺(tái)在確保日常操控任務(wù)之外，具有較大的CPU“算力冗余”和視頻數(shù)據(jù)“存儲(chǔ)空間冗余”。

硬件方式為采用獨(dú)立的VGA硬件采集和錄放設(shè)備對(duì)操控臺(tái)輸出的RGB模擬視頻信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集、記錄存儲(chǔ)、回放，此種方式不依賴、不占用操控臺(tái)主機(jī)的本地運(yùn)算能力，完全獨(dú)立運(yùn)算，實(shí)時(shí)采集、傳輸視頻信號(hào)。

受到當(dāng)初研制時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)水平限制，現(xiàn)役艦船平臺(tái)上裝備的各類早期定型操控臺(tái)主機(jī)CPU運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間等硬件能力有限，無法滿足利用軟件方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻動(dòng)態(tài)高精度采集的目的，因此提出一種在基本不改變?cè)O(shè)備架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用操控臺(tái)主顯示器輸出至遠(yuǎn)距離分顯接口分機(jī)的RGB模擬視頻信號(hào)，新增一套視頻數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化采集和高清實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄存儲(chǔ)和回放[-2]。該系統(tǒng)主要由硬件采集設(shè)備和錄放設(shè)備組成。硬件采集設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)分配及VGA轉(zhuǎn)換模塊、VGA視頻采集模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊等。

2.1信號(hào)分配及VGA轉(zhuǎn)換模塊

信號(hào)分配及VGA轉(zhuǎn)換模塊主要完成輸入RGB模擬視頻信號(hào)的多路分配、放大驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換功能。

原理框圖見圖2所示。

首先將RGB輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，然后通過專用視頻驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路，將輸入的RGB模擬信號(hào)分為兩路，其中一路RGB1信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、放大和輸出緩沖、阻抗匹配后輸出，用于遠(yuǎn)距離分顯接口分機(jī)使用；另一路RGB2信號(hào)則在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、放大和輸出緩沖、阻抗匹配的同時(shí)，經(jīng)由轉(zhuǎn)換電路，將G信號(hào)中的行、場(chǎng)同步信號(hào)分離出來，變成RGBHV格式信號(hào)輸出，供VGA視頻采集模塊使用。

2.2VGA視頻采集模塊

VGA視頻采集模塊主要完成模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化采集。將輸入的模擬RGB視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為顯示分辨率 1 2 8 0 × 1 0 2 4 、逐行掃描、刷新率 的高清數(shù)字信號(hào)。

視頻采集模塊原理框圖如圖3所示。

視頻采集模塊的核心[是一片DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片，另外還包括信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)緩存電路及USB3.1接口電路。

整個(gè)信號(hào)采集流程如下：信號(hào)調(diào)理電路將輸入的RGBHV模擬信號(hào)變換成符合A/D轉(zhuǎn)換器格式要求的信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后輸出的數(shù)字比特流傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鎖存電路進(jìn)行鎖存，由操作員向錄放設(shè)備發(fā)出開始錄制命令，錄放設(shè)備通過USB接口發(fā)出控制信息通知DSP取數(shù)，由DSP提取鎖存器中的數(shù)據(jù)并加以壓縮、編碼等處理后形成分辨率為1 2 8 0 × 1 0 2 4 、逐行掃描、刷新率 的高清數(shù)字信號(hào)，送往數(shù)據(jù)緩存電路，錄放設(shè)備經(jīng)由USB3.1接口讀取數(shù)據(jù)緩存電路中的數(shù)據(jù)并保存到硬盤上。

數(shù)字化采集過程中最核心的關(guān)鍵在于高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化和高性能DSP芯片。

為確保模擬視頻信號(hào)的無損、實(shí)時(shí)采樣，本方案中的A/D轉(zhuǎn)換器選用AD5664R系列，該系列A/D轉(zhuǎn)換器具有采樣精度為 1 6 b i t 的4路通道，最高采樣比為2 2 0 k S / s ，300MB的模擬帶寬，刷新率可達(dá) 的視頻信號(hào)，在鎖相環(huán)產(chǎn)生的采樣時(shí)鐘作用下，轉(zhuǎn)換為顯示所需的高清數(shù)字視頻信號(hào)。

在對(duì)高清數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼過程中要求較高的行同步，如果某一行圖像數(shù)據(jù)丟失一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，整個(gè)圖像就會(huì)產(chǎn)生傾斜。因此為保證數(shù)據(jù)不丟失，在將高清數(shù)字視頻信號(hào)送往數(shù)據(jù)緩存電路的過程中需突發(fā)存儲(chǔ)每行數(shù)據(jù)，其突發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為圖像的水平分辨率，即 1 2 8 0 × 2 4 b i t 。

核心芯片采用 A D S P 2 1 x x 系列的高性價(jià)比DSP器件，基于 A D S P 2 1 x x 內(nèi)核，具有64個(gè)32位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和48位程序存儲(chǔ)器，具有取模和比特反轉(zhuǎn)的雙數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器，多處理器連接，可工作在 時(shí)鐘速率下，最高可達(dá)到 4 8 0 0 M I / s 。采用了超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)總線和地址總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，加上8個(gè)獨(dú)立計(jì)算功能單元，可實(shí)現(xiàn)多指令的并行執(zhí)行。

經(jīng)過前端處理后的高清視頻數(shù)據(jù)通過高速串行總線USB3.1接口送往視頻錄放設(shè)備。USB3.1采取2組數(shù)據(jù)線、雙向傳輸數(shù)據(jù)，速率可達(dá) 1 0 G b p s 。

2.3電源模塊

電源模塊將艦船上提供的 A C2 2 0 V/ 5 0 H z 船電，根據(jù)模塊需求，經(jīng)過穩(wěn)壓及過濾后，轉(zhuǎn)換為 D C± 5 V DC5V、 D C+1 2 V 等各種電制進(jìn)行模塊供電并向錄放設(shè)備供電。

2.4錄放設(shè)備

錄放設(shè)備選用基于VXWORKS操作系統(tǒng)，高性能、大存儲(chǔ)量硬盤的軍用加固型便攜平板設(shè)備，利用軟件完成采集模塊送出的高清視頻數(shù)據(jù)信息的記錄、存儲(chǔ)及回放。

對(duì)于顯示分辨率 1 2 8 0 × 1 0 2 4 、逐行掃描、刷新率 的采樣高清視頻數(shù)據(jù)而言， 1 m i n 視頻數(shù)據(jù)最多占用存儲(chǔ)空間約為 4 0 M B ，選用1TB存儲(chǔ)硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可提供不少于 的視頻存儲(chǔ)空間。

所需存儲(chǔ)空間如下式計(jì)算。

2 0 0 × 6 0 × 4 0 M B = 4 8 0 0 0 0 M B

即 共需要存儲(chǔ)空間為大約480GB，1TB的硬盤空間除去機(jī)內(nèi)各種軟件占用的空間外，完全滿足存儲(chǔ)要求。

錄放軟件可根據(jù)需要設(shè)置存入任意時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)的視頻數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)、回放兩部分功能，記錄和回放功能可以同時(shí)進(jìn)行，互不干擾[4。錄放軟件主程序流程框圖如圖4所示。

初始化模塊，程序啟動(dòng)檢查空間，更改操作記錄日志文件，記下起始時(shí)間、截止時(shí)間、特定時(shí)間點(diǎn)回放等。

自檢進(jìn)程，對(duì)各個(gè)單元模塊自檢，記下檢測(cè)結(jié)果，并顯示相關(guān)故障信息，如視頻故障、通訊故障及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)故障，方便快速故障定位。

回放控制界面，設(shè)置有停止、開始、暫停、快進(jìn)、快退、退出等功能鍵，方便快速回放。

2.5電磁兼容和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中涉及的各項(xiàng)硬件在設(shè)計(jì)、制造過程中均需進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)、制造過程中滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)的具體指標(biāo)要求，對(duì)其電場(chǎng)磁場(chǎng)泄漏和傳導(dǎo)干擾等進(jìn)行控制[5]。

1）在板卡設(shè)計(jì)上，通過優(yōu)選器件，在線路原理設(shè)計(jì)中充分考慮線路的合理性和參數(shù)的適當(dāng)性，PCB布板中確定EMC設(shè)計(jì)原則等措施保證EMC設(shè)計(jì)。

2）在接地方面，硬件采集設(shè)備機(jī)箱采用金屬外殼形成電磁屏蔽罩，在內(nèi)部設(shè)置足夠的接地點(diǎn)，通過接地焊片、螺釘?shù)扰c設(shè)備地相連。印制板設(shè)置大面積覆銅接地，將由電源、信號(hào)、屏蔽層引起的各類傳導(dǎo)干擾就近接入設(shè)備地，再通過設(shè)備地接人系統(tǒng)地，有效防止了各類傳導(dǎo)干擾的傳遞、累加、相互作用，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)也避免了干擾經(jīng)接口電路對(duì)其他設(shè)備的串?dāng)_和電磁能量輻射。

3）在屏蔽方面，采用多重屏蔽手段，可有效阻隔電磁輻射在空間上對(duì)設(shè)備的干擾，包括各模塊的屏蔽設(shè)計(jì)和采用多層屏蔽電纜，對(duì)易受干擾的視頻信號(hào)用屏蔽層保護(hù)，并將電纜屏蔽層有效接地，以減少視頻信號(hào)對(duì)外輻射并提高抗干擾能力。

4）在傳導(dǎo)抑制方面，為有效抑制傳導(dǎo)中帶來的干擾，電源轉(zhuǎn)換模塊及各處理模塊電源均采取逐級(jí)電容濾波設(shè)計(jì)，以消除難以抑制的干擾累加現(xiàn)象，且此種設(shè)計(jì)對(duì)由個(gè)別電路異動(dòng)引起的特殊干擾有較強(qiáng)的抑制作用。

有關(guān)視頻電纜、電源電纜均選用滿足國(guó)軍標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的專用電纜，以及按照相關(guān)國(guó)軍標(biāo)對(duì)于電纜布置原則的要求，按照間隔至少 1 0 0 m m 的空間隔離要求進(jìn)行分級(jí)分類固定敷設(shè)[5]。

除此以外，硬件還需進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：1）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包含艙室環(huán)境適應(yīng)性（溫度、濕度等），設(shè)計(jì)時(shí)考慮適當(dāng)?shù)哪铜h(huán)境余量；2）元器件降額設(shè)計(jì)；3）采用改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施；4）控制設(shè)備工作時(shí)對(duì)周圍環(huán)境影響或干擾程度。

3視頻數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)布置安裝及工作流程

視頻數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中硬件采集設(shè)備按照上艦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行艙室固定安裝；便攜式錄放設(shè)備采取臨時(shí)固定方式固定于硬件采集設(shè)備附近。

艦船出海前，將便攜式錄放設(shè)備攜行上船，接入視頻數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。艦船出海訓(xùn)練期間，適時(shí)啟動(dòng)視頻數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)對(duì)有關(guān)訓(xùn)練視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)。

海訓(xùn)結(jié)束后，可將錄放設(shè)備攜行至岸基模擬訓(xùn)練中心，接入模訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)，將相關(guān)高清視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入各有關(guān)模訓(xùn)操控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻回放、訓(xùn)練復(fù)盤、總結(jié)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)、海訓(xùn)效果評(píng)估等工作。

4結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)視頻記錄回放功能，能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)操練視頻數(shù)據(jù)的高精度實(shí)時(shí)數(shù)字化采集、存儲(chǔ)和回放，實(shí)現(xiàn)了艦船靠岸后對(duì)態(tài)勢(shì)感知、攻擊決策、航行指揮等狀態(tài)進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，有效地提升了岸基模訓(xùn)的真實(shí)性，可有效提升各級(jí)操作指揮員海上綜合態(tài)勢(shì)適應(yīng)性，為進(jìn)一步提升全艦各級(jí)各類人員的綜合作戰(zhàn)能力提供了有力的支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]唐輝，竇強(qiáng).一種音視頻記錄回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工藝控制計(jì)算機(jī)，2019，32（8）：16-18.

[2]張力，詹承華.基于國(guó)產(chǎn)處理器的視頻記錄重演系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2019，40（11）：3349-3356

[3]張志文，段錦濤.一種嵌入式數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：98-102.

[4]薛京，賴東林，李慶偉，等.一種音視頻記錄和存儲(chǔ)系統(tǒng)方案[J].電聲技術(shù)，2018，42（10）：5 9 - 6 3 + 8 0

[5]王飛，劉靜.小型艦船總體電磁兼容控制初探[J].廣東造船，2021，40（6）：53-56.